Участник:Миг/Микроскопия и фоторецепторы сетчатки

Рис. 19 Фигура «синей» колбочки сетчатки примата при электронной микроскопии и её связи с ячейками ганглиозного слоя сетчатки.

Микроскопия сетчатки — исследования сетчатки и её сечений с целью определения её структуры на макро- и микроуровнях, вплоть до молекулярного. Микроскопия проводится в комплексе с гистологическим и генетическим анализом структурных элементов; определеним взаимосвязей нервных клеток, фоторецепторов сетчатки, изучением мозаики блоков фоторецепторов (рентгеноская и флюоресцентная микроскопия клеток с разрешающей способностью менее 1-10 нм). Исследование связано с появляющейся в настоящее время возможностью создания атласа связей всех типов нервных клеток сетчатки и отделов головного мозга (см. коннектомика и Human Connectome Project), на основании микроскопии препаратов лабораторных животных (кроликов, голубей, черепах, крыс и др.).

История

В истории остались многие наивные теории цветового зрения — концепции, объясняющие способность человека различать цвета, основанные на наблюдаемых фактах, предсказательная сила которых была невелика. Даже гениальные предположения учёных прошлого были в основном умозрительны, так как естественные науки прошлого не обладали необходимым инструментарием; не был сформирован понятийный аппарат, невозможно было провести многие критически важные эксперименты. Бурное развитие естественных наук можно отнести к ХIХ веку, когда специалисты в области биологии, химии и физики сделали огромный прорыв в естественных науках.

Рентгеноскопия сетчатки приматов в лаборатории Р.Марка

Роберт Марк (R.E.Marc) Директор исследовательского центра Глаза Moran; Профессор Офтальмологии, Медицинский университет в штате Юта; Профессор неврологии, Университет Техаса / Хьюстон.

Проведенная Р.Марком ещё в 1966 году рентгеноскопия (см. рис.1) подтверждает ранее сформулированные гипотезы о работе сетчатки, где заложены фоторецепторы колбочки, которые воспринимают, трансдукцируют основные сигналы оптического изображения перед передачей их в высшие зрительные отделы (нейронные) головного мозга. Данная информация позволяет подтвердить основные положения трёхкомпонентной теории цветного зрения (которая во многом противоречит нелинейной модели цветного зрения С. Ременко).

В настоящее время уже вообще не стоит вопрос о невозможности восприятии цвета в сетчатке блоками из трёх типов колбочек (R.Marc, 2009)., Группа учёных Лаборатории Марка уже работают над созданием атласа основных нервных клеток сетчатки и отделов головного мозга, на основании микроскопии их у кроликов и крыс. При этом используется разработанная мощная программа обработки данных современных микроскопов и компьютерных систем. При этом открывается возможность визуально анализировать работу здоровых и больных клеток с целью лечения целого ряда болезней (слепота, дальтонизм и др.). ,.

Рис.1 Структура сетчатки глаза (у приматов). (R.E.Marc, 2009, )

Что важно, на фотоснимке рентгеноскопии одного из срезов сетчатки видно, что основные фоторецепторы колбочки и палочки в процессе формирования оптического изображения работают независимо. Так, что весьма принципиально, «синяя» колбочка при дневном зрении воспринимает диапазон синих лучей под присмотром фоторецепторов ipRGC (это лишний раз доказывает наличие колбочек, воспринимающих коротковолновые лучи S)[Комментарий необходимый]. Например, сильные сигналы ультрафиолетовых, синих лучей под действием ipRGC и мозга закрывают вообще ресницами глаза глаз от их попадания во внутрь (скорость реакции 1/2000сек) и имеются другие функции у них, связанные с трансдукцией синего сигнала.

Флюоресцентная наноскопия сетчатки глаза птиц

На основании срезов сетчатки (слои сечений толщиной 10мкм) были получены данные гистологического исследования сечений колбочек, палочек и сетчатки птичьего глаза. Их исследование проводилось с помощью лабораторного флюоресцентного наноскопа, на цветных стереофотографиях.

На рис. 1 показаны:

• (A) — липофильные капельки окрашены приблизительно, в соответствии с их видом в проходящем свете. Палочки и дополнительный член двойных колбочек испытывают недостаток в липидных капельках.
• (A) — окрашенное гематоксилин-эозином сечение сетчатки цыпленка показана справа. Рисунок основан на описаниях палочек и колбочек у птиц в плоскости среза Ramуn y Cajal.RPE относится к сетчатке глаза эпителия пигмента; ONL — внешний ядерный слой; INL — внутренний ядерный слой; GCL — слой клетки нервного узла.
• (B) — изображение в проходящем свете en:flatmounted P15 (номер рассматриваемых сечений сетчатки) стороны колбочек в сетчатке цыпленка. Рассматривался в срезах с шагом 10мкм, с помощью флюоресцентного микроскопа. Наноскоп — лабораторная оптическая система для получения увеличенных изображений малых объектов с разрешающей способностью 1-10нм, с использованием различного характера свечения малых структурных элементов объекта под действием возбуждающего лазерного облучения. Микроскоп используется для исследования частиц, живых клеток, вплоть до молекул, с выдачей оцифрованных цветных в 3D пространстве стереизображений на экран монитора.
• (С) — Свечение синим цветом у колбочек, вызванное действием ультрафиолетовых лучей (327 нм); коротковолновая флюоресценция.
• (D) — Свечение зелёным цветом, вид колбочек под действием синего света (460—490 нм).
• (E) — Свечение красным цветом, вид колбочек под действием зелёного света (529—550 нм) .
• (G) — Переведенные в цифровую форму версии области, показанные на фото (B).

Дополнительно зеленые колбочки и двойные колбочки также флюоресцируют при освещении их синим светом. Только красные колбочки флюоресцируют под действием зеленого луча.

• (F) — Таблица, суммирующая появление липофильных капелек у цыпленка, в проходящем свете, и флуоресцентное освещение.

Рис.1 Жировые капельки определяют классификацию фоторецепторов колбочек цыпленка.

Открытие фоторецептора ipRGC

Схема слоёв поперечного сечения сетчатки глаза. Область слоя ганглиозных клеток содержит клетки нейронной сети сетчатки, фоторецепторы ipRGC

В 2007 году было обнаружено, что в области сетчатки, где расположены ганглионарные нейроны, залегающие в глубине сетчатки, расположен особый тип нервных клеток, ipRGC. Эти клетки функционально связанны с палочками, колбочками и мозгом, они частично обуславливают реакцию на воздействие коротковолновой части спектра (460-484 нм), непосредственно не лежащие в фокальной поверхности колбочек и палочек (см. рис.2, 4), которые рефлекторно связанны прямой и обратной связью с палочками и колбочками, и сквозь слой нервных волокон, с мозгом. Потому свет, прежде чем попасть на светочувствительные элементы, палочки и колбочки, должен пройти через слой ганглиозных нейронов ipRGC, которые одновременно являются дополнительным светофильтром, отсекающим губительное для тканей и рецепторов проникновение ультрафиолетовых лучей из УФ области спектра. Пигмент меланопсин, чувствительный к фиолетово-синему участку спектра, благодаря связям с колбочками, палочками и мозгом, через фоторецепторы ipRGC участвует в работе колбочек и палочек, и в восприятии лучей S, а также в случае прямого попадания солнечных лучей и лучей электродуговой сварки в глаз мгновенным закрыванием ресниц, а также подавлением функции восприятия фиолетово-синих лучей мембраной колбочек и палочек в оппонентном отборе сине-жёлтого участка спектра.

Рецепторный уровень фототрансдукции нервных сигналов

Принципиальная схема организации цветного зрения (на примере сетчатки цыплёнка).
А. Фоторецептор-колбочка. Свет проходит сквозь хрусталика и до пигментов колбочки расположенных на её «дне».
Б.1-Б.4 У птиц обычно четыре типа колбочек (они «тетрахроматы»), что позволяют им синтезировать многоцветное изображение, и различать цвета лучше, чем человек. Обработка полученных разностных сигналов, происходящая в нейронной сети сетчатки (десятки типов клеток) обеспечивает возможность ясного различения тысяч цветов и оттенков.

Реакции ганглиозных клеток отражают возбуждение нескольких сотен или ещё большего числа рецепторов. Не удивительно поэтому, что встречаются ганглиозные клетки, отвечающие на раздражение любого участка большой области сетчатки. Область, раздражение которой (в любом её участке) приводит к ответной реакции данной клетки, называют рецептивным полем клетки. Изучение пространственной и временной организации рецептивных полей ганглиозных клеток показывает, что значительная модификация нервных сигналов происходит уже в сетчатке, то есть до того, как сигнал будет передан в высшие отделы мозга .

На основании этого вытекает, что фоторецептор ipRGC рефлекторно участвуют в ощущении восприятия света и цвета.

Известно, что глазные среды имеют разные показатели преломления и среда с большими показателями преломления световые волны с меньшей длиной волны (с более высокрй частотой электромагнитных колебаний фотонов) преломляют сильнее. Это приводит к тому, что преломляющая способность оптической системы (сила) глаза «синих» лучей с длиной волны 450 нм. на 1,3Д (Диоптрии) больше, чем «красных» лучей с длиной волны 650 нм. Поэтому все лучи фокусируются на разной высоте главной оптической оси, т.е. как бы не на одной сферической фокальной поверхности сетчатки. На сетчатке лучи видимого спектра образуют резкое изображение не одно: синие, зелёные, красные лучи сфокусируются резко в трёх сферах сетчатки на разных высотах мембран сетчатки. (как бы в трёх фокальных поверхностях). Такое явление при фокусировании, зависящее от длины волны света называется хроматической аберрацией. Предполагалось, что и фоторецепторы, чувствительные к той или иной части видимого спектра, должны располагаться только на том участке сетчатки, где расположены наружные и внутренние сегменты мембран фоторецепторов — палочек и колбочек. Причём области фоторецепторов (мембрана) чувствительные к той или иной длине волны расположены на различной глубине (вдоль колбочки, в зоне мембраны = 50мкм). Однако, как показали исследования фоторецепторов сетчатки колбочек и палочек с применением флюоресцентной микроскопии живых ячеек получены новые данные, которые говорят о многокомпонентной структуре восприятия цвета рецепторами сетчатки. Объединённые в блоки колбочки образуют мозаичную структуру сетчатки, где в каждом блоке («ячейке») расположены колбочки, воспринимающие свои спектральные монолучи света, например, синий, зелёный, красный у человека (трихроматизм), у птиц (птенцов) — по четыре колбочки, (+ фиолетовый).

Также на основании опубликованных данных исследований профессора департамента офтальмологии функциональной нейроанатомии сетчатки R.E.Marcа (2009), то ещё в 1966 году при электронной, рентгеновской микроскопии сетчатки полученные данные «синих» колбочек приматов , что не совападает с данными С.Ременко на базе его исследований на модели глаза (колориметре), где вместо живых ячеек (колбочек и палочек) сетчатки использованы фототранзисторы и утверждается, что в сетчатке глаза в восприятии цвета участвуют блоки только из двух фоторецепторов «палочка+колбочка» (1975). Больше того, рентгеноскопия сетчатки глаза (см. фиг. ) ещё в 1966 R.E.Marcом показывает связи колбочек и палочек и фоторецепторов ipRGC, где палочки и колбочки работают независимо и просматривается трёхкомпонентая структура связей колбочек RGB и ячеек ганглиозого слоя.

При том, по мере удаления блоков от центра жёлтого пятна меняются расстояние между фоторецепторами и сами фоторецепторы. Например, на периферии (в зоне периферийного зрения) практически в группах одни палочки.

Также в результате флюоресценции жировых капелек колбочек, где проходят процессы формирования и накопления сигналов (цветов), посылаемых в мозг, то уже на этом этапе (в сетчатке) происходит оппонентгая обработка сигналов до поступления их в зрительные отделы (на нейронном уровне) головного мозга, а также определились разновидности колбочек, подтвердающих оппонентную многокомпонентную теорию цветного зрения. Например, у птиц — «четырехроматизм» (см. Цветное зрение у птиц), у человека и некоторых приматов «трихроматизм».

Рис. 10;Гистология колбочек и палочек цыпленка при флюоресцентной микроскопии

Данные иссдедования (2006 год) поставили на свои места целый ряд гипотез и предположений, противоречащих одна другой. При этом сформировано общее направление трёх и более компонентной теории цветного зрения — что существует процесс трех или более компонентного восприятия цвета на 2-х уровнях: на уровне низших отдедов зрительной системы — сетчатки совместно с клетками зрительной нервной системой головного мозга (принципы оппонентного цветового зрения), которые как позже выяснилось дополняют друг друга.

Рис.14a Спектры видимых лучей света и фоторецепторы

Рис.3a,Схема восприятия света и цвета в системе «трихроматик» у человека

Что касается хроматической аберрации в биологической зрительной системе глаза, то благодаря созданной природой переменной твёрдости хрусталика и роговицы, благодаря ретиномоторной реакции сетчатки и расположения фоторецепторов, например, колбочек с мембранной размерами диаметра 3-5мкм и высотой 50мкм, даёт возможность в трёхмерном пространстве сфокусироваться монохроматческим лучам света в нужном месте. При этом фокусировка каждого цвета в своей колбочке происходит в оптимальной зоне наименьшего кружка нерезкости (см. Участник:Миг/Цветное зрение, Острота зрения).

Проходящие через расположенные перед фоторецепторами капилляры лейкоциты, при просмотре в синем свете могут восприниматься как мелкие светлые движущиеся точки. Данное явление известно как энтопический феномен синего поля (или феномен Ширера)

Кроме фоторецепторных и ганглионарных нейронов в сетчатке присутствуют и биполярные нервные клетки, которые располагаясь между первыми и вторыми уровнями, осуществляют между собой контакты, а также имеющиеся горизонтальные и амакриновые клетки, которые осуществляют горизонтальные связи в сетчатке.

Между слоем ганглионарных клеток и слоем палочек и колбочек находятся два слоя сплетений нервных волокон со множеством синаптических контактов. Это наружный плексиформный (сплетеневидный) слой и внутренний плексиформный слой. В первом осуществляются контакты между палочками и колбочками посредством вертикально ориентированных биполярных клеток, во втором — сигнал переключается с биполярных на ганглионарные нейроны, а также на амакриновые клетки в вертикальном и горизонтальном направлении.

Таким образом, наружный нуклеарный слой сетчатки содержит тела фотосенсорных клеток колбочек и палочек (фокальная поверхность), внутренний нуклеарный слой содержит тела биполярных, горизонтальных и амакриновых клеток, а ганглионарный слой содержит фоточувствительные ячейки ipRGC — ганглионарные клетки, которые своими синапсами связаны с колбочками и палочками, а такжк с головным мозгом, которые при помощи обратной связи управляют колбочками и палочками. Также имеется небольшое количество перемещённых амакриновых клеток. Все слои сетчатки пронизаны радиальными глиальными клетками Мюллера.

Наружная пограничная мембрана образована из синаптических комплексов, расположенных между фоторецепторным и наружным ганглионарным слоями. Слой нервных волокон образован из аксонов ганглионарных клеток. Внутренняя пограничная мембрана образована из базальных мембран мюллеровских клеток, а также окончаний их отростков. Лишённые шванновских оболочек аксоны ганглионарных клеток, достигая внутренней границы сетчатки, поворачиваются под прямым углом и направляются к месту формирования зрительного нерва.

Каждая сетчатка у человека содержит около 6—7 млн колбочек и 110—125 млн палочек. Эти светочувствительные клетки распределены неравномерно. Центральная часть сетчатки содержит больше колбочек, периферическая содержит больше палочек. В центральной части пятна в области ямки колбочки имеют минимальные размеры (с диаметром около 2-3мкм) и мозаично упорядочены в виде компактных шестигранных блоков, но по мере центробежного удаления мозаика меняется в сторону увеличения зон блоков, в которых одноимённые колбочки, например, фиолетовые ( у птиц), строго по системе равномерного распределены и также по упорядоченой системе окружаются другими колбочками.

Выводы

Майкл Х.Роу, Нейробиология

В обзоре профессора, доктора философии, Университета Калифорнии, Прибрежной полосы Нейробиология Майкла Х. Роу, выдвинуто на первый план недавнее продвижение понимания трех аспектов видения цвета Trichromaticy en:Trichromacy у приматов (2002г):

• 1) поведенческое значение trichromacy,
• 2) развитие и генетика фотопигментов,
• 3) относящиеся к сетчатке глаза кругообороты, которые создают красно-зеленые и синие-желтые цветные каналы в зрительном нерве.

Большинство дневных позвоночных животных воспринимают видимую часть электромагнитного спектра в диапазоне длин волн между ~400 и ~650 нм. Естественные объекты этот диапазон длин волн не отражают их в равной пропорции, и таким образом свет в различных пунктах поперек изображения может измениться по спектральному составу так же как и интенсивность (не равномерно). Откуда, спектральное содержание естественных изображений является богатым источником информации о естественной окружающей среды обитания. Спектр чисто земных изображений может быть в виде двух основных компонентов:

• Один компонент — представляет цветной контраст между короткими и средними длинами длин волн спектра (S-M);
• Второй компонент — цветной контраст между средними и длинными частями длины волны спектра (M-L).

Для примата, чтобы извлечь и использовать эту информацию должна быть:

• 1) Соответственно выбрана видимая часть соответствующей области длины волны;
• 2) Морфология (схема) сетчатки глаза долхна приспосабливаться, воспринимать спектральную информацию и быть эффективно переданной в мозг.

Животные, приматы (включая человека), визуальные системы которых отвечают этим требованиям, наделены способностью воспринимать цвет — цветным зрением (см. Цветное зрение).

См. также

• Участник:Миг/Трёхкомпонентная теория цветного зрения
• Механизмы цветовосприятия у приматов
• Оппонентная теория цветного зрения
• Участник:Миг/Современный взгляд на световосприятие и цветное зрение

Примечания

1. перенаправление шаблон:цвета радуги