Адаптація фоторецепторів сітківки

Затемнення струму

Суперечливо, фоторецептор найбільш електрично активний у повній темряві. Канали збуджень цGMP-зв'язаних іонів у зовнішньому сегменті підтримуються сталим рівнем концентрації циклічного GMP, що дозволяє безперервному внутрішньому потоку натрію та кальцію — темному струмі — підтримувати клітину відносно деполяризованою. Цей постійний деполяризація викликає постійну високу швидкість вивільнення нейротрансмітерів на наступні нейрони в ланцюжку. Бачення, на рівні клітини, починається з вимкнення цього струму, а не з його увімкнення.

Каскад фототрансляції

Один фотон, поглинений родохламіном – світлочутливим пігментом, що складається з білка оpsin, зв’язаного з молекулою 11-cis-ретиної, перетворює ретиноїд з ізомерної форми 11-cis на ізомерну форму all-trans, змінюючи форму родохламіну в активний стан. Ця одна активна молекула потім запускає велику, ланцюгову підсилювальну реакцію:

1 фотон -> родохламін* (активований) -> активує приблизно сотню молекул трансдуцину (G-білок) -> кожна активує молекулу ферменту PDE6 -> кожна PDE6 гідролізує сотні молекул cGMP за секунду -> зниження концентрації cGMP закриває cGMP-закупорені канали -> припиняється темпоральний струм -> клітина гіперполяризується -> менше вивільняється нейромедіатор Кожен етап множить сигнал, що пояснює, чому фоторецептор рога може генерувати надійно вимірювану електричну відповідь на поглинання лише одного фотона – одного з найбільш чутливих біологічних підсилювачів, відомих нам.

1 photon -> rhodopsin* (activated)
         -> activates ~hundreds of transducin (G-protein) molecules
         -> each activates a PDE6 enzyme molecule
         -> each PDE6 hydrolyzes hundreds of cGMP molecules per second
         -> falling cGMP closes cGMP-gated channels
         -> dark current stops -> cell hyperpolarizes
         -> less neurotransmitter released

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Вейбер-Фіхнер: робота через десять порядків величини

Ретина повинна функціонувати від світла зірок до сонячного світла в полудень, діапазон якого становить приблизно десять порядків величини у потоках фотонів, але будь-яка відповідна крива реакції однієї клітини — від повністю вимкненої до повністю насиченої — охоплює лише близько двох або трьох порядків величини. Ретина вирішує це, постійно адаптуючи свою точку експлуатації до поточного рівня освітлення, а не використовуючи одну фіксовану криву реакції. У широкому середньому діапазоні інтенсивності цей адаптування слідує закону Вейбера-Фіхнера: найменша виявлювана зміна інтенсивності, поріг ΔI, приблизно пропорційний фоновому рівню інтенсивності I, ΔI/I ≈ постійна. Практично це означає, що ви можете так само легко помітити мерехтіння свічки в темній кімнаті, як і помітити значно більшу абсолютну зміну яскравості на відкритому повітрі в полудень — ретина масштабує свою чутливість таким чином, щоб відносна, а не абсолютна зміни були тим, що фіксується.

Зворотній зв’язок за адаптацією

Адаптація реалізується через кальцієвий зворотний зв'язковий цикл у фототрандукційному каскаді. Коли світ закриває гАТ-каналі CМР, менше кальцію надходить в клітину, і падаючий внутрішньоклітинний кальцій послаблює інгібування гуанілациклазу (прискорюючи ресинтез цГМП) а також модулює білки, такі як recoverin, які регулюють дезактивацію родіосиною киназом кожною активованим молекулою родіосини. Разом ці ефекти скорочують час відповіді та зменшують коефіцієнт при підвищенні фонового освітлення, постійно центруючи динамічний діапазон клітини на рівень світла, в якому вона зараз знаходиться — незалежний біохімічний автоматичний контроль гучності, що працює в кожному фоторецепторі.

Ряди та краплі розбивають роботу

Ряди несу каскад фототрандукції до своєї чутливості, надійно реагуючи на окремі фотони, але вони перевантажуються — припиняють реагувати на подальші збільшення світла — задовго до того, як досягнуті денні інтенсивності, що пояснює втрату функціональної цінності зору з домінуванням рядів у яскравому світлі. Окантовки використовують подібний каскад, але з швидшою кінетикою та приблизно в 100 разів нижчою чутливістю до фотонів, відмовляючись від виявлення окремих фотонів для ширшого діапазону адаптації, який працює (і підтримує колірний зір, оскільки різні типи окантовок мають різні спектральні чутливості) протягом усього діапазону денних умов.

Frequently asked questions

Чому фоторецептори гіперполяризуються під час дії світла, замість того, щоб більше спалюватися, як більшість збуджених нейронів?

У темряві G-бічні канали, що регулюються cGMP, залишаються відкритими завдяки постійному надходженню cGMP, дозволяючи безперервному 'темному струму', який підтримує фоторецептор у деполяризованому стані та сприяє вивільненню нейротрансмітерів. Світло запускає каскад подій, що руйнує cGMP, закриває ці канали та припиняє вхідний струм – таким чином, клітина наближається до свого спокійного потенціалу, що для цієї системи означає ставати більш негативною (гіперполяризацією), а не генерувати потенційне дзеркальне збудження.

Яка різниця між циліндрами та паличками в адаптації?

Палички значно більш чутливі, здатні реагувати на одне фотон, і домінують у зору при слабкому світлі (скопічних умовах), але вони насичуються та перестають корисно реагувати в яскравому денному світлі. Циліндри приблизно в 100 разів менш чутливі на фотон, але постійно адаптують свій робочий діапазон, що дозволяє їм працювати і підтримувати колір та деталізацію у повний діапазон умов денного світла, де палички вже були б насичені.

Чому закон Вейбера діє лише в певному діапазоні інтенсивності?

Закон Вейбера – пропорційність порогу інтенсивності фоновій інтенсивності – залежить від активного регулювання коефіцієнту отримання фоторецептором (через кальцієвий зворотний зв'язок через recoverin та guanylate cyclase), щоб його робочий діапазон залишався зосередженим на поточній фоновій інтенсивності. На самому нижньому рівні інтенсивності, поблизу абсолютного порогу, відповідь обмежена шумом при підрахунку фотонів, а не коефіцієнтом отримання, тому закон Вейбера руйнується та взаємозв'язок вирівнюється замість того, щоб масштабуватися пропорційно.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Retinal Photoreceptor Adaptation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Retinal Photoreceptor Adaptation