Фоторецепторная клетка — это специализированный тип нейроэпителиальной клетки , обнаруженной в сетчатке , которая способна к зрительной фототрансдукции . Большое биологическое значение фоторецепторов заключается в том, что они преобразуют свет (видимое электромагнитное излучение ) в сигналы, которые могут стимулировать биологические процессы. Если говорить точнее, фоторецепторные белки в клетке поглощают фотоны , вызывая изменение мембранного потенциала клетки .
В настоящее время известно три типа фоторецепторных клеток в глазах млекопитающих: палочки , колбочки и внутренне светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки . Две классические фоторецепторные клетки — палочки и колбочки, каждая из которых вносит свой вклад в информацию, используемую зрительной системой для формирования изображения окружающей среды, зрения . Палочки в основном опосредуют скотопическое зрение (тусклые условия), тогда как колбочки в основном опосредуют фотопическое зрение (яркие условия), но процессы в каждом из них, которые поддерживают фототрансдукцию, схожи. [1] Внутренне светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки были обнаружены в 1990-х годах. [2] Считается, что эти клетки не вносят прямого вклада в зрение, но играют роль в поддержании циркадного ритма и зрачкового рефлекса .
Каждый фоторецептор поглощает свет в соответствии со своей спектральной чувствительностью (поглощением), которая определяется фоторецепторными белками, экспрессируемыми в этой клетке. У людей есть три класса колбочек (L, M, S), каждый из которых отличается по спектральной чувствительности и «предпочитает» фотоны с разными длинами волн (см. график). Например, пиковая длина волны спектральной чувствительности S-колбочки составляет приблизительно 420 нм (нанометры, мера длины волны), поэтому она с большей вероятностью поглотит фотон с длиной волны 420 нм, чем с любой другой длиной волны. Свет с большей длиной волны также может вызвать такую же реакцию S-колбочки, но для этого он должен быть ярче.
В соответствии с принципом унивариантности выходной сигнал фоторецептора пропорционален только числу поглощенных фотонов. Фоторецепторы не могут измерить длину волны света, который они поглощают, и поэтому не могут самостоятельно определять цвет. Скорее, это соотношения ответов трех типов колбочек, которые могут оценить длину волны, и, следовательно, обеспечивают цветовое зрение .
Палочковые и колбочковые фоторецепторы находятся на самом внешнем слое сетчатки ; они оба имеют одинаковую базовую структуру. Ближе всего к полю зрения (и дальше всего от мозга) находится окончание аксона , которое выделяет нейротрансмиттер , называемый глутаматом , в биполярные клетки . Дальше назад находится тело клетки , которое содержит органеллы клетки . Еще дальше назад находится внутренний сегмент, специализированная часть клетки, полная митохондрий . Главная функция внутреннего сегмента — обеспечивать АТФ (энергию) для натрий-калиевого насоса . Наконец, ближе всего к мозгу (и дальше всего от поля зрения) находится внешний сегмент, часть фоторецептора, которая поглощает свет . Внешние сегменты на самом деле являются модифицированными цилиями [5] [6] , которые содержат диски, заполненные опсином , молекулой, которая поглощает фотоны, а также потенциалзависимые натриевые каналы .
Мембранный фоторецепторный белок опсин содержит молекулу пигмента , называемую ретиналем . В палочках они вместе называются родопсином . В колбочках существуют различные типы опсинов, которые объединяются с ретиналем, образуя пигменты, называемые фотопсинами . Три различных класса фотопсинов в колбочках реагируют на различные диапазоны частот света, избирательность, которая позволяет зрительной системе преобразовывать цвет . Функция фоторецепторной клетки заключается в преобразовании световой информации фотона в форму информации, передаваемую нервной системе и легко используемую организмом: это преобразование называется трансдукцией сигнала .
Опсин, обнаруженный в светочувствительных ганглиозных клетках сетчатки, называется меланопсином . Эти клетки участвуют в различных рефлекторных реакциях мозга и тела на присутствие (дневного) света, таких как регуляция циркадных ритмов , зрачковый рефлекс и другие невизуальные реакции на свет. Меланопсин функционально напоминает опсины беспозвоночных.
Большинство фоторецепторов позвоночных расположены в сетчатке. Распределение палочек и колбочек (и их классов) в сетчатке называется мозаикой сетчатки . Каждая человеческая сетчатка имеет приблизительно 6 миллионов колбочек и 120 миллионов палочек. [8] В «центре» сетчатки (точке непосредственно за хрусталиком) находится ямка (или fovea centralis), которая содержит только колбочки; и является областью, способной производить самую высокую остроту зрения или самое высокое разрешение . По всей остальной части сетчатки палочки и колбочки перемешаны. В слепом пятне , области, где волокна ганглиозных клеток собираются в зрительный нерв и покидают глаз, фоторецепторов не обнаружено. [9] Распределение классов колбочек (L, M, S) также неоднородно, без S-колбочек в ямке, а соотношение L-колбочек к M-колбочкам различается у разных людей.
Количество и соотношение палочек и колбочек различается у разных видов в зависимости от того, ведет ли животное преимущественно дневной или ночной образ жизни . У некоторых сов, например, у ночной неясыти [10] , в сетчатке находится огромное количество палочек. У других позвоночных также может быть разное количество классов колбочек, от монохроматов до пентахроматов .
Путь зрительного сигнала описывается каскадом фототрансдукции , механизмом, посредством которого энергия фотона подает сигнал механизму в клетке, что приводит к ее электрической поляризации. Эта поляризация в конечном итоге приводит либо к передаче, либо к ингибированию нейронного сигнала, который будет подаваться в мозг через зрительный нерв . Шаги, которые применяются к пути фототрансдукции от палочко-колбочковых фоторецепторов позвоночных, следующие:
В отличие от большинства сенсорных рецепторных клеток, фоторецепторы фактически становятся гиперполяризованными при стимуляции; и наоборот, деполяризуются при отсутствии стимуляции. Это означает, что глутамат выделяется непрерывно, когда клетка не стимулируется, а стимул вызывает остановку выделения. В темноте клетки имеют относительно высокую концентрацию циклического гуанозин 3'-5' монофосфата (цГМФ), который открывает ионные каналы, управляемые цГМФ . Эти каналы неспецифичны, допуская движение как ионов натрия, так и кальция, когда они открыты. Движение этих положительно заряженных ионов в клетку (движимое их соответствующим электрохимическим градиентом ) деполяризует мембрану и приводит к высвобождению нейромедиатора глутамата .
Нестимулированные (в темноте) циклические нуклеотид-зависимые каналы во внешнем сегменте открыты, поскольку с ними связан циклический ГМФ (цГМФ). Следовательно, положительно заряженные ионы (а именно ионы натрия ) попадают в фоторецептор, деполяризуя его примерно до -40 мВ ( потенциал покоя в других нервных клетках обычно составляет -65 мВ). Этот ток деполяризации часто называют темновым током.
Фоторецепторы ( палочки и колбочки ) передают сигналы биполярным клеткам, которые затем передают их ганглиозным клеткам сетчатки. Аксоны ганглиозных клеток сетчатки вместе образуют зрительный нерв , через который они проецируются в мозг. [8]
Фоторецепторы палочек и колбочек сигнализируют о поглощении ими фотонов посредством уменьшения высвобождения нейротрансмиттера глутамата в биполярные клетки на его аксональном окончании. Поскольку фоторецептор деполяризован в темноте, большое количество глутамата высвобождается в биполярные клетки в темноте. Поглощение фотона приведет к гиперполяризации фоторецептора и, следовательно, к высвобождению меньшего количества глутамата в пресинаптическом окончании в биполярную клетку.
Каждый фоторецептор палочки или колбочки высвобождает один и тот же нейротрансмиттер, глутамат. Однако эффект глутамата отличается в биполярных клетках в зависимости от типа рецептора, встроенного в мембрану этой клетки . Когда глутамат связывается с ионотропным рецептором , биполярная клетка деполяризуется (и, следовательно, гиперполяризуется на свету, поскольку выделяется меньше глутамата). С другой стороны, связывание глутамата с метаботропным рецептором приводит к гиперполяризации, поэтому эта биполярная клетка деполяризуется на свет, поскольку выделяется меньше глутамата.
По сути, это свойство позволяет одной популяции биполярных клеток возбуждаться светом и другой популяции, которая им же и подавляется, хотя все фоторецепторы показывают одинаковую реакцию на свет. Эта сложность становится и важной, и необходимой для обнаружения цвета , контраста , краев и т. д.
Фототрансдукция в палочках и колбочках несколько необычна тем, что стимул (в данном случае свет) снижает реакцию клетки или частоту ее активации, в отличие от большинства других сенсорных систем, в которых стимул увеличивает реакцию клетки или частоту ее активации. Это различие имеет важные функциональные последствия:
Сравнение палочковых и колбочковых клеток человека, из книги Эрика Кандела и др. «Принципы нейронауки» . [11]
Ключевые события, опосредующие дифференциацию палочек против колбочек S против колбочек M, индуцируются несколькими факторами транскрипции, включая RORbeta, OTX2, NRL, CRX, NR2E3 и TRbeta2. Судьба колбочек S представляет собой программу фоторецепторов по умолчанию; однако дифференциальная транскрипционная активность может привести к образованию палочек или колбочек M. Колбочки L присутствуют у приматов, однако об их программе развития мало что известно из-за использования грызунов в исследованиях. Существует пять этапов развития фоторецепторов: пролиферация мультипотентных клеток-предшественников сетчатки (RPC); ограничение компетентности RPC; спецификация судьбы клеток; экспрессия генов фоторецепторов; и, наконец, рост аксонов, образование синапсов и рост внешнего сегмента.
Ранняя передача сигналов Notch поддерживает цикл предшественников. Предшественники фоторецепторов появляются посредством ингибирования передачи сигналов Notch и повышения активности различных факторов, включая гомолог 1 achaete-scute. Активность OTX2 направляет клетки на судьбу фоторецепторов. CRX далее определяет специфичную для фоторецепторов панель экспрессируемых генов. Экспрессия NRL приводит к судьбе палочек. NR2E3 далее ограничивает клетки судьбой палочек, подавляя гены колбочек. RORbeta необходим для развития как палочек, так и колбочек. TRbeta2 опосредует судьбу колбочек M. Если функции любого из ранее упомянутых факторов удалены, фоторецептором по умолчанию становится колбочка S. Эти события происходят в разные периоды времени для разных видов и включают в себя сложную картину действий, которые вызывают спектр фенотипов. Если эти регуляторные сети нарушены, могут возникнуть пигментный ретинит , дегенерация желтого пятна или другие нарушения зрения. [12]
Внутренне светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки (ipRGC) являются подмножеством (≈1–3%) ганглиозных клеток сетчатки , в отличие от других ганглиозных клеток сетчатки, являются внутренне светочувствительными из-за наличия меланопсина , светочувствительного белка. Поэтому они составляют третий класс фоторецепторов, в дополнение к палочковым и колбочковым клеткам . [13]
У людей ipRGC вносят вклад в функции, не связанные с формированием изображения, такие как циркадные ритмы, поведение и зрачковый световой рефлекс . [14] Пиковая спектральная чувствительность рецептора находится в диапазоне от 460 до 482 нм. [14] Однако они также могут вносить вклад в рудиментарный зрительный путь, обеспечивающий осознанное зрение и определение яркости. [14] Классические фоторецепторы (палочки и колбочки) также вносят вклад в новую зрительную систему, которая может способствовать постоянству цвета. ipRGC могут сыграть важную роль в понимании многих заболеваний, включая основные причины слепоты во всем мире, такие как глаукома, заболевание, которое поражает ганглиозные клетки, и изучение рецептора открывает потенциал в качестве нового направления для исследований в попытке найти методы лечения слепоты.
ipRGCs были окончательно обнаружены только ipRGCs у людей во время эпохальных экспериментов в 2007 году на людях без палочек и колбочек. [15] [16] Как и у других млекопитающих, было обнаружено, что идентичность непалочковых неколбочковых фоторецепторов у людей представляет собой ганглиозную клетку во внутренней сетчатке. Исследователи отследили пациентов с редкими заболеваниями, уничтожающими классическую функцию палочковых и колбочковых фоторецепторов, но сохраняющими функцию ганглиозных клеток. [15] [16] Несмотря на отсутствие палочек или колбочек, пациенты продолжали демонстрировать циркадную фотосинхронизацию, циркадные поведенческие паттерны, подавление меланопсина и реакции зрачков с пиковой спектральной чувствительностью к окружающему и экспериментальному свету, соответствующей таковой для фотопигмента меланопсина. Их мозг также мог связывать зрение со светом этой частоты.
Палочковые и колбочковые фоторецепторы распространены почти у всех позвоночных. Шишковидная и парапинеальная железы являются фоторецепторными у немлекопитающих позвоночных, но не у млекопитающих. У птиц есть фотоактивные нейроны, контактирующие со спинномозговой жидкостью (СМЖ) в паравентрикулярном органе, которые реагируют на свет при отсутствии входного сигнала от глаз или нейротрансмиттеров. [17] Фоторецепторы беспозвоночных в таких организмах, как насекомые и моллюски, различаются как по своей морфологической организации, так и по своим основным биохимическим путям. В этой статье описываются фоторецепторы человека .
Медиа, связанные с фоторецепторными клетками на Wikimedia Commons