СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2015, том 29, № 1, с. 15-27
= ОБЗОРЫ
УЛК 612.84
ОРГАНИЗАЦИЯ ДИРЕКЦИОНАЛЬНОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ ГАНГЛИОЗНЫХ КЛЕТОК СЕТЧАТКИ. ОБЗОР
© 2015 г. Е. М. Максимова
Институт проблем передачи информации им. A.A. Харкевича РАН 127994 Москва, Б. Каретный пер., 19 E-mail: maximova@iitp.ru
Поступила в редакцию 16.10.2014 г.
Операция вычисления направления движения стимула в поле зрения выполняется впервые уже в сетчатке дирекционально избирательными ганглиозными клетками (ДИ ГК). Разнообразные зрительные стимулы (границы, пятна, полосы разной степени контраста), движущиеся в их рецептивном поле (РП) в предпочтительном направлении, вызывают бурную реакцию. На движение тех же стимулов в противоположном направлении ("0"-направление) клетки не реагируют, равно как и на включение-выключение общего освещения. Изучение этих загадочных клеток продолжается 50 лет. И только в последнее десятилетие благодаря достижениям генной инженерии, новейшим методам морфологических исследований и компьютеризации механизм дирекциональной избирательности окончательно разгадан (Borst, Euler, 2011; Vaney et al., 2012).
Ключевые слова: сетчатка, дирекционально избирательные ганглиозные клетки, звёздчатые амак-риновые клетки, биполяры, дендриты, рецептивное поле, синапсы, нейромедиаторы, развитие.
ДИРЕКЦИОНАЛЬНО ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ ГАНГЛИОЗНЫЕ КЛЕТКИ (ДИ ГК) СЕТЧАТКИ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
В сетчатке позвоночных описаны два класса ДИ ГК, так называемые "медленные" и "быстрые", работающие в разных диапазонах скоростей движений стимулов. "Быстрые" ДИ ГК проецируются в тектум оптикум (ТО) и латеральное коленчатое тело (ЛКТ), а "медленные" - в ядра добавочной зрительной системы (ДЗС). "Быстрые" ДИ ГК млекопитающих делятся на четыре типа по признаку предпочтения к одному из направлений движения стимула: темпороназальное, назотемпо-ральное, дорзовентральное и вентродорзальное (Barlow, Levick, 1965; Oyster, Barlow, 1967; Weng et al., 2005). Они относятся к on-off-типу, так как безразличны к знаку контраста стимула относительно фона. "Медленные" ДИ ГК (on-типа) выделяют три предпочтительных направления, соотносящиеся с плоскостями полукружных каналов (Barlow et al., 1964; Не, Masland, 1998; Vaney et al., 2001; Sun et al., 2006; Yonehara et al., 2008).
ДИГК СЕТЧАТКИ РЫБ
"Быстрые" ДИ ГК сетчатки рыб имеют ряд отличий от ДИ ГК млекопитающих. Они делят-
ся на две группы, чувствительные к знаку контраста стимула относительно фона, т.е. на on- и off-типы. В каждой группе есть ДИ ГК, реагирующие на одно из трех направлений движения стимула: темпороназальное, вентродорзальное и дорзовентральное, отстоящих друг от друга примерно на 120° (Maximov et al., 2005; Максимов и др., 2005). Таким образом, в сетчатке рыб шесть типов "быстрых" ДИ ГК, которые, как и ДИ ГК млекопитающих, тоже проецируются в ТО.
Наличие у рыб трех групп ДИ ГК, проецирующихся в ТО, выделяющих три (а не четыре, как у млекопитающих) предпочтительных направления, было показано независимым методом визуализации ионов кальция (Са2+ imaging) на мальках аквариумной рыбки семейства карпообразных Danio rerio (Nikolaou et al., 2012).
Данио в настоящее время - идеальный модельный объект нейрогенетики и нейрофизиологии (Fadoola, Dowling, 2008). Данио легко содержать, у него быстрое развитие. Малёк освобождается из икринки на третий день после оплодотворения. Он имеет хорошо развитые глаза и обладает целым рядом зрительно обусловленных поведенческих реакций, как то: положительный фототаксис, прослеживание, оптокинетический и оптомоторный рефлексы, пищевой рефлекс,
избегание (Portugués, Engert, 2012). Геном данио практически полностью проанализирован, что позволяет создавать трансгенные линии с заданными свойствами.
Благодаря тому, что малек совершенно прозрачен, можно использовать оптические методы регистрации его нервной активности, так называемый Са2+ imaging. Этот метод основывается на том, что при возбуждении нейрона при деполяризации через открывающиеся в мембране потенциал зависимые каналы из внеклеточной среды внутрь клетки входят ионы кальция. Изменение их внутриклеточной концентрации отслеживается при помощи потенциал зависимых красок или генетически встроенных индикаторов кальция (Arenkiel et al., 2009; Tianet al., 2009; Grienberger, Konnerth, 2012; Walker et al., 2013).
Картирование ретиналъных входов в ТО мальков Danio. В зародыш данио на стадии четырёх бластомеров в синаптофизин - главный белок стромы синаптических пузырьков, содержащих нейромедиатор, был встроен индикатор Са2+ (GcaMP3). Затем была произведена трансгенная линия данио, экспрессирующих результирующий зонд (SyGCaMP3) только в ганглиозных клетках сетчатки. Это позволило регистрировать зрительно вызванные изменения содержания кальция в терминалях аксонов ганглиозных клеток в ин-тактном мозге данио (Nikolaou et al., 2012).
Малька, обездвиженного гелем агарозы, в камере с прозрачными стенками помещали под микроскоп. Глаз стимулировали контрастными решетками, движущимися в 12 различных направлениях, и через прозрачные кости черепа под микроскопом в ТО измеряли свечение индикатора Са2+ методом двухфотонной регистрации (Nikolaou et al., 2012). Мощность свечения индикатора в единицу времени фиксировалась в каждом вокселе - единичном объеме (меньшем размера типичного пресинаптического бутона). Стратегия объективного трехмерного повоксельного анализа возбуждения в ТО позволила охарактеризовать функциональное состояние ретинальных входов в ТО и картировать эти входы независимо от морфологии терминалей аксонов ганглиозных клеток и тектального нейропиля. Было обнаружено, что Stratum fibrosum et griseum superficiale (SFGS), который содержит терминали большинства аксонов, приходящих в ТО, подразделяется на "пластины", содержащие либо дирекционально, либо ориен-тационно избирательные входы. Самая поверхностная и самая мощная пластина "высвечивается" при движении полос в каудоростральном направлении, глубже - пластина свечения при движении
стимулов сверху вниз и снизу вверх. Еще глубже высвечивались области, чувствительные к ориентации стимулов, вертикальной и горизонтальной (Nikolaou et al., 2012). Послойное разделение ретинальных входов в ТО мальков, выделяющих три предпочтительных направления движения стимулов и две предпочтительные ориентации, и их сравнительные мощности, соответствуют данным, полученным ранее методом экстраклеточной регистрации электрической активности аксональ-ных терминалей в ТО взрослых рыб (Jacobson, Gaze, 1964; Maximov et al., 2005; Максимов и др., 2005). Разделить ретинальные входы мальков на on- и off-типы не представлялось возможным, поскольку стимулами служили решетки.
Выделение трёх, а не четырёх предпочтительных направлений ДИ ГК сетчатки, проецирующимися в ТО, описано также у черепахи и японского перепела (Bowling, 1980; Uchiyama et al., 2000).
СТРОЕНИЕ ДЕНДРИТОВ ДИ ГК
Морфология классических ДИ ГК. Причину асимметрии реакции ДИ ГК в первую очередь пытались найти в предположительно асимметричной форме их дендритов, которая совместно с нелинейностью проведения по дендритам могла бы её обеспечить. Однако внутриклеточное окрашивание показало, что классические "быстрые" ДИ ГК, выделяющие разные направления движения стимулов, морфологически неотличимы друг от друга. Плоские кружевные кроны их дендритов имеют округлую форму и симметричны относительно тела клетки. Они ветвятся в двух стратах внутреннего синаптического слоя (ВСС), где костратифицированы с отростками on- и off-популяций звездчатых (starburst) амакриновых клеток (ЗАК). Дендриты "медленных" ДИ ГК, тоже симметричные относительно тела клетки, костратифицированы с одной из страт "быстрых" (Barlow et al., 1964; Famiglietti, 1992; He, Masland, 1998). У разных исследованных животных разных видов отмечено сходство строения крон ДИ ГК (Максимова и др., 2006; Максимова, 2008).
Участки веточек дендритов ДИ ГК разных типов кофасцикулированы между собой и с отростками ЗАК. Тщательная морфометрия дендритных ветвлений, подсчет первичных, вторичных и третичных отростков дендрита в разных участках дендритного поля не выявили никаких корреляций относительно предпочтительного и "0"-направления в рецептивном поле ДИ ГК (Kittila, Massey, 1997; Не et al., 1999; Dong et al., 2004; Chen, Chiao, 2008a).
Морфология ДИГК, обнаруженных при трансгенном маркировании. Работы последних лет расширили и уточнили классификацию "быстрых" ДИ ГК млекопитающих. Созданы линии трансгенных животных с меченными флуоресцентными белками ДИ ГК разных типов и проведены опыты с отведением их электрических реакций. Методом трансгенного маркирования были обнаружены новые морфологические типы ДИ ГК с кроной дендрита, асимметричной относительно тела клетки. В электрофизиологических опытах они неотличимы от классических "быстрых".
На мышах с GFP (зеленым флуоресцирующим белком), селективно экспрессирующимся в оп-off "быстрых" ДИ ГК с назотемпоральным предпочтительным направлением и асимметричными кронами дендритов, проведена двухфотонная регистрация их реакций на свет и прослежены полные карты их центральных проекций. Оказалось, что эти клетки представляют подгруппу классических "быстрых" on-off ДИ ГК, выделяющих направление "назад", а их асимметричные кроны дендритов ориентированы в предпочтительном направлении. Как и ранее известные "быстрые" ДИ ГК они проецируются исключительно в верхний бугорок четверохолмия и дорзальное ЛКТ, где их аксональные окончания расположены отдельно от синаптических окончаний не дирек-ционалов (Huberman et al., 2009; Кау et al., 2011; Rivlin-Etzion et al., 2011; Trenholm et al., 2011).
Описана подгруппа "быстрых" on-off ДИ ГК, кодирующих направление "вперед", с асимметричными кронами дендритов, ориентированными в предпочтительном направлении. Показано, что морфологические асимметрии совместно с нелинейностью проведения по дендритам генерируют центрифугальное предпочтение (от сомы к дендриту).
Охарактеризованы трансгенные линии мышей с селективно помеченными on-off дирекционала-ми, выделяющими вентральное или назальное направление, и линию, маркирующую две
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.