Зрение Восприятие света и обработка информации в сетчатке
Конъюнктива Шлеммов канал Радужная оболочка Роговица Передняя камера Задняя камера Ресничная мышца Хрусталик Зрительная ось Сосок Волокна пояска Стекловидное тело Решетчатая пластинка Центральная ямка Желтое пятно Склера Сосудистая оболочка Сетчатка Зрительный нерв
Cornea Light Light Fixation point Lens Sclera Choroid Retina Fovea Optic nerve Fovea Retina Optic disc Pigment epithelium Foveola Pigment epithelium Photoreceptor Ganglion cell Biopolar cell
Два типа фоторецепторов – палочки (120 млн) - ночное зрение - колбочки (6 млн) – дневное зрение
80 60 40 20 0 20 40 60 80 Палочки Колбочки Слепое пятно Центральная ямка Назальная часть Височная часть Распределение колбочек и палочек в сетчатке (схема). По оси ординат – плотность рецепторов (число рецепторов на 1 мм 2 ), по оси абсцисс – расстояние от центральной ямки в угловых градусах.
РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ ПАЛОЧКАМИ И КОЛБОЧКАМИ Палочки (120 млн ) Колбочки (6 млн ) Высоко чувствительны (реакция на 1 фотон), специализированы для ночного зрения. Располагаются по периферии сетчатки. Низко чувствительные (реакция на сотни фотонов), специализированные для дневного зрения. Сконцентрированы в центральной ямке, что дает наименьшее искажение образа. Большее количество фотопигмента, поглощают больше света. Меньшее количество фотопигмента. Высокая степень усиления сигнала. Невысокая степень усиления. Насыщение при попадании нескольких фотонов Насыщение только при очень интенсивном свете Низкая временная разрешающая способность: медленный ответ, длительное время интеграции (эффекты фотонов за 100 мсек суммируются). Воспринимают колебания < 12 гц. Высокая временная разрешающая способность: быстрый ответ, короткое время интеграции. Воспринимают колебания до 55 гц. Более чувствительны к рассеянному свету. Более чувствительны к прямым лучам света. Палочковая система Колбочковая система Низкая точность: широкая конвергенция, отсутствие палочек в центральной ямке. Высокая точность: слабая конвергенция, колбочки сконцентрированы в центральной ямке. Лучше пространственное и временное разрешение. Нецветное зрение: палочки с одним типом пигмента. Цветное зрение: колбочки с тремя типами пигмента, каждый из которых наиболее чувствителен в определенной части спектра. Соответствующая организация рецепторных полей.
В палочке ответ составляет половину максимального при активации 30 молекул родопсина; в колбочке – при активации 1200 молекул пигмента. МЕМБРАННЫЕ ТОКИ в палочке (вверху) и колбочке (внизу) у обезьяны. Записаны с помощью засасывающей пипетки. Наружные сегменты клеток освещались вспышками света, причем интенсивность вспышки последовательно удваивали до тех пор, пока ответы не достигли максимальной амплитуды, а входящие токи полностью не блокировались. Ток, х · 10 -12 А Время, сек
Кошки видят не слишком четко, особенно отдаленные предметы; они видят мир не таким ярким; в темноте они видят лучше человека.
Колбочка Палочка Родопсин Диски Поверхностная мембрана клетки Зрительный пигмент колбочки Наружный сегмент Внутренний сегмент Синаптическое окончание Палочки и колбочки имеют аналогичные функционирующие области Наружный сегмент клетки для восприятия фотонов содержит молекулы светопоглощающего пигмента. Обновление 2-3 диска в час. Во внутреннем сегменте находится ядро митохондрии и другие органеллы. Синаптическое окончание связывает фоторецептор с другими клетками сетчатки. Медиатор – глютомат.
Схема строения палочки (А) и колбочки (Б) в сетчатке позвоночных. В увеличенном виде показана структура мембраны дисков в наружных сегментах палочек и мембранные складки наружных сегментов колбочек. Натриевые каналы Липид Часть двойного мембранного диска Плазматическая мембрана MII P MI P P Белок мембраны В Колбочка Палочка Складки мембраны Двойные мембранные диски Митохондрии Ядро Синаптическое окончание Плазматическая мембрана Наружный сегмент А Б В. Структура диска или плазматической мембраны фоторецепторов.
Три стадии фототрансдукции свет активирует зрительный пигмент в фоторецепторе; активация молекул зрительного пигмента приводит к стимуляции фосфодиэстеразы, гидролизу и снижению концентрации цГМФ в цитоплазме; снижение цГМФ приводит к закрытию Na+ каналов и гиперполяризации мембраны рецептора.
Outer segment Disc Disc inferior Visual pigment (Rhodopsin) Cytoplasm Residue 296 attachment site for retinal A B COOH NH 2 11- cis retinal (Mr=268) All- trans retinal C H 3 C CH 3 H CH3 H C C C C H 2 C C C C C H H H 2 C C H H C H 2 C CH 3 H 3 C O H H 3 C CH 3 H CH 3 H CH 3 O C C C C C C H 2 C C C C C C H H 2 C C H H H H H 2 C CH 3 C Первая стадия фототрансдукции: активация зрительного пигмента О psin Ретинал – альдегидная форма витамина А. Неактивная форма Активная форма
Регенерация 11- цис -ретинала Р – родопсин, Р+ - активированный родопсин. Хориокапилляры Пигментный эпителий сетчатки Межрецепторное пространство Наружный сегмент палочки 11- цис -ретиниловый эфир 11- цис -ретинал Запасник Жирная кислота Транс- ретинол (витамин А) Транс -ретиниловый эфир РСБ РСБ – ретинал связывающий белок Транс-ретинол Транс -ретинал Ретинол дегидрогенеза 11- цис -ретинал Фотон Опсин Р Р + Транс -ретинол (поступает с пищей)
Вторая стадия фототрансдукции: изменение концентрации цГМФ в фоторецепторе Ретиналь Опсин цГМФ-ФДЭ 5 ’ -ГМФ+Н + 5 ’ -ГМФ цГМФ А Б В Г Д Е Родопсинкиназа Арестин G- белок Трансдуцин Метародопсин- II Инактивация опсина Активация цГМФ-ФДЭ Гидролиз цГМФ Дефосфориляция Скорость движения G -белка в мембране 0.1 - 0.001 мкм/сек. Гуанилат-циклаза – синтез цГМФ из ГТФ Фосфодиэстераза – гидролиз цГМФ Са(2+) угнетает Метародопсин II активирует цГМФ-ФДЭ
Outer segment membrane Visual pigment (Rhodopsin) G-Protein (Transducin) cGMP Phosphodiesterase Cytoplasm Disc Disc interior Light GTP 5’-GMP GDP cGMP Extracellular space Rod outer segment cGMP - gated channel Na + 3cGMP M-rodopsin II Гуанилат-циклаза – синтез цГМФ из ГТФ Фосфодиэстераза – гидролиз цГМФ cGMP регулируемые Na- каналы Евгений Фесенко
B C Outer segment Na+ Na+ Light Dark Dark Dark Light High [cGMP], channels open Low [cGMP], channels closed Stimulus (light intensity ) Current across outer segment membrane Membrane potential 0 pA -50 pA -40 mV -70 mV Outer segment Curent flux Cillum K+ -selective channels Inner segment Na+ Active transport cGMP-gated Na+ -channels Третья стадия фототрансдукции: изменение проницаемости цГМФ-зависимых Na+ - каналов мембраны фоторецептора 3 цГМФ
Усилительный каскад в зрительной системе. Фотон Родопсин – 1 мол 500 молекул фосфодиэстеразы Гидролиз 5х10 5 молекул цГМФ в секунду Блокируется прохождение 10 6 -10 7 ионов Na + Рецепторный потенциал 1 мВ Уменьшение выделения медиатора Деполяризация биполярных клеток Инициация потенциала действия в волокне зрительного нерва Зрительная кора До 500 мол трансдуцина
Адаптация к свету Сокращение зрачка Десенситизация колбочек Са(2+) – зависимая модуляция синтеза цГМФ
Outer segment membrane Visual pigment (Rhodopsin) G-Protein (Transducin) Guanilat cyclase cGMP Phosphodiesterase Cytoplasm Disc Disc interior Light GTP 5’-GMP GDP cGMP Extracellular space Rod outer segment тормозит cGMP - gated channel Na + Ca ++ Ca ++ 3cGMP M-rodopsin II Са(2+) -1/7 тока Внутриклеточный механизм адаптации к свету Гуанилат-циклаза – синтез цГМФ из ГТФ Фосфодиэстераза – гидролиз цГМФ Са(2+) угнетает
Фоторецептор Горизонтальная клетка Биполярная клетка Ганглиозные клетки Амакриновые клетки Клетки сетчатки глаза
Rod Cone Rod Distal Bipolar cell Proximal Light Vertical information flow Amacrine cell To optic nerve Horizontal cell Lateral information flow Outer nuclei layer Outer plexiform layer Inner nuclear layer Inner plexiform layer Ganglion cell lauer Amacrine cell Ganglion cell Нейроны сетчатки Фоторецепторы Горизонтальные клетки Биполярные клетки Амакриновые клетки Ганглиозные клетки
A On -center field B Off -center field On’area Off’area 1 Central spot 2 Peripheral spot 3 Central illumination 4 Surround illumination 5 Diffuse illumination Off’ area On’ area Light Light 0 0.5 1 1.5 Рецепторное поле ганглиозной клетки - область сетчатки, фоторецепторы которой изменяют активность этой ганглиозной клетки Рецепторное поле круглое Имеет центр и антагонистическое окружение По типу организации рецепторного поля ганглиозные клетки подразделяются на on- и off- клетки и обрабатывают информацию двумя параллельными путями Два параллельных пути переработки информации Ключевой принцип зрительной системы – реакция на контраст, т.е. выделение предмета из окружения
Импульсная активность ганглиозных клеток отражает различие в освещенности центра и окружения, т.е. информация даже о небольших различиях передается в центр Ключевой принцип зрительной системы – реакция на контраст, т.е. выделение предмета из окружения Одно и то же серое кольцо выглядит светлее по контрасту с черным, чем по контрасту с белым
Схема строения сетчатки приматов (по данным электронной микроскопии). НПМ – наружная пограничная мембрана, ВПМ – внутренняя пограничная мембрана Пигментный эпителий Хроматофор Палочка Колбочка Горизонтальная клетка Биополярная клетка Амакриновая клетка Ганглиозная клетка Мюллерова клетка (глия) ВПМ Падающий свет НПМ Р клетка М клетка Анализ деталей и движения предмета начинается уже в сетчатке
Rod Cone Rod Distal Bipolar cell Proximal Light Прямой путь (вертикальный) Amacrine cell To optic nerve Horizontal cell Латеральный путь Outer nuclei layer Outer plexiform layer Inner nuclear layer Inner plexiform layer Ganglion cell lauer Amacrine cell Ganglion cell Нейроны сетчатки – вертикальные и латеральные пути передачи информации ганглиозным клеткам Центр рецепторного поля Окружение рецепторного поля Окружение рецепторного поля
Cone Light Off -center bipolar cell Action potentials On -center bipolar cell Off -center ganglion cell On -center ganglion cell To optic nerve Прямые пути в центре рецепторного поля ганглиозной клетки деполяризация гиперполяризация
Off -center bipolar cell On -center bipolar cell Cone Light on center Light E Na E K A On -center bipolar cell Light on surround Horizontal cell B Латеральные пути из окружения рецепторного поля через горизонтальные и амакриновые клетки сетчатки глютомат глютомат
On- биполярные клетки Гиперполяризация, угнетение Off- биполярные клетки Деполяризация, возбуждение Темнота Деполяризация колбочек Выделение глютомата Свет Гиперполяризация колбочек Уменьшение выделения глютомата On- биполярные клетки Деполяризация, возбуждение Off- биполярные клетки Гиперполяризация, угнетение Передача информации от фоторецептора к on- и off - биполярным клеткам сетчатки Открывает Na+ каналы Закрывает Na+ каналы Закрывает Na+ каналы Открывает Na+ каналы
Cones Cone bipolar (off-center) Cone bipolar (on-center) Outer plexiform layer Inner plexiform layer Ganglion cell Rods Electrical synapse Ribbon synapse Horizontal cell Rod bipolar All amacrine Basal synapse Синапсы сетчатки Электрические синапсы Ребристые синапсы Базальные синапсы
Адаптация к темноте Адаптация к сумеркам Расширение зрачка. Сигналы от палочек передаются напрямую колбочкам через электрические синапсы и далее ганглиозным клеткам (свойства рецептивных полей не изменяются). Адаптация к темноте (свет звезды) Расширение зрачка. Изменение проведения сигнала от палочек: прямые связи между палочками и колбочками закрываются, и сигнал передается непосредственно от палочек к ганглиозным клеткам через палочковые биполярные клетки. Повышение чувствительности ганглиозных клеток за счет отсутствия угнетающего действия окружения (реакция на 1 фотон), т.е. Реакция не на контраст, а собственно на свет.
Колбочка Палочка Родопсин Диски Поверхностная мембрана клетки Зрительный пигмент колбочки Наружный сегмент Внутренний сегмент Синаптическое окончание Палочки и колбочки устроены в принципе одинаково. Наружный сегмент клетки содержит молекулы светопоглощающего пигмента (в палочках это родопсин); они располагаются в мембранных образованиях, называемых дисками. Во внутреннем сегменте находится ядро и митохондрии. Синаптическое окончание связывает фоторецептор с другими клетками сетчатки. Палочки функционируют при сумеречном освещении, колбочки – при дневном. У человека колбочки трех типов. Каждая содержит пигмент с максимумом поглощения в определенной области спектра – синей, зеленой либо красной.
Активация родопсина Цилиндр -спирали Ретиналь Внутридисковое пространство Цитоплазматическое пространство (междисковое пространство) А Б В 11- цис -ретиналь 1 Транс -ретиналь 1
Сигнальная система G- белка в биологической мембране. ГДФ ГДФ ГТФ ГТФ ГДФ ГТФ Р R L А Б В Г Д Е Е Е Е Е Е Е - субъединица активируется, присоединяет ГТФ Фаза покоя G- белок G- белок сталкивается с рецептором Активация рецептора Активация эффектора (канала, синтеза вторичного посредника) Дефосфорилирование, отсоединение от эффектора - субъединица ГДФ Скорость движения G -белка в мембране 0.1 - 0.001 мкм/сек.
