Волны сетчатки - это спонтанные всплески потенциалов действия, которые волнообразно распространяются по развивающейся сетчатке . Эти волны возникают до созревания палочек и колбочек и до того, как может появиться зрение . Сигналы от волн сетчатки управляют активностью дорсального латерального коленчатого ядра (dLGN) и первичной зрительной коры . Считается, что волны распространяются через соседние клетки в случайных направлениях, определяемых периодами рефрактерности, которые следуют за начальной деполяризацией. Считается, что волны сетчатки обладают свойствами, которые определяют раннюю связь цепей и синапсов.между клетками сетчатки. До сих пор ведется много споров о точной роли волн сетчатки; некоторые утверждают, что волны являются инструктивными при формировании путей ретиногеникулята, в то время как другие утверждают, что активность необходима, но не инструктивна при формировании путей ретиногеникулята.
Открытие
Одним из первых ученых, теоретизировавших существование спонтанных каскадов электрической активности во время развития сетчатки, был компьютерный нейробиолог Дэвид Дж. Уиллшоу. Он предположил, что соседние клетки генерируют электрическую активность в форме волны через слои взаимосвязанных пресинаптических и постсинаптических клеток. Считается, что активность, распространяющаяся через тесный диапазон пре- и постсинаптических клеток, приводит к сильной электрической активности по сравнению с пре- и постсинаптическими клетками, которые находятся дальше друг от друга, что приводит к более слабой активности. Уиллшоу думал, что эта разница в силе стрельбы и расположении ячеек ответственна за определение границ активности. Боковое движение возбуждения от соседней клетки к соседней клетке, начиная с одной случайной области клеток и перемещаясь по пре- и постсинаптическим слоям, как полагают, отвечает за формирование ретинотопной карты. Чтобы смоделировать каскад электрической активности, Уиллшоу написал компьютерную программу, демонстрирующую движение электрической активности между пре- и постсинаптическими клеточными слоями. То, что Уилшоу называл спонтанной структурированной электрической активностью, сегодня называют волнами сетчатки. [1]
Исходя из этой чисто теоретической концепции, итальянские ученые Люсия Галли и Ламберто Маффеи использовали модели на животных для наблюдения за электрической активностью ганглиозных клеток сетчатки. До Галли и Маффеи активность ганглиозных клеток сетчатки никогда не регистрировалась во время пренатального развития. Чтобы изучить активность ганглиев, Галли и Маффеи использовали сетчатку недоношенных крыс в период между 17 и 21 днем эмбриона, чтобы зарегистрировать электрическую активность. Для этого исследования использовали несколько изолированных одиночных клеток. Записи показали, что активность клеток катализируется ганглиозными клетками. Галли и Маффеи предположили, что электрическая активность ганглиозных клеток сетчатки может быть ответственной за образование синаптических связей сетчатки и за проекции ганглиозных клеток сетчатки в верхний бугорок и LGN . [2]
Когда идея о волнах сетчатки утвердилась, нейробиолог Карла Шац использовала кальциевую визуализацию и запись с помощью микроэлектродов, чтобы визуализировать движение потенциалов действия в волнообразных формациях. Для получения дополнительной информации о визуализации кальция и записи на микроэлектродах см. Раздел ниже. Визуализации кальция показали ганглиозные клетки , инициирующие образование сетчатки волн, наряду с соседними амакринными клетками , которые принимают участие в движении электрической активности. Также считалось, что записи с помощью микроэлектродов показывают, что нейроны LGN управляются волнообразным формированием электрической активности через соседние ганглиозные клетки сетчатки. На основании этих результатов было высказано предположение, что волны электрической активности ответственны за управление моделью пространственно-временной активности, а также играют роль в формировании зрительной системы во время пренатального развития. [3]
Рэйчел Вонг - еще один исследователь, занимающийся изучением волн сетчатки. Вонг предположил, что электрическая активность сетчатки участвует в организации проекций сетчатки во время пренатального развития. В частности, электрическая активность может отвечать за сегрегацию и организацию dLGN. Вонг также предположил, что определенные части зрительной системы, такие как столбцы глазного доминирования , требуют некоторой формы электрической активности для полного развития. Она также считала, что способность определять сигналы, кодируемые волнами сетчатки, может позволить ученым лучше понять, как волны сетчатки играют роль в развитии сетчатки. [4]
Некоторые из последних проводимых исследований пытаются лучше понять закодированные сигналы волн сетчатки во время развития. Согласно исследованию, проведенному Эвелин Сернагор, считается, что волны сетчатки не только необходимы для их спонтанной электрической активности, но также несут ответственность за кодирование информации, которая будет использоваться при формировании пространственно-временных паттернов, позволяющих более тонким путям сетчатки. Используя черепах для проверки этой концепции, Сернагор использовал визуализацию кальция, чтобы посмотреть на изменение волн сетчатки на различных стадиях развития сетчатки. Согласно исследованию, на самых первых этапах развития волны сетчатки возникают быстро и многократно, вызывая то, что считается большой волной потенциалов действия через сетчатку. Однако по мере того, как черепаха приближается к завершению развития, волны сетчатки постепенно перестают распространяться и вместо этого становятся неподвижными скоплениями ганглиозных клеток сетчатки. Считается, что это результат изменения ГАМК с возбуждающего на тормозящий во время непрерывного развития сетчатки. Является ли изменение формирования волн сетчатки во время развития уникальным для черепах, все еще в значительной степени неизвестно. [5]
Наблюдение за волнами в других системах
Спонтанная генерация и распространение волн наблюдается в других областях разработки схем. Подобная синхронизированная спонтанная активность на раннем этапе развития наблюдалась в нейронах гиппокампа , спинного мозга и слуховых ядер. [6] Структурированная активность, формирующая нейронные связи и контроль синаптической эффективности в нескольких системах, включая сетчатку, важны для понимания взаимодействия между пресинаптическими и постсинаптическими клетками, которые создают точные связи, необходимые для функционирования нервной системы. [4]
Разработка
Во время развития важна коммуникация через синапс между амакриновыми клетками и другими интернейронами сетчатки и ганглиозными клетками, которые действуют как субстрат для волн сетчатки. [4] Существует три стадии развития, которые характеризуют активность волн сетчатки у млекопитающих. До рождения волны опосредуются несинаптическими токами, волны в период от рождения до десяти дней после рождения опосредуются нейротрансмиттером ацетилхолином, воздействующим на никотиновые рецепторы ацетилхолина , волны в течение третьего периода от десяти дней после рождения до двух недель спустя. опосредовано ионотропными рецепторами глутамата. [7]
В химических синапсах во время периода холинергической волны участвуют амакриновые клетки звездообразования (SAC), выделяющие ацетилхолин на другие SAC, которые распространяют волны. В этот период производство холинергических волн превышает производство волн через щелевые соединения , сигналы которых значительно уменьшаются. Эта передача сигналов происходит до того, как биполярные клетки образуют соединения во внутреннем плексиформном слое . Считается, что SAC являются источником волн на сетчатке, потому что спонтанные деполяризации наблюдались без синаптического возбуждения. [7]
Холинергическая волновая активность в конечном итоге угасает, и высвобождение глутамата в биполярных клетках генерирует волны. [7] Биполярные клетки дифференцируются позже, чем амакринные и ганглиозные клетки, что может быть причиной этого переключения волнового поведения. [4] Переход от холинергического посредничества к глутаматергическому посредничеству происходит, когда биполярные клетки устанавливают свои первые синаптические связи с ганглиозными клетками. [7] Глутамат, нейромедиатор, содержащийся в биполярных клетках, вызывает спонтанную активность в ганглиозных клетках. Волны все еще присутствуют после того, как биполярные клетки устанавливают синаптическую связь с амакриновыми и ганглиозными клетками. [4]
Дополнительная активность, связанная с волнами на сетчатке, включает следующее. У некоторых видов ГАМК играет роль в частоте и продолжительности всплесков ганглиозных клеток. Взаимодействия клеток различаются у разных испытуемых и на разных уровнях зрелости, особенно сложные взаимодействия, опосредованные амакриновыми клетками. Активность, передаваемая через щелевые соединения, наблюдалась не у всех испытуемых; например, исследования показали, что ганглиозные клетки сетчатки хорька не связаны. Другие исследования показали, что внеклеточные возбудители, такие как калий, могут способствовать распространению волн. Исследования показывают, что синаптические сети амакринных и ганглиозных клеток необходимы для производства волн. В широком смысле волны производятся и продолжаются в течение относительно длительного периода развития, в течение которого добавляются новые клеточные компоненты сетчатки и синапсов. Разнообразие механизмов ретинальных волн объясняет разнообразие связей между клетками и созревание процессов в сетчатке. [4]
Схема активности волн
Волны генерируются случайным образом, но пространственно ограничены из-за рефрактерного периода в клетках после того, как были произведены всплески потенциалов действия. После того, как волна распространилась в одном месте, она не может распространяться в одном месте. Волновые рефрактерные области длятся от сорока до шестидесяти секунд. Исследования показывают, что каждая область сетчатки с равной вероятностью генерирует и распространяет волну. Рефрактерный период также определяет скорость (расстояние между волновыми фронтами в единицу времени) и периодичность (средний временной интервал между индуцированными волнами переходными процессами кальция или деполяризациями, зарегистрированными в конкретном нейроне в слое ганглиозных клеток). Плотность рефрактерных клеток соответствует тому, насколько быстро Волны сетчатки распространяются, например, если имеется небольшое количество или плотность рефрактерных клеток, скорость распространения будет высокой. [8]
Экспериментальные процедуры
Визуализация волн
Двумя основными методами визуализации волн сетчатки являются использование изображений кальция и многоэлектродной матрицы . Кальциевая визуализация позволяет анализировать волновую картину на большой площади сетчатки (больше, чем при многоэлектродной записи). Визуализация как таковая позволила исследователям исследовать пространственно-временные свойства или волны, а также волновой механизм и функцию в развитии.
Разрушающие волны
В настоящее время для подавления волн сетчатки используются три основных метода: внутриглазная инъекция фармакологических веществ, изменяющих волновой паттерн, использование иммунотоксинов, устраняющих определенные классы амакриновых клеток, или использование нокаутирующих линий мышей, которые изменили характер спонтанного возбуждения. [9] Есть несколько фармакологических агентов, которые можно использовать для нарушения активности сетчатки. Тетродотоксин (ТТХ) можно вводить рядом с зрительным трактом, чтобы блокировать входящую активность сетчатки в дополнение к исходящей активности латеральных коленчатых нейронов. [10] Внутриглазные инъекции эпибатидина , холинергического агониста, можно использовать для блокирования спонтанного возбуждения в половине всех ганглиозных клеток сетчатки и вызвать некоррелированное возбуждение в оставшейся половине. [9] Эффекты фармакологических агентов на активность ганглиозных клеток сетчатки наблюдаются с использованием либо MEA, либо кальциевой визуализации. Иммунотоксины можно использовать для нацеливания на амакриновые клетки, вызывающие вспышку звездообразования. Амакриновые клетки звездообразования - это интернейроны сетчатки, ответственные за холинергические волны сетчатки. [9] Третий метод заключается в использовании мышей-нокаутов с измененными паттернами самопроизвольной активации. Наиболее распространенной линией мышей для этого метода является нейронный никотиновый ацетилхолиновый рецептор с нокаутом бета-2 субъединицы (β2-nAChR-KO). Было обнаружено, что у мышей β2-nAChR-KO снижено специфическое для глаза ретинотопное уточнение, как при инъекции эпитбатидина, а также отсутствуют коррелированные волны, как это наблюдалось при визуализации кальция и записи MEA. [9]
Спорная роль в развитии нейронов
В настоящее время все еще существует много споров о том, играют ли волны на сетчатке глаза «поучительную» или «разрешающую» роль в формировании специфичных для глаза проекций в пути ретиногеникулята. Инъекции фармакологических агентов предотвращают образование специфичных для глаз ретиногеникулятов, что указывает на то, что волны сетчатки играют определенную роль в образовании. Было обнаружено, что у мышей β2-nAChR-KO изменен паттерн спонтанной активации. Важно отметить, что, хотя эксперименты, проведенные на нокаутных линиях на сегодняшний день, помогли объяснить некоторые вещи о волнах сетчатки, только эксперименты, проведенные in vivo при нормальной температуре тела и в нормальной химической среде, могут действительно определить, каков истинный образец возбуждения. находится в нокауте животных. [9] [10]
Поучительный аргумент
Было обнаружено, что волновая активность сетчатки совпадает с периодом формирования глазоспецифичных проекций ретиногеникулята. Это временное перекрытие необходимо для причинно-следственной связи. Инъекции ТТХ эмбриональным кошкам предотвращали образование специфичных для глаза ретиногеникулятов, что указывает на то, что нейронная активность необходима для образования специфичных для глаза слоев. [10] После лечения эпибатидином отсутствие коррелированного возбуждения в оставшейся половине ганглиозных клеток сетчатки, несмотря на устойчивое возбуждение, а также отсутствие формирования специфического для глаза слоя может быть указано как доказательство того, что волны играют обучающую роль. [9] Визуализация кальция после использования иммунотоксина показала, что некоторое коррелированное срабатывание все еще оставалось, тогда как запись с фиксацией связанного напряжения показала значительное снижение коррелированного срабатывания. [9] Оставшаяся коррелированная вспышка могла объяснить формирование специфичных для глаза проекций ретиногеникулята, которые были обнаружены. Использование кальциевых изображений и регистрации MEA этих клеток показало, что у этих клеток нет коррелированного возбуждения. Вместо этого наблюдалась пониженная частота возбуждения, и деполяризация в одной клетке, по-видимому, подавляла окружающие клетки. [9] Измененный образец возбуждения у мышей β2-nAChR-KO также является спорным, поскольку были некоторые свидетельства того, что коррелированное возбуждение все еще происходит у мышей с нокаутом, как подробно описано в следующем разделе.
Разрешительный аргумент
Были обнаружены волны на сетчатке глаза при формировании специфичных для глаза путей ретиногенеза; однако важно отметить, что у всех видов, изученных на сегодняшний день, волны на сетчатке начинаются до и продолжаются после того, как формируются эти специфичные для глаза пути. Также отмечается, что у некоторых видов, у которых были зарегистрированы волны на сетчатке глаза, пересекаются проекции. Это говорит о том, что волны на сетчатке могут присутствовать и не играть поучительной роли в специфичных для глаза входах. [10] При рассмотрении данных об использовании фармакологического вещества для блокирования активности сетчатки необходимо учитывать несколько моментов. Во-первых, долгосрочные эффекты лечения ТТХ неизвестны, так как еще невозможно отслеживать активность сетчатки в течение длительного времени у интактных животных. [10] Открытие того факта, что длительная инъекция ТТХ не ингибирует, а вместо этого просто задерживает формирование специфического для глаза слоя, можно было бы объяснить сниженным влиянием ТТХ на активность сетчатки в течение более длительного периода времени. Это подтверждает аргумент о том, что блокирование всей активности сетчатки предотвращает формирование проекций, специфичных для глаза, еще предстоит определить. [10] Кроме того, поскольку лечение иммунотоксином для уничтожения амакриновых клеток со звездообразованием не показывает разницы в формировании специфичных для глаза ретиногеникулятов, по сравнению с лечением эпибатидином, можно предположить, что какая-то активность сетчатки важна для формирования специфического для глаза слоя но не волны сетчатки. [10] Одно исследование показало, что у мышей β2-nAChR-KO по-прежнему наблюдалась устойчивая волновая активность сетчатки, в отличие от ранее описанных; однако они обнаружили, что волны сетчатки распространялись с использованием щелевых соединений в нокаутной линии, вместо холинергической передачи у мышей дикого типа. [10]
Рекомендации
- ^ Уиллшоу, ди-джей; Дер Мальсбург, К. Фон (1976). «Как шаблонные нейронные связи могут быть установлены с помощью самоорганизации». Труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 194 : 1117.
- ^ Галли, Л .; Маффеи, Л. (1988). "Спонтанная импульсная активность ганглиозных клеток сетчатки крысы в пренатальном периоде жизни". Наука . 242 .
- ^ Шац, CJ (1996). «Возникновение порядка в развитии зрительной системы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 : 602–608. DOI : 10.1073 / pnas.93.2.602 .
- ^ а б в г д е Вонг, РОЛ (1999). «Волны сетчатки и развитие зрительной системы». Ежегодный обзор неврологии . 22 .
- ^ Сернагор, Э .; Мехта, В. (2001). «Роль ранней нейронной активности в созревании туртальной функции сетчатки». Журнал анатомии . 199 .
- ^ Вонг, РОЛ (1999). «Волны сетчатки: разжигание бури» . Нейрон . 24 (3): 493–495. DOI : 10.1016 / s0896-6273 (00) 81102-2 .
- ^ a b c d Форд, К. и М. Феллер. «Формирование ранних сетчатых цепей во внутреннем плексиформном слое». Webvision: организация сетчатки глаза и визуальной системы. 27 января 2012 г. Интернет. Webvision
- ^ Ферт, SI; Ван, Коннектикут; Феллер, МБ (2005). «Волны сетчатки: механизмы и функции в развитии зрительной системы». Клеточный кальций . 37 (5).
- ^ Б с д е е г ч Феллер, М. (2009). «Волны на сетчатке, вероятно, будут указывать на формирование специфичных для глаза проекций ретиногеникулята» . Нейронное развитие . 4 : 24. DOI : 10,1186 / 1749-8104-4-24 . PMC 2706239 . PMID 19580682 .
- ^ Б с д е е г ч Чалупа, LM (2009). «Волны на сетчатке вряд ли будут указывать на формирование специфичных для глаза ретиногенерирующих проекций» . Нейронное развитие . 4 : 25. DOI : 10,1186 / 1749-8104-4-25 . PMC 2706240 . PMID 19580684 .
дальнейшее чтение
- Феллер, МБ ; Веллис, Д.П .; Stellwagen, D .; Werblin, FS; Шац, CJ (1996). «Необходимость холинергической синаптической передачи при распространении спонтанных ретинальных волн». Наука . 272 (5265): 1182–1187. DOI : 10.1126 / science.272.5265.1182 . PMID 8638165 .
- Вонг, Рэйчел О.Л. (1999). «Волны сетчатки и развитие зрительной системы». Ежегодный обзор неврологии . 22 : 29–47. DOI : 10.1146 / annurev.neuro.22.1.29 . PMID 10202531 .