Fotosenzitivní gangliová buňka

Sekce sítnice: světlo udeří nejprve do buněčné vrstvy ganglionu, nakonec do tyčinek a čípků

Fotosenzitivní gangliové buňky, také nazývané fotosenzitivní sítnicové gangliové buňky (pRGC), vnitřně fotosenzitivní sítnicové gangliové buňky (ipRGC) nebo gangliové buňky obsahující melanopsin, jsou typem neuronu (nervové buňky) v sítnici savčího oka. Byly objeveny počátkem 90. let a jsou, na rozdíl od jiných retinálních gangliových buněk, vnitřně fotosenzitivní. To znamená, že jsou třetí třídou retinálních fotoreceptorů, excitovaných světlem, i když jsou blokovány všechny vlivy z klasických fotoreceptorů (tyčinky a čípky) (buď aplikací farmakologických prostředků, nebo disociací gangliové buňky od sítnice). Fotosenzitivní gangliové buňky obsahují fotopigment melanopsin. Obrovské retinální gangliové buňky sítnice primátů jsou příklady fotosenzitivních gangliových buněk.

Ve srovnání s tyčinkami a čípky reaguje ipRGC pomaleji a dlouhodobě signalizuje přítomnost světla. Představují malou podmnožinu (~1-3%) buněk retinálního ganglia. Jejich funkční role nejsou obrazotvorné a zásadně se liší od funkcí vzorového vidění; poskytují stabilní zastoupení intenzity okolního světla. Mají nejméně tři primární funkce.

Fotosenzitivní gangliové buňky jsou také zodpovědné za přetrvávání cirkadiánních a pupilárních světelných reakcí u savců s degenerovanými tyčinkovými a kuželovými fotoreceptory, jako jsou lidé trpící retinitis pigmentosa.

V poslední době byly u lidí izolovány fotoreceptivní gangliové buňky, u nichž se kromě výše uvedených funkcí prokázaných u jiných savců prokázalo, že zprostředkovávají určitý stupeň rozpoznávání světla u jedinců bez tyčinek a bez kuželů trpících poruchami tyčinkových a kuželových fotoreceptorů. Práce Farhana H. Zaidiho a jeho kolegů ukázala, že fotoreceptivní gangliové buňky mohou mít vizuální funkci a mohou být u lidí izolovány.

Fotosegment fotoreceptivních gangliových buněk, melanopsin, je excitován světlem především v modré části viditelného spektra (absorpce vrcholí v ~480 nanometrech). Mechanismus fototransdukce v těchto buňkách není zcela pochopen, ale zdá se, že se podobá fotoreceptorům u bezobratlých rhabdomerických fotoreceptorů. Fotosenzitivní gangliové buňky reagují na světlo depolarizací a zvýšením rychlosti, s jakou vysílají nervové impulzy. Kromě toho, že reagují přímo na světlo, mohou tyto buňky přijímat excitační a inhibiční vlivy tyčinek a kuželů prostřednictvím synaptických spojení v sítnici.

V roce 1991 Russell G. Foster a jeho kolegové včetně Ignacia Provencia objevili v očích myší ne-tyčinkový, ne-kuželový fotoreceptor, u kterého bylo prokázáno, že zprostředkovává cirkadiánní rytmy, tj. 24hodinové biologické hodiny těla. Foster byl v roce 2008 zvolen členem Královské společnosti. Skutečnost, že takový přelomový objev byl publikován v relativně obskurním vědeckém časopise, naznačuje počáteční skepsi uvnitř vědecké komunity ohledně existence ne-tyčinkových, ne-kuželových fotoreceptorů. Tato komunita ještě několik let věřila, že jediné fotoreceptory jsou tyčinky a kužely, jako by to bylo napsáno v kameni – a proč ne, koneckonců, jak poznamenává sám Foster, oko bylo předmětem podrobného studia po nepřetržitou dobu více než 200 let, takže v té době se zdálo nepravděpodobné, že by velké mozky od Newtona, Maxwella, až po Einsteina a další, mohly přehlédnout existenci tohoto receptoru, jeho funkce a jeho důsledky. Ale přehlédnout se jim to podařilo a bylo na současných badatelích, aby učinili přelomové objevy v terénu, přelomové objevy, které se stále dělají. Tyto nové buňky vyjadřují fotopigment melanopsin, který byl poprvé identifikován Provenciem a jeho kolegy, kteří publikovali v Journal of Neuroscience v roce 2000. Významné pokroky v oboru budou napříště publikovány pouze ve velkých biologických a vědeckých časopisech, což odráží postupné přijetí nového receptoru vědeckou komunitou.

Melanopsin absorbuje různé maximální vlnové délky

Robert Lucas a jeho kolegové včetně Russella Fostera jako první přesvědčivě prokázali, že buňky obsahující fotopigment melanopsin absorbují světlo maximálně na jiné vlnové délce než buňky tyčinek a čípků. Lucas, Foster a jeho kolegové také zjistili, že u myší nehybný fotoreceptor bez čípku hrál roli při iniciaci světelného reflexu zornic a nejen cirkadiánních / behaviorálních funkcí, jak se dříve myslelo, i když ty druhé byly také demonstrovány pomocí geneticky upravených myší bez tyčinek a bez čípku. Samer Hattar a jeho kolegové včetně Davida Bersona v roce 2002 ukázali, že u potkana byly vnitřně fotosenzitivní retinální gangliové buňky bez výjimky exprimovány melanopsinem, a tak melanopsin (a ne tyčinkové nebo čípkové opsiny) byl s největší pravděpodobností vizuálním pigmentem fototransdukujících retinálních gangliových buněk, které nastavily cirkadiánní hodiny a iniciovaly další obrazotvorné vizuální funkce. Tato práce je považována Current Biology, New Scientist a různými dalšími komentátory za reprezentaci objevu, že identita non-tyčinky, non-kuželového fotoreceptoru u myší byla třídou retinálních gangliových buněk (RGCs). To bylo vysoce významné anatomicky; gangliové buňky sídlí ve vnitřní sítnici, zatímco klasické fotoreceptory (tyčinky a kužely) obývají vnější sítnici. Existují tedy dvě paralelní a anatomicky odlišné fotoreceptorové dráhy.

Ve stejném roce 2005 Melyan a Qiu společně s kolegy včetně Lucase, Marka W. Hankinse a Bersona ukázali, že fotopigment melanopsinu je fototransdukční pigment v gangliových buňkách. Dennis Dacey s kolegy včetně Paula Gamlina ukázali u druhu opic ze Starého světa, že obří gangliové buňky exprimující melanopsin se promítají do laterálního genikulového jádra (LGN). Dříve byly prokázány pouze projekce do středního mozku (pre-tektální jádro) a hypothalamu (supra-chiasmatické jádro, SCN). Nicméně vizuální role receptoru byla stále netušená a neprokázaná.

Pokusy o ulovení receptoru u lidí byly učiněny. Ale lidé představovali zvláštní výzvy a požadovali nový model – protože na rozdíl od zvířat rozsáhlé etické problémy znamenaly, že ztrátu tyčinek a kuželů nebylo možné vyvolat geneticky nebo pomocí chemikálií, aby bylo možné přímo studovat gangliové buňky. Po mnoho let bylo možné o receptoru u lidí vyvozovat pouze závěry, i když ty byly občas relevantní.

V roce 2007 přišel průlom, když Zaidi a jeho kolegové včetně Fostera, George Brainarda, Charlese Czeislera a Stevena Lockleyho, kteří se spojili s dalšími výzkumníky na obou stranách Atlantiku, publikovali svou průkopnickou práci s použitím lidí bez tyčí a bez kuželů. Current Biology následně ve svém úvodníku z roku 2008, komentářích a depeších pro vědce a oftalmology oznámili, že non-tyčinkový, non-kuželový fotoreceptor byl u lidí nezvratně objeven pomocí přelomových experimentů na lidech bez tyčí a bez kuželů Zaidim a kolegy. Objev nového receptoru u lidí v roce 2007, stejně jako velkolepý objev, učiněný vedle toho, že zprostředkovává vědomý zrak, byl v roce 2007 vytrouben Cell Press, New Scientist a dalšími vědeckými komentátory. Zjistilo se, že identita non-tyčinkového, non-kuželového fotoreceptoru u lidí je gangliová buňka ve vnitřní sítnici přesně tak, jak to bylo dříve ukázáno na modelech bez tyčí a bez kuželů u některých jiných savců. Práce byla provedena s využitím pacientů se vzácnými onemocněními, která vymazala klasickou funkci tyčinek a kuželů fotoreceptoru, ale zachovala funkci gangliových buněk. Přestože pacienti neměli žádné tyčinky nebo kužely, nadále vykazovali cirkadiánní fotoentrainment, cirkadiánní vzorce chování, potlačení melatoninu a reakce zorniček, se špičkovou spektrální citlivostí na okolní a experimentální světlo odpovídající melanopsinovému fotopigmentu. Jejich mozky mohly také spojovat vidění se světlem této frekvence. Jacob Schor poznamenává, že kromě toho, že je to vynikající příklad spolupráce mezi různými zeměmi, stejně jako mezi klinickými lékaři a vědci, od té doby se zájem začal projevovat u klinických lékařů včetně oftalmologů s cílem porozumět roli nového receptoru v lidských nemocech a jak je uvedeno níže, slepotě.

Nová role ve vědomém vidění

Použití bezrohých bezrohých lidí umožnilo studovat další možnou roli receptoru. V roce 2007 byla nalezena nová role pro fotoreceptivní gangliovou buňku. Zaidi a jeho kolegové včetně Fostera, Brainarda, Czeislera a Lockleyho ukázali, že přinejmenším u lidí přispívá fotoreceptor retinální gangliové buňky k vědomému vidění a také k neformujícím funkcím, jako jsou cirkadiánní rytmy, chování a pupilární reakce. Lidé byli dokonalým modelem, v němž mohli prokázat tuto funkci tak, jak mohou snadno popsat zrak pozorovateli, což zvířata neumějí. Proto byl receptor svým umístěním anatomicky ve vnitřní sítnici, jak ukázali tito výzkumníci, první buňkou, která vnímala světlo vedoucí k vidění. Protože tyto buňky reagují většinou na modré světlo, bylo naznačeno, že mají roli v mezopickém vidění[citace nutná] a že stará teorie čistě duplexní sítnice s rodovým (tmavým) a kuželovým (světlým) viděním byla zjednodušená. Práce Zaidiho a jeho kolegů s bezprutovými, bezkuželovými lidskými subjekty proto také otevřela dveře do obrazotvorných (vizuálních) rolí pro fotoreceptor gangliové buňky.

Objev, že existují paralelní cesty pro vidění, byl učiněn – jedna klasická tyčinka a kuželová báze vznikající z vnější sítnice, druhá primitivní vizuální detektor jasu vznikající z vnitřní sítnice, který se zdá být aktivován světlem dříve než druhá. Klasické fotoreceptory se také dostávají do nového systému fotoreceptorů a stálost barev může být důležitou rolí, jak naznačil Foster. Jako mnoho klíčových objevů o novém receptoru, práce Zaidiho a jeho kolegů rozbíjí stovky let toho, co věda myslela, že ví o nejzákladnějších funkcích oka a vidění.

Autoři o bezrohém, bezkuželovitém lidském modelu shrnuli svůj přelomový dokument a poprvé poznamenali, že receptor by mohl být nápomocný při pochopení mnoha nemocí včetně hlavních příčin slepoty na celém světě, jako je glaukom, onemocnění, které postihuje gangliové buňky. Studium receptoru nabídlo potenciál jako nová cesta k prozkoumání ve snaze najít léčbu slepoty. Právě v těchto objevech nového fotoreceptoru u lidí a v roli receptoru ve vidění, spíše než v jeho neformujících funkcích, může mít receptor největší dopad na společnost jako celek, ačkoli dopad narušených cirkadiánních rytmů je další oblastí významu pro klinickou medicínu.

Většina prací naznačuje, že vrcholová spektrální citlivost receptoru se pohybuje mezi 460 a 484 nm. Lockley a kol. v roce 2003 ukázali, že vlnové délky 460 nm (fialové) světla potlačují melatonin dvakrát více než 555 nm (zelené) světlo, vrcholová citlivost fotopického vizuálního systému. V práci Zaidiho, Lockleyho a spoluautorů používajících člověka bez tyčinek a kuželů bylo zjištěno, že to, co vědomě vedlo k vnímání světla, byl velmi intenzivní 481 nm podnět; to znamená, že receptor ve vizuálním vyjádření umožňuje určité základní vidění maximálně pro modré světlo. Potenciální kritika, že reakce mohly být způsobeny teplem, by nebyla na místě, protože teplo se rozptyluje při vyšších vlnových délkách a způsobilo by pocit největší odezvy při dlouhém vlnovém délce (žluté a červené) světlo, a ne při krátké vlnové délce modrého světla, jak zjistili vědci.

Episklerální vrstva • Schlemmův kanál • Trabekulární síťovina

Limbus • vrstvy (Epithelium, Bowman's, Stroma, Descemet's, Endothelium)

Kapilární lamina choroidu • Bruchova membrána • Sattlerova vrstva

Ciliarní procesy • Ciliarní sval

Stroma • Zornice • Iris dilator muscle • Iris sphincter muscle

Vnitřní omezující membrána • Nervová vláknová vrstva • Ganglionová buněčná vrstva • Vnitřní plexiformní vrstva • Vnitřní jaderná vrstva

Vnější plexiformní vrstva • Vnější jaderná vrstva

Vnější omezující membrána • Vrstva tyčí a kuželů • Retinální pigmentový epitel

Fotoreceptory (Kuželová buňka, Rodova buňka) → (Horizontální buňka) → Bipolární buňka → (Amakrinní buňka) → Retina gangliová buňka (Trpasličí buňka, Parasolová buňka, Bistrátovaná buňka, Obří retina gangliová buňka, Fotosenzitivní gangliová buňka) → Diencefalon: P buňka, M buňka, K buňkaMullerova glie

Macula (Foveola, Fovea centralis) • Optický disk (Optický šálek)

Přední komora • Vodný humor • Zadní komora • Čočka (Kapsle čočky, Zonule of Zinn)

Oční imunitní systém • Tapetum lucidum • Keratocyty

soma, axon (axon hillock, axoplasmus, axolemma, neurofibril/neurofilament), dendrit (Nisslovo tělo, dendritická páteř, apikální dendrit, bazální dendrit)typy (bipolární, pseudounipolární, multipolární, pyramidové, Purkinje, granule)

GSA, GVA, SSA, SVA, vlákna (Ia, Ib nebo Golgi, II nebo Aβ, III nebo Aδ nebo rychlá bolest, IV nebo C nebo pomalá bolest)

GSE, GVE, SVE, horní motorický neuron, dolní motorický neuron (α motorneuron, γ motorneuron)

neuropil, synaptický váček, neuromuskulární spojení, elektrická synapse – Interneuron (Renshaw)

Volné nervové zakončení, Meissnerova krvinka, Merkelové nervové zakončení, Svalové vřeteno, Pacinianova krvinka, Ruffiniho zakončení, Čichový receptorový neuron, Fotoreceptorová buňka, Vlasové buňky, Chuťové buňky

astrocyt, oligodendrocyt, ependymální buňky, mikroglie, radiální glie

Schwannova buňka, oligodendrocyt, Ranvierovy uzliny, internoda, Schmidt-Lantermanovy řezy, neurolemma

epineurium, perineurium, endoneurium, nervový fascikl, meninges