Передача импульса в сетчатке

Превращение зрительных сигналов в зрительное изображение в нервной системе представляет собой сложный, не до конца исследованный процесс многоэтапного преобразования сигналов на различных уровнях сетчатки и ЦНС. Восприятие, передача и первичная обработка зрительных сигналов осуществляются нейронами сетчатки.

Можно выделить три этапа передачи и обработки зрительных сигналов на уровне сетчатки: 1) преобразование информации светового воздействия в фоторецепторах в рецепторные потенциалы; 2) передача позднего рецепторного потенциала через возбуждающие синапсы на биполярные нейроны сетчатки; 3) передача потенциалов биполярных нейронов через возбуждающие синапсы на ганглиозные клетки, преобразование последними поступившей информации в нервные импульсы, проводимые в ЦНС по аксонам нейронов, формирующих зрительный нерв.

На каждом этапе синаптической передачи в обработке сигналов в сетчатке принимают участие специализированные нейроны, расположенные в горизонтальных слоях, — горизонтальные и амакриновые клетки. Они модулируют передаваемые через синапсы сигналы, главным образом через тормозные нейромедиаторы.

Каждый тип нейронов сетчатки представлен несколькими (фоторецепторы) или многими специфическими субтипами (биполярные, ганглиозные нейроны). В настоящее время в сетчатке насчитывается около 80 субтипов клеток, каждый из которых характеризуется специфическими морфологическими, нейрохимическими, функциональными особенностями. Клетки формируют не только сложные синаптические связи, но и характер обмена информацией между ними, который зависит от типа синаптических рецепторов и типа внутриклеточных путей передачи сигналов. По этим причинам далее будут рассмотрены лишь наиболее общие, устоявшиеся представления о принципах передачи и обработки световых сигналов в сетчатке.

Пространственное распределение в сетчатке биполярных и других нейронов подобно распределению фоторецепторов. Наибольшая плотность этих нейронов имеется в центральных областях сетчатки, а к периферии плотность их понижается. Если в центральной ямке сетчатки на каждый биполярный нейрон может конвергировать лишь одна колбочка, то число колбочек, конвергирующих на биполярную клетку, возрастает за пределами центральной ямки и далее к периферии может оставаться постоянным. В центральной ямке сетчатки одна колбочка обычно формирует синаптические контакты с двумя биполярными («оп» и «off») нейронами, каждый из которых находится в контакте с одной «оп»- и «off»-raHmH03Hoft клеткой соответственно. Число палочек, конвергирующих на одну биполярную клетку, возрастает примерно с 15 в центральных областях до 60 на периферии сетчатки.

Поздний рецепторный потенциал, возникший на мембране наружного сегмента фоторецептора, проводится по мембране к синаптическим окончаниям тела клетки. ПРП вызывает уменьшение скорости высвобождения из них нейромедиатора глутамата в синаптическую щель между фоторецепторами и биполярными клетками (в центральной ямке сетчатки), фоторецепторами, горизонтальными и биполярными клетками (на периферии сетчатки).

На постсинаптических мембранах биполярных клеток экспрессированы ионотропные глутаматные рецепторы (GluR) и другие рецепторы, контролирующие состояние катионных каналов постсинаптических мембран. В темноте, когда фоторецепторы высвобождают глутамат, последний стимулирует постсинаптические GluR биполярных клеток, вызывая открытие катионных каналов и деполяризацию их мембраны входящими катионами.

Субтипы глутаматных рецепторов, экспрессированных на постсинаптических мембранах дендритов биполярных клеток, зависят от типа самой биполярной клетки. Так, в клетках «ой»-типа экспрессированы ионотропные GluR и их мембрана деполяризуется в темноте. На постсинаптических мембранах дендритов биполярных клеток «оп»-типа экспрессированы метаботропные глутаматные рецепторы (mGluR6). Стимуляция этих рецепторов глутаматом ведет к передаче внутриклеточного сигнала через цГМФ и фосфодиэстеразный пути, вызывая закрытие ионных каналов и гиперполяризацию мембраны этих клеток в темноте и, наоборот, деполяризацию на свету. Таким образом, именно экспрессия на постсинаптических мембранах биполярных клеток различных субтипов глутаматных рецепторов придает им различные свойства реагирования на одни и те же воздействия и высвобождение того же нейромедиатора фоторецепторами.

Известно, что «оп»- и «off»-бипoляpныe клетки отличаются по их свойствам и среди каждого из этих типов можно выделить еще 4-5 подтипов биполярных клеток. Однако, упрощая характер их ответной реакции, можно отметить, что «оп»- биполярные клетки активируются светом, а «оГБ>-биполярные клетки активируются в темноте.

Кроме передачи сигналов в виде поздних рецепторных потенциалов на биполярные клетки через глутаматергические синапсы фоторецепторы обмениваются своими сигналами с соседними клетками, находящимися в пределах наружного плексиформного слоя сетчатки, через ионные каналы щелевых контактов (электрические синапсы).

Таким образом, функцией биполярных нейронов центральной ямки сетчатки является обработка и передача сигналов от рецепторов на ганглиозные клетки сетчатки. Другой функцией биполярных нейронов, расположенных на периферии сетчатки, является сбор сигналов от множества конвергирующих на них рецепторов, обработка и передача интегрированных сигналов на ганглиозные клетки. Важнейшей функцией горизонтальных клеток сетчатки является суммирование совместно с биполярными нейронами сигналов от множества рецепторов, их обработка и формирование различных по свойствам и размерам рецептивных полей сетчатки.

Синаптическая передача сигналов с биполярных нейронов на ганглиозные клетки и амакриновые клетки сетчатки также осуществляется с помощью глутамата. На ганглиозных клетках имеются различные типы синаптических рецепторов: GluR, mGluR6, что предопределяет существование «оп»- и «off»-THnoB этих клеток. Кроме того, в некоторых биполярных нейронах выявлены глицин и ГАМК, что не исключает использования ими этих нейромедиаторов для синаптической передачи сигналов на горизонтальные, амакриновые и ганглиозные клетки сетчатки.

Анализ синаптических связей и нейромедиаторно-рецеп- торных путей передачи сигналов в центре сетчатки показывает, что существуют два параллельных пути передачи сигнала от колбочек. Первый путь — поглощение света колбочками центральной ямки сопровождается уменьшением высвобождения возбуждающего медиатора глутамата, развитием деполяризации мембраны биполярных нейронов «оп»-типа и выделением последними возбуждающего медиатора — глутамата в образованных ими синапсах на ганглиозных нейронах «оп»- типа. Передача сигнала по этому пути завершится увеличением частоты генерации нервных импульсов на действие света ганглиозными клетками, связанными с активированными биполярными нейронами «оп»-типа.

Во втором пути передачи сигналов наблюдается выделение колбочками большего количества глутамата в темноте, чем на свету, в синапсах на биполярных нейронах «off»-rana. Это сопровождается деполяризацией биполярных нейронов «off»- типа, выделением этими нейронами возбуждающего медиатора глутамата в их синапсах на ганглиозных нейронах «off»- типа и повышением активности последних в темноте.

Благодаря существованию двух каналов передачи сигналов от рецепторов к ганглиозным клеткам сетчатки последние могут получать информацию об изменениях интенсивности света в более широком диапазоне, чем это мог бы обеспечить один канал. Возможность осуществления описанных процессов подтверждается характером регистрируемых на различных клетках сетчатки изменений электрических потенциалов.

Вплоть до уровня ганглиозных клеток сетчатки информация о характере светового воздействия на фоторецепторы кодируется амплитудой и длительностью аналоговых биопотенциалов.

Только ганглиозные клетки сетчатки отвечают на действие света или темноты генерацией дискретных нервных импульсов, в частоте и других характеристиках которых закодировано все богатство информации, которое будет воссоздано в ЦНС в виде зрительных образов.

Биполярные и ганглиозные клетки не информируют ЦНС об абсолютной интенсивности света. ЦНС получает от них информацию скорее об относительной интенсивности освещенности небольших пятен сетчатки по сравнению с интенсивностью света в ближайшем окружении пятна. Это обусловлено действием механизмов латерального торможения с помощью горизонтальных клеток сетчатки.

Передача сигналов от палочек к ганглиозным клеткам осуществляется более сложным путем, чем от колбочек. Хотя палочки непосредственно взаимодействуют с биполярными нейронами, но активированные палочками биполярные нейроны, вероятно, не оказывают прямого влияния на активность ганглиозных клеток сетчатки. Это влияние осуществляется через специальный тип амакриновых клеток, которые активируются «оп»- и ингибируются «off»-бипoляpными нейронами. Поскольку одни и те же ганглиозные клетки могут одновременно взаимодействовать как с колбочками, так и с палочками, то в зависимости от освещенности они способны передавать в ЦНС различную информацию: сигналы от колбочек при высоком освещении (например, днем) и сигналы от палочек при сумеречном освещении.

Все рецепторные клетки, которые через биполярные нейроны связаны с одной ганглиозной клеткой, формируют рецептивное поле этой ганглиозной клетки. Под рецептивным полем ганглиозной клетки можно понимать также участок сетчатки, при воздействии на который можно влиять на активность этой клетки. Рецептивные поля сетчатки имеются не только для ганглиозных клеток, но и для клеток зрительных путей на более высоких уровнях ЦНС.

Стимуляция активности ганглиозных клеток достигается не просто действием света на какой-то участок сетчатки. Обычно активность ганглиозных клеток возрастает при действии света на маленький центральный кружок и ингибируется из периферической зоны этого кружка. Возможна и обратная реакция ганглиозных клеток — ингибирование активности с центра и повышение активности с периферической зоны. Ганглиозные клетки с подобной реакцией на действие света в центре их рецептивного поля были названы клетками с «оп- центром» или с «off»-neHTpoM соответственно (рис. 7.14).

Таким образом, попадание света на маленькое пятно сетчатки ведет к повышению активности в одной цепочке нейронов сетчатки и передаче ими соответствующих сигналов в ЦНС и понижению активности в другой цепочке нейронов сетчатки.

Когда свет падает одновременно на рецепторы центра и периферии рецептивного поля, в действие вступает механизм латерального торможения, осуществляемый тормозными интернейронами — горизонтальными клетками сетчатки. Латеральное торможение реализуется выделением отростками горизонтальных клеток ГАМК — тормозного нейромедиатора, ингибирующего через тормозные синапсы активность биполярных клеток и, следовательно, активность связанных с ними ганглиозных нейронов.

В сетчатке имеются рецептивные поля с «оп-центром» и «off-периферией». Реакции на свет ганглиозных клеток такого рецептивного поля проявляются торможением ганглиозных клеток, связанных с центром поля, и возбуждением клеток, связанных с периферией поля. На рис. 7.15 приведены виды электрических потенциалов, генерируемых клетками различных слоев сетчатки при действии света.

Из принципа организации рецептивных полей сетчатки и характера реагирования ганглиозных следует, что каждая ганглиозная клетка передает в зрительные центры ЦНС информацию об относительной освещенности в пределах ее рецептивного поля или топографически точно локализованного маленького круглого пятнышка сетчатки.

Поскольку активность ганглиозных клеток зависит от контраста, т.е. разности интенсивности света, падающего на центр и периферию рецептивного поля, то в сигналах, передаваемых

Рис. 7.14. Рецептивное поле ганглиозной клетки сетчатки с «оп»-центром (слева) и «оРвьпериферией (справа) (П. Линдсей,

Д. Норман, 1974)

Рис. 7.15. Виды электрических потенциалов (справа), генерируемых клетками различных слоев сетчатки при действии света (R.F. Schmidt, F. Lang,

G. Thews, 2005)

ганглиозными клетками в зрительные центры ЦНС, уже содержится информация о контурах зрительного объекта. Это облегчает дальнейший анализ формы и процесс формирования трехмерного изображения объекта.

Очевидно, что пространственное разрешение зрения зависит от способности ганглиозных клеток реагировать на тонкие световые различия в гомогенном поле зрения или способности их реагирования на каждую темную или светлую линию поля. Проще говоря, острота зрения как способность глаза различать на расстоянии две точки при минимальным угловом расстоянии между ними зависит прежде всего от размеров рецептивного поля ганглиозных клеток сетчатки. Поскольку в центральной ямке (желтом пятне) сетчатки каждая ганглиозная клетка сетчатки соединена только с одной колбочкой, то пространственное разрешение (острота зрения) соответствует частоте встречаемости или плотности распределения в этой ямке самих колбочек.

На периферии сетчатки такие соотношения между ганглиозными клетками и фоторецепторами не соблюдаются. Так, например, на угловом удалении от центра сетчатки в 20° каждая колбочка конвергрует на одну биполярную клетку, но так как несколько биполярных клеток конвергирует на одну ганглиозную, то на нее конвергирует уже около 10 колбочек. Кроме того, на периферии сетчатки уменьшается абсолютное число колбочек. Это доказывается тем, что размеры полей зрения для цветов меньше, чем для белого или угловых координат на периферии полей зрения, при которых мы воспринимаем движение объектов. Понятно, что пространственное разрешение и острота зрения на периферии сетчатки должны быть меньше, чем в ее центре.

Дендриты биполярных нейронов могут образовывать синаптические контакты не с одной, а с несколькими палочками. Таким образом, на периферии сетчатки за счет формирования связей между клетками создаются условия для суммирования сигналов, повышения световой чувствительности сетчатки, но ее пространственное разрешение при этом снижается.