Ретинальные волны

Ретинальные волны — это спонтанные всплески потенциалов действия , которые волнообразно распространяются по развивающейся сетчатке . Эти волны возникают до созревания палочек и колбочек и до того, как зрение появляется . Сигналы волн сетчатки управляют активностью дорсально- 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 обучают формированию путей ретиногенегуляции, в то время как другие утверждают, что эта активность необходима, но не обучает формированию путей ретиногенегуляции.

Открытие

Одним из первых ученых, выдвинувших теорию о существовании спонтанных каскадов электрической активности во время развития сетчатки, был вычислительный нейробиолог Дэвид Дж. Уиллшоу. Он предположил, что соседние клетки генерируют электрическую активность в виде волнообразного образования через слои взаимосвязанных пресинаптических и постсинаптических клеток. Считается, что активность, распространяющаяся через тесный участок пре- и постсинаптических клеток, приводит к более сильной электрической активности по сравнению с пре- и постсинаптическими клетками, которые находятся дальше друг от друга, что приводит к более слабой активности. Уилшоу считал, что эта разница в силе стрельбы и расположении ячеек отвечает за определение границ деятельности. Считается, что латеральное движение импульса от соседней клетки к соседней клетке, начинающееся в одной случайной области клеток и распространяющееся как по пре-, так и по постсинаптическому слоям, отвечает за формирование ретинотопической карты. Чтобы смоделировать каскад электрической активности, Уилшоу написал компьютерную программу, демонстрирующую движение электрической активности между пре- и постсинаптическим слоями клеток. То, что Уилшоу назвал «спонтанной структурированной электрической активностью», сегодня называют «волнами сетчатки».

Основываясь на этой чисто теоретической концепции, итальянские учёные Люсия Галли и Ламберто Маффеи использовали модели животных для наблюдения за электрической активностью в ганглиозных клетках 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 днями эмбрионального развития, чтобы записать электрическую активность. Для этого исследования было использовано несколько изолированных одиночных клеток. Записи показали, что активность клеток катализируется ганглиозными клетками. Галли и Маффеи предположили, что электрическая активность, наблюдаемая в ганглиозных клетках сетчатки, может быть ответственна за формирование синаптических связей сетчатки и за проекцию ганглиозных клеток сетчатки на верхние холмики и латеральное коленчатое ядро ​​(LGN).

Когда идея о волнах сетчатки утвердилась, нейробиолог Карла Шац использовала визуализацию кальция и запись на микроэлектродах, чтобы визуализировать движение потенциалов действия в волнообразном образовании. Дополнительную информацию о визуализации кальция и записи микроэлектродов см. в разделе ниже. Визуализация кальция показала, что ганглиозные клетки инициируют формирование волн сетчатки вместе с соседними амакриновыми клетками , которые принимают участие в движении электрической активности. Также считалось, что записи на микроэлектродах показывают, что нейроны LGN управляются волнообразным образованием электрической активности в соседних ганглиозных клетках сетчатки. На основании этих результатов было высказано предположение, что волны электрической активности отвечают за структуру пространственно-временной активности, а также играют роль в формировании зрительной системы во время внутриутробного развития.

Рэйчел Вонг — еще один исследователь, занимающийся изучением волн сетчатки. Вонг предположил, что электрическая активность внутри сетчатки участвует в организации проекций сетчатки во время пренатального развития. Более конкретно, электрическая активность может быть ответственна 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 возможность расшифровать сигналы, кодируемые волнами сетчатки, может позволить ученым лучше понять, как волны сетчатки играют роль в развитии сетчатки.

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 отвечают за кодирование информации, которая будет использоваться при формировании пространственно-временных паттернов, позволяющих путям сетчатки стать более точными. Используя черепах для проверки этой концепции, Сернагор использовал визуализацию кальция, чтобы наблюдать за изменением волн сетчатки на различных стадиях развития сетчатки. Согласно исследованию, на самых первых стадиях развития волны в сетчатке возникают быстро и неоднократно, вызывая то, что считается большой волной потенциалов действия по сетчатке. Однако по мере того, как черепаха приближается к завершению развития, волны сетчатки постепенно перестают распространяться и вместо этого превращаются в неподвижные скопления ганглиозных клеток сетчатки. Считается, что это результат изменения ГАМК от возбуждающего к тормозящему в ходе непрерывного развития сетчатки. Является ли изменение формирования волн сетчатки во время развития уникальным для черепах, до сих пор в значительной степени неизвестно.

Наблюдение волн в других системах

Спонтанная генерация и распространение волн наблюдается и в других развивающихся схемах. Подобная синхронизированная спонтанная активность на ранних стадиях развития наблюдалась в нейронах гиппокампа , спинного мозга и слуховых ядер. Паттернированная активность, формирующая нейрональные связи, и контроль синаптической эффективности во многих системах, включая сетчатку, важны для понимания взаимодействия между пресинаптическими и постсинаптическими клетками, которые создают точные связи, необходимые для функционирования нервной системы.

Разработка

Во время развития важна связь через синапс между амакриновыми клетками и другими интернейронами сетчатки, а также ганглиозными клетками , которые действуют как субстрат для волн сетчатки. Выделяют три стадии развития, характеризующие волновую активность сетчатки млекопитающих. До рождения волны опосредованы несинаптическими токами, волны в период от рождения до 10 дней после рождения опосредованы нейротрансмиттером ацетилхолином , действующим на никотиновые ацетилхолиновые рецепторы , а волны в третий период - с 10 дней после рождения до 2 недели опосредуются ионотропными рецепторами глутамата .

Химические синапсы во время периода холинергических волн включают звездчатые амакриновые клетки (SAC), выделяющие ацетилхолин на другие SAC, которые затем распространяют волны. В этот период производство холинергических волн превышает производство волн через щелевые контакты , сигналы из которых значительно снижены. Эта передача сигналов происходит до того, как биполярные клетки образуют соединения во внутреннем плексиформном слое . Считается, что SAC являются источником волн сетчатки, поскольку наблюдаются спонтанные деполяризации без синаптического возбуждения.

Холинергическая волновая активность со временем угасает, и высвобождение глутамата в биполярных клетках порождает волны. Биполярные клетки дифференцируются позже, чем амакриновые и ганглиозные клетки, что может быть причиной такого изменения волнового поведения. Переход от холинергической медиации к глутаматергической медиации происходит, когда биполярные клетки устанавливают свои первые синаптические связи с ганглиозными клетками. Глутамат, нейромедиатор, содержащийся в биполярных клетках, генерирует спонтанную активность в ганглиозных клетках. Волны все еще присутствуют после того, как биполярные клетки устанавливают синаптическую связь с амакриновыми и ганглиозными клетками.

Дополнительная активность, связанная с волнами сетчатки, включает следующее. У некоторых видов ГАМК , по-видимому, играет роль в частоте и продолжительности всплесков в ганглиозных клетках. Взаимодействия в клетках различаются у разных испытуемых и на разных уровнях зрелости, особенно сложные взаимодействия, опосредованные амакриновыми клетками. Активность, распространяющаяся через щелевые контакты, наблюдалась не у всех испытуемых; например, исследования показали, что ганглиозные клетки сетчатки хорька не связаны. Другие исследования показали, что внеклеточные возбуждающие агенты, такие как калий, могут играть важную роль в распространении волн. Исследования показывают, что синаптические сети амакриновых и ганглиозных клеток необходимы для производства волн. В общих чертах, волны производятся и продолжаются в течение относительно длительного периода развития, в течение которого добавляются новые клеточные компоненты сетчатки и синапсов. Разнообразие механизмов ретинальных волн обусловливает разнообразие связей между клетками и созревание процессов в сетчатке.

Характер активности волн

Волны генерируются случайным образом, но ограничены в пространстве из-за рефрактерного периода в клетках после возникновения всплесков потенциалов действия. После того как волна распространилась в одном месте, она не может распространяться в том же месте снова. Рефрактерные области, вызванные волнами, длятся от 40 до 60 секунд. Исследования показывают, что каждая область сетчатки имеет равную вероятность генерации и распространения волны. Рефрактерный период также определяет скорость (расстояние между волновыми фронтами в единицу времени) и периодичность (средний интервал времени между вызванными волной кальциевыми транзиентами или деполяризациями, регистрируемыми в конкретном нейроне слоя ганглиозных клеток).Плотность рефрактерных клеток соответствует скорости распространения волн сетчатки; например, если количество или плотность тугоплавких ячеек мало, скорость распространения будет высокой.

Экспериментальные процедуры

Визуализация волн

Двумя основными методами визуализации волн сетчатки являются использование визуализации кальция и многоэлектродной матрицы . Визуализация кальция позволяет анализировать волновую картину на большой площади сетчатки (больше, чем при многоэлектродной регистрации). Визуализация как таковая позволила исследователям исследовать пространственно-временные свойства волн, а также волновой механизм и функции в развитии.

Разрушающие волны

В настоящее время для разрушения волн сетчатки используются три основных метода: внутриглазная инъекция фармакологических веществ, которые изменяют структуру волн, использование иммунотоксинов, уничтожающих определенные классы амакриновых клеток, или использование нокаутных линий мышей, которые изменили структуру спонтанных импульсов. Существует несколько фармакологических средств, которые можно использовать для нарушения активности сетчатки. Тетродотоксин (ТТХ) можно вводить вблизи зрительного тракта, чтобы блокировать входящую активность сетчатки в дополнение к исходящей активности латеральных коленчатых нейронов. Внутриглазные инъекции эпибатидина , холинергического агониста, можно использовать для блокировки спонтанного возбуждения половины всех ганглиозных клеток сетчатки и вызвать некоррелированное возбуждение в оставшейся половине. Эффекты фармакологических агентов на активность ганглиозных клеток сетчатки наблюдают с помощью МЭА или визуализации кальция.Иммунотоксины можно использовать для воздействия на амакриновые клетки звездообразования. Звездчатые амакриновые клетки представляют собой интернейроны сетчатки, ответственные за холинергические волны сетчатки. Третий метод заключается в использовании нокаутных мышей с измененными схемами спонтанной стрельбы. Наиболее распространенной линией мышей для этого метода является нокаут субъединицы бета-2 никотинового ацетилхолинового рецептора (β2-nAChR-KO). У мышей β2-nAChR-KO наблюдалось снижение специфической для глаз уточнения ретинотопов, аналогичное инъекциям эпитбатидина, а также отсутствие коррелированных волн, как наблюдалось при визуализации кальция и записи MEA.

Спорная роль в развитии нейронов

В настоящее время все еще существует много споров о том, играют ли волны сетчатки «инструктивную» или «разрешающую» роль в формировании специфичных для глаза проекций на пути ретиногенегуляции. Инъекции фармакологических средств препятствуют образованию специфичных для глаз ретиногенекулятных входов, что указывает на определенную роль в формировании ретинальных волн. Было обнаружено, что у мышей β2-nAChR-KO изменены паттерны спонтанной активации. Важно отметить, что хотя эксперименты, проведенные на сегодняшний день в нокаутирующих линиях, помогли объяснить некоторые вещи о волнах сетчатки, только эксперименты, проведенные in vivo при нормальной температуре тела и в нормальной химической среде, могут действительно определить, какова истинная картина возбуждения. находится в нокауте животных.

Поучительный аргумент

Установлено, что волновая активность сетчатки совпадает с периодом формирования специфичных для глаза проекций ретиногеникулята. Это временное совпадение было бы необходимо для причинно-следственной связи. Инъекции ТТХ плодам кошек предотвращали образование специфичных для глаза проекций ретиногенекулята, что указывает на то, что активность нейронов необходима для формирования специфичных для глаза слоев. После лечения эпибатидином отсутствие коррелированного возбуждения в оставшейся половине ганглиозных клеток сетчатки, несмотря на сильное возбуждение, а также отсутствие формирования специфического для глаза слоя можно рассматривать как доказательство того, что волны играют обучающую роль. Наблюдение за кальциевой визуализацией после использования иммунотоксина показало, что некоторое коррелированное возбуждение все еще оставалось, тогда как запись с фиксированным напряжением показала значительное снижение коррелированного возбуждения. Оставшееся коррелированное возбуждение могло бы объяснить обнаруженное образование специфичных для глаз проекций ретиногеникулята. Использование визуализации кальция и регистрации MEA показало, что эти клетки не имеют коррелированного возбуждения. Вместо этого наблюдалось снижение скорости возбуждения, а деполяризация в одной клетке, по-видимому, подавляла окружающие клетки. Измененный характер активации у мышей β2-nAChR-KO также является спорным, поскольку были некоторые доказательства того, что коррелированная активация все еще происходит у нокаутных мышей, как подробно описано в следующем разделе.

Разрешительный аргумент

Волны на сетчатке были обнаружены при формировании специфичных для глаз путей ретиногенегуляции; однако важно отметить, что у всех изученных на сегодняшний день видов волны на сетчатке начинаются до и продолжаются после формирования этих специфичных для глаза путей. Также отмечено, что у некоторых видов, у которых зарегистрировано пересечение волн сетчатки, проекции пересекаются. Это предполагает, что волны сетчатки могут присутствовать и не играть поучительной роли в входных сигналах, специфичных для глаз. При рассмотрении данных об использовании фармакологических веществ для блокирования активности сетчатки необходимо учитывать несколько вопросов. Во-первых, долгосрочные эффекты лечения ТТХ неизвестны, поскольку пока невозможно отслеживать активность сетчатки в течение длительного времени у интактного животного. Обнаружение того, что длительная инъекция ТТХ не ингибировала, а вместо этого просто задерживала формирование специфического для глаза слоя, может быть объяснено снижением воздействия ТТХ на активность сетчатки при более длительной продолжительности. Это подтверждает аргумент о том, что блокирование всей активности сетчатки предотвращает образование специфичных для глаза проекций, которые еще предстоит определить. Кроме того, поскольку обработка иммунотоксином, направленная на уничтожение звездчатых амакриновых клеток, не показывает различий в формировании специфичных для глаз проекций ретиногенекулята, в то время как обработка эпибатидином делает это, можно предположить, что для формирования специфического для глаза слоя важна некоторая активность сетчатки, но не активность сетчатки. волны. Одно исследование показало, что мыши β2-nAChR-KO все еще имеют устойчивую волновую активность сетчатки, в отличие от ранее сообщавшихся; однако они обнаружили, что волны на сетчатке распространялись с использованием щелевых контактов в линии нокаута, а не с помощью холинергической передачи, которую демонстрируют мыши дикого типа.

Дальнейшее чтение

• Феллер, МБ ; Уэллис, ДП; Стеллваген, Д.; Верблин, ФС; Шац, CJ (1996). «Требование к холинергической синаптической передаче при распространении спонтанных волн сетчатки». Наука . 272 (5265): 1182–1187. Бибкод : 1996Sci...272.1182F . дои : 10.1126/science.272.5265.1182 . ПМИД   8638165 . S2CID   11295283 .
• Вонг, Рэйчел О.Л. (1999). «Волны сетчатки и развитие зрительной системы». Ежегодный обзор неврологии . 22 : 29–47. дои : 10.1146/annurev.neuro.22.1.29 . ПМИД   10202531 .