Зрение Восприятие света и обработка информации в сетчатке

Конъюнктива Шлеммов канал Радужная оболочка Центральная ямка Хрусталик Роговица Зрительная ось Желтое пятно Зрительный нерв Сосок Передняя камера Задняя камера Волокна пояска Решетчатая пластинка Стекловидное тело Ресничная мышца Сетчатка Сосудистая оболочка Склера

Retina Sclera Choroid Pigment epithelium Ganglion cell Retina Biopolar cell Cornea Fixation Light point Fovea Light Foveola Lens Pigment epithelium Optic disc Optic nerve Photoreceptor

Два типа фоторецепторов – палочки (120 млн) - ночное зрение - колбочки (6 млн) – дневное зрение

Колбочки Палочки 80 60 40 20 40 60 80 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.

Ток, х · 10 -12 А Время, сек 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.

• Кошки видят не слишком четко, особенно отдаленные предметы; • они видят мир не таким ярким; • в темноте они видят лучше человека.

Родопсин Диски Палочки и колбочки имеют аналогичные функционирующие области Поверхностная мембрана клетки Зрительный пигмент колбочки Наружный сегмент клетки для восприятия фотонов содержит молекулы светопоглощающего пигмента. Обновление 2 -3 диска в час. Внутренний сегмент Во внутреннем сегменте находится ядро митохондрии и другие органеллы. Синаптическое окончание связывает фоторецептор с другими клетками сетчатки. Медиатор – глютомат. Синаптическое окончание Палочка Колбочка

Наружный сегмент Плазматическая мембрана MII P P MI Складки мембраны Митохондрии Ядро А Белок мембраны Синаптическое окончание Палочка Часть двойного мембранного диска Натриевые каналы Двойные мембранные диски Б Колбочка 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. В Липид P Плазматическая мембрана В. Структура диска или плазматической мембраны фоторецепторов.

Три стадии фототрансдукции 1) свет активирует зрительный пигмент в фоторецепторе; 2) активация молекул зрительного пигмента приводит к стимуляции фосфодиэстеразы, гидролизу и снижению концентрации ц. ГМФ в цитоплазме; 3) снижение ц. ГМФ приводит к закрытию Na+ каналов и гиперполяризации мембраны рецептора.

Первая стадия фототрансдукции: активация зрительного пигмента A Outer segment Visual pigment (Rhodopsin) 11 -cis retinal (Mr=268) Неактивная форма C H 3 C CH 3 H Disc inferior C C H C H 2 C C Disc B H 2 C H C H 2 C CH 3 H 3 C COOH H C O H Cytoplasm All-trans retinal Оpsin Активная форма H 3 C CH 3 H CH 3 O Residue 296 attachment site for retinal NH 2 C C C H 2 C C H H 2 C H H H 2 C CH 3 Ретинал – альдегидная форма витамина А.

Регенерация 11 -цис-ретинала Транс-ретинол (поступает с пищей) Хориокапилляры Транс-ретиниловый эфир 11 -цисретиниловый эфир Пигментный эпителий сетчатки 11 -цис-ретинал Запасник Межрецепторное пространство Транс-ретинол (витамин А) РСБ – ретинал связывающий белок РСБ Опсин 11 -цис-ретинал Наружный сегмент палочки Жирная кислота Р Р+ Транс-ретинол Трансретинал Ретинол дегидрогенеза Фотон Р – родопсин, Р+ - активированный родопсин.

Ретиналь Вторая стадия фототрансдукции: ц. ГМФ-ФДЭ Опсин А изменение концентрации ц. ГМФ в фоторецепторе G-белок Трансдуцин Метародопсин-II Б В Са(2+) угнетает ц. ГМФ-ФДЭ Г Инактивация опсина Гуанилат-циклаза – синтез ц. ГМФ из ГТФ Активация ц. ГМФ-ФДЭ Д Родопсинкиназа Арестин Гидролиз ц. ГМФ 5’-ГМФ+Н+ Фосфодиэстераза – гидролиз ц. ГМФ Метародопсин II активирует Е Дефосфориляция 5’-ГМФ Скорость движения G-белка в мембране 0. 1 - 0. 001 мкм/сек.

c. GMP регулируемые Na- каналы Outer segment membrane G-Protein (Transducin) c. GMP Phosphodiesterase Visual pigment (Rhodopsin) Cytoplasm Disc interior c. GMP-gated channel M-rodopsin II GTP 5’-GMP GDP Light Rod outer segment c. GMP 3 c. GMP Na+ Extracellular space Гуанилат-циклаза – синтез ц. ГМФ из ГТФ Фосфодиэстераза – гидролиз ц. ГМФ Евгений Фесенко

c. GMP-gated Na+ -channels Третья стадия фототрансдукции: Outer segment изменение проницаемости ц. ГМФ-зависимых Na+ - каналов мембраны фоторецептора B Curent flux Na+ Dark Light Outer segment Na+ 3 ц. ГМФ Cillum Inner segment K+-selective channels Na+ Active transport High [c. GMP], channels open Low [c. GMP], channels closed Light Dark C Stimulus (light intensity) Current across outer segment membrane Membrane potential 0 p. A -50 p. A -40 m. V -70 m. V Dark

Усилительный каскад в зрительной системе. Фотон Родопсин – 1 мол До 500 мол трансдуцина 500 молекул фосфодиэстеразы Гидролиз 5 х105 молекул ц. ГМФ в секунду Блокируется прохождение 106 -107 ионов Na+ Рецепторный потенциал 1 м. В Уменьшение выделения медиатора Деполяризация биполярных клеток Инициация потенциала действия в волокне зрительного нерва Зрительная кора

Адаптация к свету • Сокращение зрачка • Десенситизация колбочек • Са(2+) – зависимая модуляция синтеза ц. ГМФ

Внутриклеточный механизм адаптации к свету Outer segment membrane G-Protein (Transducin) Visual pigment (Rhodopsin) Guanilat cyclase c. GMP Phosphodiesterase Cytoplasm Disc interior c. GMP-gated channel M-rodopsin II то GDP рм оз ит GTP Light 5’-GMP c. GMP 3 c. GMP Са(2+) -1/7 тока Na+ Ca++ Extracellular space Rod outer segment Ca++ Са(2+) угнетает Гуанилат-циклаза – синтез ц. ГМФ из ГТФ Фосфодиэстераза – гидролиз ц. ГМФ

Клетки сетчатки глаза Ганглиозные клетки Амакриновые Биполярная клетки клетка Горизонтальная клетка Фоторецептор

Нейроны сетчатки Rod Cone Outer nuclei layer Dista l Bipolar cell Vertical informatio n flow Amacrine cell Horizontal cell Lateral information flow Amacrine cell Outer plexiform layer Inner nuclear layer Inner plexiform layer Light To optic nerve 2) Горизонтальные клетки 3) Биполярные клетки Proxim al Ganglion cell 1) Фоторецепторы Ganglion cell lauer 4) Амакриновые клетки 5) Ганглиозные клетки

Два параллельных пути переработки информации A On-center field B Off-center field On’area Off’area On’ area Light Light Рецепторное поле ганглиозной клетки - область сетчатки, фоторецепторы которой изменяют активность этой ганглиозной клетки • Рецепторное поле круглое • Имеет центр и антагонистическое окружение 1 Central spot • По типу организации рецепторного поля ганглиозные клетки подразделяются на on- и off- клетки и обрабатывают информацию двумя параллельными путями 2 Peripheral spot 3 Central illumination Ключевой принцип зрительной системы – реакция на контраст, т. е. выделение предмета из окружения 4 Surround illumination 5 Diffuse illumination 0 0. 5 1 1. 5

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 Импульсная активность ганглиозных клеток отражает различие в освещенности центра и окружения, т. е. информация даже о небольших различиях передается в центр

Анализ деталей и движения предмета начинается уже в сетчатке Хроматофор Пигментн ый эпителий Палочка Колбочка НПМ Горизонтальна я клетка Биополярная клетка Амакриновая клетка Мюллеров а клетка (глия) Р клетка М клетка Ганглиозная клетка ВПМ Падающий свет Схема строения сетчатки приматов (по данным электронной микроскопии). НПМ – наружная пограничная мембрана, ВПМ – внутренняя пограничная мембрана

Нейроны сетчатки – вертикальные и латеральные пути передачи информации ганглиозным клеткам Окружение рецепторного поля Центр рецепторного поля Rod Cone Outer nuclei layer Distal Bipolar cell Outer plexiform layer Horizontal cell Прямой путь (вертикальный) Amacrine cell Латеральный путь Amacrine cell Inner nuclear layer Inner plexiform layer Proximal Ganglion cell lauer Light To optic nerve

Прямые пути в центре рецепторного поля ганглиозной клетки Cone Light Off-center bipolar cell гиперполяризация Off-center ganglion cell On-center bipolar cell деполяризация On-center ganglion cell To optic nerve Action potentials

Light on center A Латеральные пути из окружения рецепторного поля через горизонтальные и амакриновые клетки сетчатки Cone Light on surround B глютомат ENa EK глютомат Light Off-center bipolar cell On-center bipolar cell Horizontal cell On-center bipolar cell

Передача информации от фоторецептора к on- и off - биполярным клеткам сетчатки Закрывает Na+ каналы Темнота Деполяризация колбочек On-биполярные клетки Гиперполяризация, угнетение Выделение глютомата Off-биполярные клетки Открывает Na+ каналы Свет Гиперполяризация колбочек Уменьшение выделения глютомата Закрывает Na+ каналы Деполяризация, возбуждение On-биполярные клетки Деполяризация, возбуждение Off-биполярные клетки Гиперполяризация, угнетение

Синапсы сетчатки Electrical synapse • Электрические синапсы Rods • Базальные синапсы Ribbon synapse Outer plexiform layer Horizontal cell Rod bipolar • Ребристые синапсы Cones Basal synapse Cone bipolar (off-center) Cone bipolar (on-center) All amacrine Inner plexiform layer Ganglion cell

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.

Родопсин 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. Диски Поверхностная мембрана клетки Зрительный пигмент колбочки Наружный сегмент Во внутреннем сегменте находится ядро и митохондрии. Синаптическое окончание связывает фоторецептор с другими клетками сетчатки. Внутренний сегмент Палочки функционируют при сумеречном освещении, колбочки – при дневном. Синаптическое окончание Палочка У человека колбочки трех типов. Каждая содержит пигмент с максимумом поглощения в определенной области спектра – синей, зеленой либо красной. Колбочка

А Цилиндр -спирали Цитоплазматическое пространство (междисковое пространство) Внутридисковое пространство Ретиналь Б В 11 -цис-ретиналь1 Транс-ретиналь1 Активация родопсина

Сигнальная система G-белка в биологической мембране. Скорость движения G-белка в мембране 0. 1 - 0. 001 мкм/сек. L А Г Фаза покоя R ГДФ Б - субъединица активируется, присоединяет ГТФ Е G-белок ГТФ Активация рецептора Д Е Активация эффектора (канала, синтеза вторичного посредника) G-белок сталкивается с рецептором ГДФ Е ГТФ ГДФ В Е Е - субъединица ГДФ Е Дефосфорилирование, отсоединение от эффектора ГТФ Р Е