Волны сетчатки - Retinal waves

Волны сетчатки спонтанные всплески потенциалы действия распространяются волнообразно по развивающимся сетчатка. Эти волны возникают раньше стержень и конус созревание и раньше зрение может случиться. Сигналы от волн сетчатки стимулируют активность спинного мозга. латеральное коленчатое ядро (dLGN) и первичный зрительная кора. Считается, что волны распространяются через соседние клетки в случайных направлениях, определяемых периодами рефрактерности, которые следуют за начальной деполяризацией. Считается, что волны на сетчатке обладают свойствами, которые определяют раннее соединение цепей и синапсы между клетками сетчатки. О точной роли волн сетчатки до сих пор ведется много споров; некоторые утверждают, что волны являются инструктивными при формировании путей ретиногеникулята, в то время как другие утверждают, что активность необходима, но не является обучающей для формирования 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 волнообразном образовании 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 ретинотопической 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 Лючия 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 между 17 и 21 днем ​​эмбриона, чтобы записать 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, наблюдаемая в ганглиозные клетки сетчатки может отвечать за формирование синаптических связей сетчатки и за проекции ганглиозные клетки сетчатки к верхний холмик и LGN.[2]

Когда появилась идея о волнах сетчатки, нейробиолог Карла Шац использовал визуализация кальция и запись микроэлектрода для визуализации движения потенциалы действия в волнообразном образовании. Дополнительные сведения о визуализации кальция и записи на микроэлектродах см. В разделе ниже. В визуализация кальция показали ганглиозные клетки, инициирующие формирование волн сетчатки вместе с соседними амакриновые клетки, которые принимают участие в движении электрической активности. Считалось также, что записи с микроэлектрода LGN нейроны управляются волнообразным формированием электрической активности через соседние ганглиозные клетки сетчатки. На основании этих результатов было сделано предположение, что волны электрической активности ответственны за управление моделью пространственно-временной активности, а также играют роль в формировании зрительная система во время внутриутробного 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 окулярного 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 направлены на то, чтобы 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 ГАМК переход от возбуждающего к тормозящему при постоянном развитии 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 гиппокамп, спинной мозг, и слуховые ядра.[6]Узорчатая активность, формирующая нейронные связи, и контроль синаптической эффективности в нескольких системах, включая сетчатку, важны для понимания взаимодействия между пресинаптический и постсинаптический клетки, которые создают точные связи, необходимые для функционирования нервной системы.[4]

Разработка

Во время разработки важна коммуникация через синапс между амакриновые клетки и другие интернейроны сетчатки и ганглиозные клетки которые действуют как субстрат для волн сетчатки.[4]Выделяют три стадии развития, которые характеризуют активность ретинальных волн у млекопитающих. До рождения волны опосредуются несинаптическими токами, волны в период от рождения до десяти дней после рождения опосредуются нейротрансмиттером. ацетилхолин действующий на никотиновые рецепторы ацетилхолина, волны в течение третьего периода от десяти дней после рождения до двух недель спустя опосредуются ионотропными рецепторами глутамата.[7]

Химические синапсы в период холинергической волны включают звездообразование амакриновых клеток (SAC) высвобождают ацетилхолин на другие SAC, которые распространяют волны. В этот период производство холинергических волн превышает производство волн за счет щелевые соединения, из которых сигналы значительно уменьшены. Эта сигнализация происходит до того, как биполярные клетки образуют связи в внутренний плексиформный слой. Считается, что SAC являются источником волн на сетчатке, потому что спонтанные деполяризации наблюдались без синаптического возбуждения.[7]

Активность холинергических волн со временем угасает, и высвобождение глутамат в биполярные клетки генерирует волны.[7] Биполярные клетки дифференцируются позже, чем амакриновые и ганглиозные клетки, что может быть причиной такого 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 как видно, 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, не наблюдалась у всех испытуемых; например, исследования показали, что ганглиозные клетки сетчатки хорька не связаны. Другие исследования показали, что внеклеточные возбудители, такие как калий может способствовать распространению волн. Исследования показывают, что синаптические сети амакриновых 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 период отражения 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. Поверхностно-рефрактерные участки, вызванные волной, 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

Два основных метода визуализации волн сетчатки - это использование визуализация кальция и многоэлектродная матрица. Визуализация кальция 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, которые изменяют 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 эпибатидин холинергический агонист, может быть использован для блокирования спонтанного возбуждения в половине всех ганглиозных клеток сетчатки и вызывает некоррелированное возбуждение в оставшейся половине.[9] Эффекты фармакологических агентов на активность ганглиозных клеток сетчатки наблюдаются с использованием либо MEA, либо кальциевой визуализации. Иммунотоксины могут использоваться для нацеливания на амакриновые клетки со вспышкой звездообразования. Амакриновые клетки звездообразования - это интернейроны сетчатки, ответственные за холинергические волны сетчатки.[9] Третий метод - использовать мышей с нокаутом 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 глаза 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 сегодняшний день на линиях нокаута, помогли объяснить некоторые вещи о волнах сетчатки, только проведенные эксперименты in vivo при нормальной температуре тела и в нормальной химической среде может действительно определить, каков истинный образец стрельбы у нокаутированных животных.[9][10]

Поучительный аргумент

Было обнаружено, что волновая активность сетчатки совпадает с периодом формирования глазоспецифичных проекций ретиногеникулята. Такое временное перекрытие необходимо для причинно-следственной связи. Инъекции ТТХ эмбриональным кошкам предотвращали образование специфичных для глаза проекций ретиногеникулята, 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 специфичного для глаза слоя может быть указано как доказательство того, что волны играют обучающую роль.[9] Наблюдение с помощью визуализации кальция после использования иммунотоксина показало, что некоторое коррелированное срабатывание все еще сохранялось, тогда как запись с фиксацией связанного напряжения показала значительное снижение коррелированного срабатывания.[9] Оставшееся коррелированное возбуждение могло объяснить формирование обнаруженных глаз-специфичных проекций ретиногеникулята. Использование изображений кальция 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 паттерн возбуждения у мышей β2-nAChR-KO также является спорным, так как были некоторые доказательства 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 следует учитывать несколько моментов. Во-первых, долгосрочные эффекты лечения ТТХ неизвестны, так как еще невозможно контролировать активность сетчатки в течение длительного времени у интактных животных.[10] Обнаружение того факта, что длительная инъекция ТТХ не ингибирует, а вместо этого просто задерживает образование специфического для глаза слоя, можно было бы объяснить сниженным влиянием ТТХ на активность сетчатки в течение более длительного периода времени. Это поддерживает 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 ретиногенерирующих выступов, в то время как лечение эпибатидином делает это, можно предположить, что для формирования специфического для глаза слоя важна некоторая активность сетчатки, но не сетчатки. волны.[10] Одно исследование показало, что у мышей β2-nAChR-KO все еще 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 мышей дикого типа.[10]

Рекомендации

  1. ^ Willshaw, D.J .; 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.
  2. ^ Галли, Л .; Маффеи, Л. (1988). «Спонтанная импульсная активность ганглиозных клеток сетчатки крысы в ​​пренатальном периоде». Наука. 242.
  3. ^ Шац, C.J. (1996). «Возникновение порядка в развитии зрительной системы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 93: 602–608. Дои:10.1073 / пнас.93.2.602.
  4. ^ а б c d е ж Вонг, Р.О.Л. (1999). «Волны сетчатки и развитие зрительной системы». Ежегодный обзор нейробиологии. 22.
  5. ^ Сернагор, Э .; Мехта, В. (2001). «Роль ранней нейронной активности в созревании туртальной функции сетчатки». Журнал анатомии. 199.
  6. ^ Вонг, Р.О.Л. (1999). «Волны на сетчатке: разжигание бури». Нейрон. 24 (3): 493–495. Дои:10.1016 / s0896-6273 (00) 81102-2.
  7. ^ а б 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
  8. ^ Ферт, S.I .; Wang, C.T .; Феллер, М. (2005). «Волны сетчатки: механизмы и функции в развитии зрительной системы». Клеточный кальций. 37 (5).
  9. ^ а б c d е ж грамм час Феллер, М. (2009). «Волны на сетчатке, вероятно, будут указывать на формирование специфичных для глаза ретиногеникулятов». Нейронное развитие. 4: 24. Дои:10.1186/1749-8104-4-24. ЧВК  2706239. PMID  19580682.
  10. ^ а б c d е ж грамм час Чалупа, Л.М. (2009). «Волны на сетчатке вряд ли будут указывать на формирование специфичных для глаза ретиногенетических проекций». Нейронное развитие. 4: 25. Дои:10.1186/1749-8104-4-25. ЧВК  2706240. PMID  19580684.

дальнейшее чтение

  • Феллер, М.; Wellis, D. P .; Stellwagen, D .; Werblin, F. S .; Шац, К. Дж. (1996). «Необходимость холинергической синаптической передачи при распространении спонтанных ретинальных волн». Наука. 272 (5265): 1182–1187. Дои:10.1126 / science.272.5265.1182. PMID  8638165.
  • Вонг, Рэйчел О. Л. (1999). «Волны сетчатки и развитие зрительной системы». Ежегодный обзор нейробиологии. 22: 29–47. Дои:10.1146 / annurev.neuro.22.1.29. PMID  10202531.