СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2009, том 23, № 4, с. 283-292
== ОБЗОР
УДК 612.84
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕЙРОНОВ СЕТЧАТКИ
© 2009 г. Е.М. Максимова
Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН 127994 Москва, Б. Каретный пер., 19 E-mail:maximova@iitp.ru
Поступила в редакцию 18.06.2009 г.
В сетчатке позвоночных животных существует 10-15 типов ганглиозных клеток, обрабатывающих параллельно (каждый тип по-своему) зрительное изображение на поле рецепторов и посылающих свои выходные сигналы в разные первичные зрительные центры мозга. Дендриты каждого типа ганглиозных клеток, как кафелем, покрывают всю площадь сетчатки на разных уровнях внутреннего синаптического слоя, где они получают входные сигналы от разных типов интернейронов. Характер обработки изображения определяется специфическими синаптическими связями. В процессе морфогенеза клетки узнают друг друга, устанавливают контакты и распределяют "территории обслуживания" при помощи мембранных адгезивных молекул из надсемейства иммуноглобулинов. Витальные молекулярно-генетические методы маркирования позволяют установить соответствие морфологических и физиологических свойств нейронов и увидеть процесс формирования этих свойств. Обнаружен новый тип быстрых off дирекционально избирательных ганглиозных клеток, экспрессирующих Jam-B. Медленные дирекционально избирательные ганглиоз-ные клетки, реагирующие на движение стимула снизу вверх в поле зрения, маркируются белком SPIG1.
Ключевые слова: сетчатка, ганглиозные клетки, дендриты, дирекциональная избирательность, адгезивные молекулы: Dscam, Dscam-L, Sidekick-1, Sidekick-2, Dasm, Jam-B, SPIG1.
Все рецепторное поле сетчатки разделено на области обслуживания отдельными гангли-озными клетками (ГК) - рецептивные поля ГК (Masland, 2001). В сетчатке позвоночных существует полтора десятка типов ГК, различающихся по физиологическим, морфологическим и биохимическим свойствам (Marc, Jones, 2002; Rockhill et al., 2002; Sun et al., 2006; Kong et al., 2005). ГК каждого типа осуществляют свою специфическую обработку исходного зрительного изображения на поле рецепторов. Результат этой обработки - свои выходные сигналы - ГК посылают по аксонам в соответствующие первичные зрительные центры мозга: зрительные покрышки (tectum opticum), или верхние бугорки четверохолмия у млекопитающих, коленчатые тела, ядра добавочной зрительной системы (ДЗС), супрахиазмати-ческое ядро и др. Обобщая разные физиологические классификации ГК, разработанные разными авторами на сетчатках разных животных, можно выделить обычные ГК с концентрической организацией рецептивного поля и необычные, такие как дирекционально избирательные ганглиозные
клетки (ДИ ГК), детекторы пятна (или детекторы локальной границы), детекторы ориентированных линий (Masland, Martin, 2001). Характер обработки зрительного изображения, осуществляемый ГК, определяется ее специфическими связями с полем фоторецепторов через интернейроны - би-поляры и амакриновые клетки. Дендритные ветвления ганглиозных клеток каждого типа полностью, мозаично, как кафелем, покрывают все поле зрения. Мозаичное покрытие (tiling) гарантирует, что каждая область сетчатки и тем самым каждая область поля зрения будет покрыта (обычно единожды) дендритами каждого типа ГК (Wässle et al.1981; Rockhill et al., 2000; Jan, Jan, 2001).
Уже на уровне наружного синаптического слоя происходит разделение нервных потоков (цепей) на on- и off- пути, обрабатывающие увеличение и уменьшение яркости. Это разделение сохраняется во внутреннем синаптическом слое (ВСС), где аксоны off- и on- биполяров оканчиваются в разных горизонтах, так называемых подпластинах a и b (Famiglietti, Kolb, 1976, Famiglietti, 1992). Там различают по крайней мере десять страт -
параллельных уровней ветвления отростков интернейронов разных популяций - биполяров и дофаминэргических, глицинэргических, ацетил-холинэргических, ГАМКэргических и других амакриновых клеток. Дендриты ГК ветвятся и образуют синапсы в одной или нескольких стратах. Эти стратоспецифические связи и определяют, на какие свойства зрительных стимулов реагируют разные типы ГК. Можно сказать, что форма дендрита определяет физиологию клетки.
Формирование страт ВСС в развитии и роль адгезивных молекул в этом процессе
Расположение клеточных тел по слоям, их плотность, характер ветвления отростков, взаиморасположение дендритов клеток одной популяции (мозаика дендритных полей), и отростков клеток разных типов (ко стратификация и кофасцикуля-ция) устанавливается в разные периоды онтогенеза сетчатки. Общее количество ветвей дендрита, количество и свойства его ветвлений, длину, уровень стратификации, а также величину дендритного поля определяют в процессе морфогенеза многочисленные факторы: транскрипционные регуляторы, регуляторные мембранные механизмы, цитоскелетные или mRNA связанные белки, многие поверхностные молекулы и внутриклеточные сигнальные механизмы (Shi et al., 2004; Gao, 2007).
На ранних этапах развития сетчатки дендриты ГК ветвятся диффузно по всей толще ВСС и только позже, постнатально происходит их окончательное формирование. Показано, что для созревания on/off дендритного расслоения ГК необходим афферентный нервный приток от би-поляров и амакриновых клеток (Bodnarenko, Chalupa,1993). Считалось, что стратификация де-ндритов ГК происходит главным образом за счет удаления лишних, не получивших возбуждающих афферентных входов, отростков диффузных дендритных древес. (Bisti et al., 1998; Xu, Tian, 2004; Coombs et al., 2007). Как биполяры, так и ацетил-холинэргические амакрины могут предлагать ламинарные сигналы для созревания дендритов ГК (Zhou, 2001). На сетчатках хорька, мыши, хомячка показано, что спонтанные волны активности, возникающие в амакриновых звездчатых ацетилхо-линэргических клетках, в раннем постнатальном периоде развития сетчатки синхронизованы с периодом активного движения филоподий (возникновения и элиминации) дендритов ГК. Возможно, эти волны являются причиной, вызывающей этот процесс (Wong, 1999). Движение филоподий де-ндритов повышает вероятность их встречи с аксонами клеток предыдущих этажей и установле-
нии синаптических контактов. Ацетилхолиновые волны вызывают синхронное срабатывание ганг-лиозных клеток в одном глазу, и разновременное в разных глазах, что важно для формирования структуры следующих этажей зрительной системы (Wiesel, Hubel, 1963; Demas et al., 2003; Firth et al., 2005; Guido, 2008). Показано, что установление ламинарно- и колончато- специфических ретинотектальных связей у мыши происходит в результате уточнения структуры аксональных терминалей, за счет удаления (втягивания) некоторых из них, с четвертого по десятый постна-тальные дни до открытия глаз, как раз в период возникновения спонтанных АХ волн в сетчатке (Wong et al., 1998).
На генетически модифицированной мыши, селективно экспрессирующей зеленый флуоресцирующий белок (GFP) в целой популяции фази-ческих off-альфа ГК, соотнесены их мозаичное расположение, дендритная анатомия и электрические реакции с полной картой их аксональных проекций в мозг. Показано, что клетки этого типа проецируются в верхние бугорки четверохолмия и (их колатерали) в дорзальное латеральное коленчатое тело, причем аксональные терминали ламинарно ограничены на определенной глубине в каждом из этих ядер-мишеней. Аксональные терминали фазических off-альфа ГК в верхних бугорках организованы в колонки. И ламинарное и колончатое расположение развиваются как ак-сональные уточнения. При устранении ацетилхо-линовых волн в сетчатке ламинарная специфика связей в верхних бугорках и ДКТ не нарушается, но не происходит образования колонок. Таким образом показано, что спонтанная активность в сетчатке способствует сегрегации аксонов ГК одного типа на генетически определенной сенсорной карте. (Huberman et al., 2008; Liets et al., 2003).
После открытия глаз зрительный опыт ремо-делирует и консолидирует нервные сетчаточные циклы до взрослого зрелого состояния. Некоторые системы нейромедиаторов, такие как глута-мат- , ацетилхолин- , ГАМК- и глицинэргические действуют порознь и совместно, изменяя и уточняя дендритную структуру ГК.
Другим важным механизмом установления точных нейронных связей является прицельное нахождение своего положения аксонами и дендри-тами в определенных синаптических пластинах-адресное прорастание. Покадровая съемка (time lapse) отдельных ГК in vivo, визуализированных (GFP) в сетчатке мальков данио последовательно в разные дни показала, что дендриты мультистра-тифицированных ГК генерируют кроны последо-
вательно, обычно в направлении от внутренней к наружной сетчатке, причем каждое деревце точно разрастается на своем уровне ВСС. Одновременная визуализация ГК и субпопуляции пресинап-тических амакриновых интернейронов показали, что, по-видимому, дендриты ГК находят уже сформированные ранее плексусы амакринов (Jeff et al., 2006).
На 5-дневной рыбке данио в ВСС сетчатки существует девять страт, где устанавливают синап-тические контакты аксоны биполяров, отростки амакриновых и дендриты ГК. В тектуме четыре пластины аксональных окончаний ГК буквально "упираются" в страты нейритов клеток собственно тектума. Ни устранение световой стимуляции путем выращивания в темноте, ни уменьшение активности сетчатки за счет отключения on-кана-ла при помощи APB не влияло ни на организацию страт во ВСС, ни в тектуме (Nevin et al., 2008; Ott et al., 2007).
Бесценную информацию о созревании сетчатки представили опыты по трансгенному маркированию индивидуальных клеточных адгезивных молекул. Адгезивные молекулы относятся к надсе-мейству иммуноглобулинов - белковых молекул, находящихся на поверхности мембраны клеток, или трансмембранно. В своей структуре они имеют иммунодомен (один или несколько). Они экс-прессируются в определенные периоды развития и (наряду с другими факторами) играют большую роль в эмбриогенезе, регулируя расположение клеточных тел, отношения соседних дендритных ветвлений и аксонов нейронов одной популяции и разных популяций, в установлении синаптиче-ских контактов, морфогенезе шипиков и сина
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.