Funkční části tyčí a kuželů[1]
Fotoreceptor neboli fotoreceptorová buňka je specializovaný typ neuronu nacházející se v oční sítnici, který je schopen fototransdukce. Velký biologický význam fotoreceptorů spočívá v tom, že jako buňky přeměňují světlo (elektromagnetické záření) na počátek řetězce biologických procesů. Přesněji řečeno, fotoreceptor absorbuje fotony z zorného pole a specifickou a složitou biochemickou cestou signalizuje tuto informaci změnou svého membránového potenciálu.
Po stovky let se mělo za to, že fotoreceptory u obratlovců patří pouze do dvou hlavních tříd. Dva klasické fotoreceptory jsou tyčinky a kužely, z nichž každý přispívá informacemi, které používá vizuální systém k vytvoření reprezentace vizuálního světa, zraku.
Nový třetí fotoreceptor je nedávno objevená třída fotosenzitivních gangliových buněk. Tyto buňky, nalezené ve vnitřní sítnici, mají dendrity a dlouhé axony promítající se do pretectu (středního mozku), suprachiasmatická jádra v hypothalamu a laterální genikulát (thalamus).
Mezi tyčinkami a kužely jsou velké funkční rozdíly. Kužely jsou přizpůsobeny k detekci barev a dobře fungují za jasného světla; tyčinky jsou citlivější, ale nezachycují dobře barvu, jsou přizpůsobeny za slabého světla. U lidí existují tři různé typy kuželů – reagují na krátké (modré), střední (zelené) a dlouhé (žluto-červené) světlo. Lidská sítnice obsahuje asi 120 milionů tyčinkových buněk a 6 milionů kuželových buněk. Počet a poměr tyčinek k kuželům se liší mezi jednotlivými druhy v závislosti na tom, zda je zvíře primárně denní nebo noční. Určité sovy mají v sítnici ohromné množství tyčinek – oči sovy žlutohnědé jsou v noci přibližně 100krát citlivější než oči člověka.[2]. V lidském zrakovém systému je asi 1,3 milionu gangliových buněk.
Zde jsou popsány fotoreceptory obratlovců. Bezobratlí fotoreceptory v organismech, jako je hmyz a měkkýši, se liší jak morfologickou organizací, tak základními biochemickými drahami.
Tyčové a kuželové fotoreceptory mají stejnou základní strukturu. Nejblíže k zornému poli (a nejdále od mozku) je axonový terminál, který uvolňuje neurotransmiter zvaný glutamát bipolárním buňkám. Ještě dále vzadu je buněčné tělo, které obsahuje buněčné organely. Ještě dále vzadu je vnitřní segment, specializovaná část buňky plná mitochondrií. Hlavní funkcí vnitřního segmentu je poskytovat ATP (energii) pro sodno-draselnou pumpu. A konečně, nejblíže mozku (a nejdále od zorného pole) je vnější segment, část fotoreceptoru, která absorbuje světlo. Vnější segmenty jsou vlastně modifikované cilie, které obsahují disky naplněné opsiny, molekulu, která absorbuje fotony, a také napěťově řízené sodíkové kanály.
Membranózní fotoreceptorový protein opsin obsahuje pigmentovou molekulu zvanou retinál. V tyčinkových buňkách se tyto buňky společně nazývají rhodopsin. V kuželových buňkách existují různé typy opsinů, které se kombinují s retinálem a vytvářejí pigmenty zvané fotopsiny. Tři různé třídy fotopsinů v kuželech reagují na různé rozsahy světelné frekvence, což je diference, která nakonec umožňuje vizuálnímu systému rozlišit barvu. Funkcí fotoreceptorové buňky je přeměna světelné energie fotonu na formu energie přenosné do nervového systému a snadno využitelné pro organismus: tato přeměna se nazývá signální transdukce.
Opiny nalezené ve fotosenzitivních gangliových buňkách sítnice, které se podílejí na různých reflexivních reakcích mozku a těla na přítomnost (denního) světla, jako je
regulace cirkadiánních rytmů, pupilární reflex a další nevizuální reakce na světlo, se nazývají melanopsin. U obratlovců je atypický, melanopsin se funkčně podobá bezobratlým opsinům. Strukturou se jedná o opsin, retinylidenovou proteinovou odrůdu receptoru spřaženého s G-proteinem.
Když světlo aktivuje signalizační systém melanopsinu, buňky ganglií obsahující melanopsin uvolňují nervové impulzy, které jsou vedeny přes jejich axony ke specifickým mozkovým cílům. Tyto cíle zahrnují olivarové pretektální jádro (centrum zodpovědné za kontrolu oční zornice) a přes retinohypotamický trakt (RHT) suprachiasmatické jádro hypothalamu (hlavní kardiostimulátor cirkadiánních rytmů). Předpokládá se, že buňky ganglií melanopsinu ovlivňují tyto cíle tím, že uvolňují ze svých axonových terminálů neurotransmitery glutamát a hypofyzární adenylátcyklázu aktivující polypeptid (PACAP).
U lidí využívá zrakový systém miliony fotoreceptorů k prohlížení, vnímání a analýze zrakového světa. S výjimkou fotosenzitivních gangliových buněk obsahujících melanopsin jsou oční fotoreceptory jedinými neurony u lidí schopnými fototransdukce. Všechny fotoreceptory u lidí se nacházejí buď ve vnější jaderné vrstvě v sítnici v zadní části každého oka, zatímco bipolární a gangliové buňky, které přenášejí informace z fotoreceptorů do mozku, jsou před nimi. Toto obrácené uspořádání výrazně snižuje ostrost,[Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text], protože světlo musí putovat axony a buněčnými těly jiných neuronů, než se dostane k fotoreceptorům. Sítnice obsahuje dvě specializace, které se zabývají touto problematikou. Za prvé, oblast ve středu sítnice, zvaná fovea, obsahující pouze fotoreceptory, se používá pro vysokou zrakovou ostrost. Za druhé, každá sítnice obsahuje slepé místo, což je oblast, kde axony z gangliových buněk mohou procházet zpět sítnicí do mozku.
Normalizované typické lidské kuželové (a tyčové) absorbance (nikoliv odezvy) na různé vlnové délky světla[4]
Po stovky let se mělo za to, že lidé mají pouze dva typy fotoreceptorů: tyčinky a kužely. Oba přenášejí světlo do změny membránového potenciálu stejnou cestou přenosu signálu (viz níže). Liší se však povahou opsinu, který obsahují, a jejich funkcí. Tyčinky se používají především k vidění při nízkých úrovních světla, zatímco kužely se používají k určení barvy, hloubky a intenzity. Dále existují tři typy kuželů, které se liší spektrem vlnových délek fotonů, přes které se pohlcují (viz graf). Protože kužely reagují na vlnovou délku i intenzitu světla, jeden kužel nedokáže určit barvu; místo toho barevné vidění vyžaduje interakce více než jednoho typu kužele (viz níže), především porovnáním reakcí mezi různými typy kuželů.
Je důležité poznamenat, že starší učebnice nebudou obsahovat zatím ten nejzajímavější objev v oblasti lidského fotoreceptoru a vidění. V roce 2007 byla izolována nová třída fotoreceptorů gangliových buněk u bezrohých bezrohých lidí, kde bylo zjištěno, že zprostředkovává cirkadiánní rytmy, chování, reakce zornic a ze všeho nejvíce vzrušující složku nevědomého a vědomého vidění.[5] Tyto non-rodové non-kuželové fotoreceptory obecně jsou rozebrány níže.
Fototransdukce je komplexní proces, při kterém je energie fotonu použita ke změně vlastního membránového potenciálu fotoreceptoru — a tím signalizuje nervovému systému, že světlo je ve vizuálním poli.
Nestimulované (ve tmě) cyklicko-nukleotidové kanály ve vnějším segmentu jsou otevřené, protože se na ně váže cyklické GMP (cGMP). Z tohoto důvodu vstupují kladně nabité ionty (jmenovitě sodíkové ionty) do fotoreceptoru a depolarizují ho na cca -40 mV (klidový potenciál v jiných nervových buňkách je obvykle -65 mV). Tento depolarizující proud je často označován jako tmavý proud.
Signální transdukční dráha
Tedy tyčinka nebo kuželový fotoreceptor ve skutečnosti uvolňuje méně neurotransmiteru, když je stimulován světlem.
ATP dodávaný vnitřním segmentem napájí sodno-draselnou pumpu. Toto čerpadlo je nezbytné pro resetování počátečního stavu vnějšího segmentu tím, že se odeberou sodíkové ionty, které vstupují do buňky, a odčerpávají se zpět.
Ačkoli jsou fotoreceptory neurony, neprovádějí akční potenciály s výjimkou fotoreceptoru gangliových buněk.
Fototransdukce v tyčinkách a kuželech je unikátní v tom, že podnět (v tomto případě světlo) ve skutečnosti snižuje odezvu buňky nebo rychlost odpalu, což je neobvyklé u smyslového systému, kde podnět obvykle zvyšuje odezvu buňky nebo rychlost odpalu. Tento systém však nabízí několik klíčových výhod.
Za prvé, klasický (tyčinka nebo kužel) fotoreceptor je depolarizován ve tmě, což znamená, že mnoho sodíkových iontů proudí do buňky. Tudíž náhodné otevření nebo uzavření sodíkových kanálů neovlivní membránový potenciál buňky; pouze uzavření velkého množství kanálů prostřednictvím absorpce fotonu jej ovlivní a signalizuje, že světlo je ve vizuálním poli. Tudíž, systém je nehlučný.
Za druhé, ve dvou fázích klasické fototransdukce dochází k velkému zesílení: jeden pigment aktivuje mnoho molekul transdukinu a jeden PDE rozštěpí mnoho cGMP. Toto zesílení znamená, že i absorpce jednoho fotonu ovlivní membránový potenciál a vyšle mozku signál, že světlo je ve vizuálním poli. To je hlavní vlastnost, která odlišuje tyčinkové fotoreceptory od kuželových fotoreceptorů. Tyčinky jsou extrémně citlivé a mají schopnost registrovat jediný foton světla na rozdíl od kuželů. Na druhé straně je známo, že kužely mají velmi rychlou kinetiku, pokud jde o rychlost zesílení fototransdukce na rozdíl od tyčinek.
Fotoreceptory nesignalizují barvu, pouze signalizují přítomnost světla ve vizuálním poli.
Pro určení barvy vizuální systém porovnává odezvy napříč populací fotoreceptorů (konkrétně tří různých kuželů s odlišným absorpčním spektrem). Pro určení intenzity vizuální systém vypočítává, kolik fotoreceptorů reaguje. To je mechanismus, který umožňuje trichromatické barevné vidění u lidí a některých dalších zvířat.
Tyčinka a kuželové fotoreceptory signalizují svou absorpci fotonů uvolněním neurotransmiteru glutamátu bipolárním buňkám na axonovém terminálu. Vzhledem k tomu, že fotoreceptor je depolarizován ve tmě, uvolňuje se vysoké množství glutamátu do bipolárních buněk ve tmě. Absorpce fotonu hyperpolarizuje fotoreceptor, a tudíž vede k uvolnění menšího množství glutamátu na presynaptickém terminálu do bipolární buňky.
Každá tyčinka nebo kuželový fotoreceptor uvolňuje stejný neurotransmiter, glutamát. Účinek glutamátu se však v bipolárních buňkách liší v závislosti na typu receptoru, který je v membráně dané buňky zabudován. Když se glutamát naváže na ionotropní receptor, bipolární buňka se depolarizuje (a proto se hyperpolarizuje světlem, protože se uvolňuje méně glutamátu). Na druhou stranu vazba glutamátu na metabotropní receptor vede k hyperpolarizaci, takže tato bipolární buňka se depolarizuje na světlo, protože se uvolňuje méně glutamátu.
V podstatě tato vlastnost umožňuje jedné populaci bipolárních buněk, které světlo vzrušuje, a jiné populaci, která je jím inhibována, přestože všechny fotoreceptory vykazují stejnou odezvu na světlo. Tato složitost se stává důležitou a zároveň nutnou pro detekci barev, kontrastu, hran atd.
Další složitost vyplývá z různých propojení mezi bipolárními buňkami, horizontálními buňkami a amakrinními buňkami v sítnici. Konečným výsledkem jsou rozdílné populace gangliových buněk v sítnici, jejichž subpopulace je také vnitřně fotosenzitivní, využívající fotopigment melanopsin.
Fotoreceptory gangliových buněk (non-rod non-cone)
V roce 1991 Foster a kol. objevili v očích myší non-kuželový fotoreceptor, u kterého bylo prokázáno, že zprostředkovává cirkadiánní rytmy, tj. 24hodinové biologické hodiny těla. [6]. Tyto nové buňky vyjadřují fotopigment melanopsin, který jako první identifikoval Ignacio Provencio a jeho kolegové.[7] Lucas a spol. jako první přesvědčivě prokázali, že buňky obsahující fotopigment melanopsin absorbují světlo maximálně při jiné vlnové délce než buňky tyčinek a kuželů.[8] Lucas a jeho kolegové také zjistili, že u myší nehybný fotoreceptor bez kužele hrál roli při iniciaci reflexu zornic a ne pouze cirkadiánních / behaviorálních funkcí jako dříve. myslel, i když ty druhé byly také prokázány jimi pomocí geneticky upravených bezrohých bezrohých myší [8]. Samer Hattar a kol. v roce 2002 ukázali, že u potkanů byly vnitřně fotosenzitivní buňky retinálních ganglií bez výjimky exprimovány melanopsinem a tak melanopsin (a nikoliv tyčinkové nebo kuželové opsiny) byl s největší pravděpodobností vizuálním pigmentem fototransdukujících buněk retinálních ganglií, které nastavily cirkadiánní hodiny a iniciovaly další obrazotvorné vizuální funkce.[9] [10] To bylo anatomicky velmi významné – gangliové buňky sídlí ve vnitřní sítnici, zatímco klasické fotoreceptory (tyčinky a kužely) obývají zevní sítnice, naznačující dvě paralelní a anatomicky odlišné dráhy fotoreceptorů. Ve stejném roce 2005 Melyan et al ukázal, že fotopigment melanopsinu je fototransdukční pigment v gangliových buňkách.[11][12]. Dennis Dacey s kolegy ukázali u druhu opice starého světa, že obří gangliové buňky exprimující melanopsin se promítají do laterálních genikulových jader.[13] Dříve byly prokázány pouze projekce do středního mozku (pre-tektální jádra) a hypothalamu (supra-chiasmatická jádra). Nicméně vizuální role receptoru byla dosud netušená a neprokázaná.
V roce 2007 Farhan H. Zaidi a jeho kolegové publikovali svou průkopnickou práci s použitím bezrohých bezrohých lidí. Current Biology následně ve svém úvodníku z roku 2008, komentářích a depeších pro vědce a oftalmology oznámili, že non-rod non-cone photoreceptor byl u lidí nezvratně objeven pomocí přelomových experimentů na bezrohých bezrohých lidech Zaidim a jeho kolegy [10] [14],
[15], [16] Pracovníci zjistili, že identita non-rod non-cone photoreceptoru u lidí je gangliová buňka ve vnitřní sítnici, jak bylo dříve prokázáno na bezrohých bezrohých modelech u některých jiných savců. Pracovníci vypátrali pacienty se vzácnými onemocněními, kteří likvidovali klasickou funkci tyčinkového a kuželového fotoreceptoru, ale zachovali funkci gangliových buněk.[17], [18], [19] Přestože pacienti neměli žádné tyčinky ani kužely, nadále vykazovali cirkadiánní fotoentrainment, cirkadiánní vzorce chování, potlačení melanopsinu a reakce zornic, přičemž špičková spektrální citlivost vůči okolnímu a experimentálnímu světlu odpovídala fotopigmentu melanopsinu. Jejich mozky mohly také spojovat vidění se světlem této frekvence.
Použití bezrohých bezrohých lidí umožnilo studovat další možnou roli receptoru. V roce 2007 byla nalezena nová role pro fotoreceptivní gangliovou buňku. Farhan H. Zaidi a jeho kolegové ukázali, že retinální gangliová buňka je fotoreceptorem (alespoň u lidí) pro vědomý zrak a nejen pro funkce, které nevytvářejí obraz, jako je cirkadiánní rytmus, chování a reakce zornic, jak se dříve myslelo.[5] Lidé byli dokonalým modelem, ve kterém mohli prokázat tuto funkci, jak mohou pohotově popsat zrak pozorovateli, což zvířata neumí. Proto byl receptor svým umístěním anatomicky ve vnitřní sítnici, jak ukázali tito pracovníci, první buňkou, která vnímala světlo, které dalo vzniknout zraku. Ukázali také, že reaguje většinou na modré světlo, což naznačuje, že může hrát roli v mezopickém vidění. Práce Zaidiho a jeho kolegů s bezrohými bezrohými lidskými subjekty proto také otevřela dveře do obrazotvorných (vizuálních) rolí pro fotoreceptor gangliové buňky. Bylo zjištěno, že existují paralelní cesty vidění – jedna klasická tyčinka a kuželovitá báze vznikající z vnější sítnice, druhá primitivní vizuální detektor jasu vznikající z vnitřní sítnice, který se zdá být aktivován světlem dříve než ta druhá.[5] Klasické fotoreceptory také vstupují do nového fotoreceptorového systému a stálost barev může být důležitou rolí, jak naznačil Foster. Receptor by mohl být nápomocný při pochopení mnoha chorob včetně hlavních příčin slepoty na celém světě, jako je glaukom, choroba, která postihuje gangliové buňky, a studium receptoru nabídlo potenciál jako nová cesta k prozkoumání ve snaze najít léčbu slepoty. Právě v těchto objevech nového fotoreceptoru u lidí a v roli receptorů ve vidění, spíše než v jeho nefrakčních funkcích, může mít receptor největší dopad na společnost jako celek, i když dopad narušených cirkadiánních rytmů je další oblastí významu pro klinickou medicínu.
Většina prací naznačuje, že maximální spektrální citlivost receptoru je mezi 460 a 481nm, ačkoliv menšina skupin uváděla, že je nižší až 420nm. Steven Lockley a kol. v roce 2003 ukázali, že 460 nm vlnové délky světla potlačují melatonin dvakrát více než delší 555 nm světla. Nicméně v novější práci Farhana Zaidiho a kol., používající bezrohého bezrohého člověka, bylo zjištěno, že to, co vědomě vedlo ke vnímání světla, byly velmi intenzivní 481nm podněty – to znamená, že receptor ve vizuálním vyjádření umožňuje určité základní vidění maximálně pro modré světlo.[5]
soma, axon (axon hillock, axoplasmus, axolemma, neurofibril/neurofilament), dendrit (Nisslovo tělo, dendritická páteř, apikální dendrit, bazální dendrit)typy (bipolární, pseudounipolární, multipolární, pyramidové, Purkinje, granule)
GSA, GVA, SSA, SVA, vlákna (Ia, Ib nebo Golgi, II nebo Aβ, III nebo Aδ nebo rychlá bolest, IV nebo C nebo pomalá bolest)
GSE, GVE, SVE, horní motorický neuron, dolní motorický neuron (α motorneuron, γ motorneuron)
neuropil, synaptický váček, neuromuskulární spojení, elektrická synapse – Interneuron (Renshaw)
Volné nervové zakončení, Meissnerova krvinka, Merkelové nervové zakončení, Svalové vřeteno, Pacinianova krvinka, Ruffiniho zakončení, Čichový receptorový neuron, Fotoreceptorová buňka, Vlasové buňky, Chuťové buňky
astrocyt, oligodendrocyt, ependymální buňky, mikroglie, radiální glie
Schwannova buňka, oligodendrocyt, Ranvierovy uzliny, internoda, Schmidt-Lantermanovy řezy, neurolemma
epineurium, perineurium, endoneurium, nervový fascikl, meninges