Глава 3.2. АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЙ НЕЙРОНАМИ СЕТЧАТКИ

3.2.1. Горизонтальные клетки

Морфология. Горизонтальные клетки располагаются в сетчатке сразу за фоторецепторами в дистальных отделах внутреннего ядерного слоя. Размеры сомы этих клеток варьируют в пределах 50-200 мкм. Часть клеток имеет аксоны, которые у большинства позвоночных контактируют с рецепторами и лишь у рыб (карп, карась) оканчиваются в проксимальной области внутреннего ядерного слоя. Горизонтальные клетки залегают в несколько слоев, число которых у разных животных варьирует от 1 до 4. Для каждого отдельного слоя характерно упорядоченное расположение клеток в виде периодических решеток, согласующихся с мозаикой рецепторов. Функциональное назначение мозаичной организации рецепторного и нервных слоев остается пока невыясненным. Между клетками одного слоя имеются электрические синапсы типа «gap junction» (щелевой контакт — тесное смыкание мембран двух соседних клеток с шириной синаптической щели 20—100 А) и типа «tight junction» (плотный контакт — когда мембраны соседних клеток сливаются). В наружном синаптическом слое есть также химические синапсы между телами и отростками неидентифицированных клеток (возможно, из разных слоев).

В морфологической организации сетчатки млекопитающих имеются особенности, отличающие ее от сетчатки низших позвоночных: горизонтальные клетки здесь менее крупны, менее раз» нообразны по форме сомы и ветвлению отростков и образуют меньшее число слоев [212; 88].

По типу преимущественных контактов с теми или иными видами рецепторов выделяют колбочковый, палочковый и «смешанный» типы клеток.

Передача сигнала от фоторецептора к горизонтальной клетке. В темноте рецепторы позвоночных непрерывно выделяют медиатор, деполяризующий горизонтальные клетки. Гиперполяризация фоторецептора светом приводит к уменьшению выделения медиатора и, как следствие, к гиперполяризации горизонтальной клетки. Под влиянием медиатора в темноте субсинаптическая мембрана горизонтальной клетки проницаема для ионов Каналы субсинаптической мембраны проницаемы, по-видимому, также для ионов . В отсутствие света мембранный потенциал горизонтальной клетки определяется в основном каналами субсинаптической мембраны и варьирует в пределах

Несинаптическая мембрана горизонтальных клеток обладает резко выраженной нелинейностью: ее сопротивление падает при

гиперполяризации на свету и возрастает при деполяризации в темноте. Нелинейность определяется работой потенциал-зависимых каналов. Проницаемость для возрастает при гиперполяризации и уменьшается при деполяризации. Проводимость для возрастает при деполяризации ниже, чем

Таким образом, сопротивление субсинаптической и несинаптической мембран меняется в противоположные стороны при изменении освещенности. При этом общее сопротивление мембраны клетки остается постоянным, что создает одинаковые условия для распространения по слою горизонтальных клеток потенциалов разной величины [3]. Нелинейные свойства несинаптической мембраны позволяют клетке усиливать медленные потенциалы и способствуют передаче потенциалов по длинному аксону (300-400 мкм) от которого отводятся примерно такие же ответы, как и от сомы [37].

Нелинейная соматическая мембрана горизонтальных клеток является частью системы с обратными связями «рецептор — горизонтальная клетка», которая в целом может вести себя линейно, компенсируя нелинейности отдельных своих компонентов (субсистем): процессов поглощения квантов света, мембраны рецептора синаптической передачи и др. Об этом свидетельствуют данные по линейной суммации реакций колбочек на мембране горизонтальных клеток [67; 205]. Согласно этим данным, функции спектральных реакций горизонтальных клеток в линейном диапазоне работы клеток и при небольших энергиях света с высокой точностью (5%) аппроксимируются линейной комбинацией «взвешенных» значений функций спектральных реакций и -колбочек. Степень линейности реакций горизонтальных клеток зависит не только от условий стимуляции, но и от того, какая фаза ответа берется в качестве критерия при построении спектральных функций — пик или плато. Последнее больше подвержено поздним меж- и пострецепторным взаимодействиям, связанным с адаптацией и вносящим основной вклад в нелинейность реакций. Поэтому связь между плато реакции колбочки и плато реакции горизонтальной клетки можно считать линейной лишь в диапазоне малых интенсивностей, где не функционируют потенциал-зависимые калиевые каналы несинаптической мембраны и механизм обратной связи.

Спектральные характеристики горизонтальных клеток. На белый свет все клетки отвечают довольно медленным гиперполяризационным отклонением трансмембранной разности потенциалов (время достижения максимума у колбочковых клеток 50-100 мс), которая возвращается к исходному уровню темнового потенциала лишь после прекращения действия света. Такую реакцию, впервые зарегистрированную венесуэльским исследователем Светихиным в 1953 г., принято называть -потенциалом (от англ. «slow» — медленный). -потенциалы зарегистрированы в сетчатках всех позвоночных, имеющих горизонтальные клетки.

По реакциям на спектральные стимулы клетки делятся на два типа: яркостные (от англ. «luminosity») — клетки, отвечающие гиперполяризацией на свет любой длины волны, и цветовые С (от англ. «colour») — клетки, полярность ответа которых меняется в зависимости от длины волны светового стимула (рис. 3.2.1а).

Рис. 3.2.1. Типы горизонтальных клеток: а — реакции фотопических горизонтальных клеток на монохроматические стимулы разных длин волн, нм. Отклонение линии мембранного потенциала клетки вверх означает деполяризацию, вниз — гипериоляризацню; — функции спектральных реакций горизонтальных клеток трех типов. Штрихом показана функция спектральных реакций -клетки при больших энергиях (большой площади или интенсивности) спектральной стимуляции. По оси абсцисс — длина волны, нм, по оси ординат — пронормированные по максимуму значения функций (вверх от оси абсцисс — гиперполяризация, вниз — деполяризация).

Функции спектральных реакций L-клеток (рис. 3.2.1 б) у разных животных и в сетчатке одного животного широко варьируют

по форме и положению максимума. Так, в сетчатке костистых рыб обнаружены -клетки с пиками реакций на 460—495 нм, 525—580 нм и 600—680 нм. Часть -клеток контактирует только с колбочками (колбочковые клетки), часть — только с палочками (палочковые -клетки). Антагонистическое взаимодействие палочковых и колбочковых сигналов в отдельных -клетках обнаружено в сетчатках черепахи, кошки, саламандры, обезьяны. Одновременные контакты с фоторецепторами разного типа определяют сложную (с несколькими пиками) форму функций спектральных реакций -клеток и их зависимость от условий световой и хроматической адаптации. Вклад колбочек разного типа реакции клеток -типа также варьирует. Электрофизиологически — по функциям спектральной чувствительности, получаемым методом равных ответов, — выявлены клетки, связанные только с -колбочками или с и -колбочками, или со всеми тремя колбочками. В определенном диапазоне интенсивностей стимуляции функции спектральной чувствительности -клеток аппроксимируются линейной комбинацией функций спектральной чувствительности соответствующих типов колбочек.

Располагаясь в один слой, клетки -типа связаны между собой электрически в синцитиальную сеть. Об этом свидетельствуют большие размеры их рецептивных полей, а также прямые опыты с пропусканием тока через микроэлектрод в одну -клетку и отведением потенциала через другой микроэлектрод из соседней -клетки. Размеры рецептивных полей -клеток, варьирующие в диаметре от 300 мкм до 5 мм, значительно превышают протяженность их дендритных ветвлений. Принято считать, что рецептивные поля -клеток круглые и не имеют деления на оппонентные друг к другу центре и периферию. Однако результаты отдельных работ последних лет свидетельствуют о более сложной организации рецептивного поля. На лягушке и черепахе методами морфологии и электрофизиологии получены данные, что рецептивные поля клеток -типа имеют форму эллипса, определенным образом ориентированного в плоскости сетчатки. Исследования методами тонкой морфологии и локальной световой стимуляции показали, что огромное по размерам рецептивное поле горизонтальной клетки обладает локальной анизотропией — неодинаковостью в морфологической организации и свойствах реакций в. разных участках. Локальная анизотропия свидетельствует о функциональной неоднородности рецептивных полей и возможности локальной обработки информации в разных его зонах.

Амплитудные функции -клеток, так же как и амплитудные функции фоторецепторов, описываются уравнением Михаэлиса — Ментон [3.1.3]. Однако амплитудные функции горизонтальных клеток имеют более крутой наклон: на одно и то же изменение в интенсивности цвета они реагируют большим изменением потенциала, нежели рецепторы.

Пространственная суммация спектральных сигналов в рецептивных полях -клеток не всегда носит линейный характер и

зависит от интенсивности света. О более сложном, нежели простая алгебраическая суммация, взаимодействии сигналов в рецептивных полях клетки -типа свидетельствует и «эффект усиления» [20; 156, 157]. Длинноволновый фон усиливает реакцию -клетки на коротковолновое излучение. Эффект усиления проявляется и при фоновом освещении нейтральным светом, возбуждающим все типы рецепторов: реакция на ахроматический тестовый стимул возрастает при условии слабого нейтрального фона. Эффект отсутствует, если тестовый и фоновый сигналы (например, длинноволновое излучение) возбуждают один тип рецепторов. Это доказывает, что суть дела именно во взаимодействии сигналов от разных рецепторов.

Форма функций спектральных реакций колбочковых -клеток близко совпадает с формой кривой видности животного в фотопических условиях, оптимальных для различения спектральных излучений [197]. Это, а также суммация -клетками сигналов от колбочек всех типов на большой площади сетчатки являются основанием для отнесения их к «яркостным» каналам сетчатки. Однако форма спектральной характеристики -клетки не полностью совпадает с кривой видности, которая определяется вкладом не только но и С-клеток. По современным данным, -клетки принимают участие и в формировании спектральной оппонентности клеток С-типа через механизм обратной связи с разными колбочками.

Горизонтальные клетки С-типа меняют полярность реакций (гиперполяризация — деполяризация) в зависимости от длины волны света, и поэтому их относят к цветокодирующим клеткам. Три основные разновидности клеток С-типа описаны в сетчатке рыб и черепахи: деполяризующиеся длинноволновым и гиперполяризующиеся коротко- и средневолновыми излучениями: деполяризующиеся средневолновым и гиперполяризующиеся коротко- и длинноволновыми излучениями, и депо, ляризующиеся средне- и длинноволновыми и гиперполяризующиеся коротковолновым излучениями (рис. 3.2.1а) -клетки, по-видимому, не являются самостоятельным типом клеток и по ряду критериев представляют собой разновидность клеток с редуцированным длинноволновым входом. В сетчатке высших животных, в том числе у приматов, клетки С-типа пока не обнаружены. Синаптические контакты С-клеток с рецепторами строго избирательны. По данным морфологии, -клетки получают сигналы в основном от -колбочек, — от В-колбочек. Установлено, что каждый тип С-реакций генерируется своим морфологическим типом горизонтальных клеток, образующим отдельную синцитиальную сеть (электрический синцитий синцитий -клеток). Рецептивные поля С-клеток принципиально сходны с рецептивными полями -клеток: их размеры могут достигать мм в диаметре, они не имеют пространственного деления на центр и периферию, изотропны — в каждой точке

реацептивного поля спектральные свойства С-клетки примерно одинаковы. Зависимость амплитуды спектральных реакций С-клетки, так же, как и -клетки, хорошо аппроксимируется уравнением Михаэлиса — Ментон [3.1.3]. Однако реакции С-клеток в большей степени, нежели реакции клеток -типа, зависят от суммарной энергии излучения и условий световой и хроматической адаптации. Так, большие размеры или высокая интенсивность стимула могут приводить к нарушению спектральной оппонентности -клеток (рис. 3.2.1), поскольку при увеличении и площади и интенсивности света происходит резкое увеличение общего потока квантов Р, достигающих сетчатки:

где I — число квантов, поступающих в единицу времени на единицу площади сетчатки, — площадь засвета. При избирательном воздействии адаптирующим светом на один из рецепторных входов С-клетки увеличиваются ее реакции с других входов: на средневолновом фоне увеличиваются реакции -клетки на длинноволновые излучения. Все вышеперечисленное определяет сложный характер зависимости реакций клеток С-типа от размеров и интенсивности спектрального стимула, а также условий световой и хроматической адаптации.

Гиперполяризация и -клеток возникает при освещении тех типов колбочек, с которыми они имеют прямые синаптические контакты. Ионные механизмы гиперполяризационных ответов С-клеток идентичны механизмам генерации гиперполяризационных реакций субсинаптической мембраной -клеток. Относительно способов формирования реакций на цвета из других областей спектра существует две гипотезы. Согласно первой, -колбочки получают сигналы обратной связи с инверсией знака от -клеток, а синие колбочки — от -клеток (рис. 3.2.2 а, б) [189]. И тогда длинноволновое излучение, гиперполяризующее -колбочки и -клетки, вызывает через обратную связь деполяризацию -колбочек и связанных с ними -клеток. Средневолновое излучение, гиперполяризующее -клетки, вызывает через обратную связь деполяризацию Л-колбочек и связанных с ними и -клеток. Длинноволновый сигнал, дважды пройдя через систему обратной связи с инверсией знака, снова становится гиперполяризующим в -клетках (от -клетки к -колбочке, от нее к -клетке через прямые синапсы и от -клетки к Б-колбочке через обратную связь, от -колбочки к -клетке). Эта гиперполяризация слабо выражена в -клетках и совсем незаметна в -клетках.

Рядом исследователей разрабатывается гипотеза, согласно которой тормозные и возбуждающие медиаторы поступают на С-клетки прямо и независимо от колбочек разного типа [66]. Баланс в притоке этих медиаторов, воздействующих на разные ионные каналы субсинаптической мембраны горизонтальных клеток, определяет нолярность ответа клетки. При этом разница в

Рис. 3.2.2. (см. скан) Взаимодействие между колбочками и горизонтальными клетками: а — влияние обратной отрицательной связи на спектральные реакции горизонтальной клетки -типа и колбочек и схема прямых (черные стрелки) и обратных (белые стрелки) взаимодействий между горизонтальными клетками и -типов и колбочками и -типов (Стелл, Лайтфут, 1975). Описание см. в тексте

латентиости реакций на разные цвета объясняется разницей в кинетике взаимодействия медиаторов с постсинаптической мембраной, как это известно для биполяров: в сетчатке черепахи латентный период деполяризационных реакций в центре рецептивного поля -биноляра заметно больше латентного периода гиперполяризационных реакций в центре рецептивного поля off-биполяра [87].

Существует тесная связь между наличием в сетчатке горизонтальных клеток С-типа и способностью низших позвоночных к различению цветов. По данным Тамура и Нива, клетки С-типа обнаруживаются в сетчатках у рыб с хорошо выраженной способностью к цветоразличению (карп, золотая рыбка, кефаль) и не регистрируются в сетчатках у цветослепых рыб [198]. По мнению этих авторов, регистрация -потенциалов является удобным методом изучения цветового зрения у рыб, особенно у тех, которые малодоступны для исследования поведенческими методами. Редукция системы колбочек в сетчатке рыб сопровождается ре-дукцией слоев и типов горизонтальных клеток и, как следствие, приводит к разного рода нарушениям цветового зрения. Так, у хищной рыбы Nannacara anomala с дихроматическим цветовым зрением имеется только один колбочковый С-тип горизонтальных клеток, возможно достаточный для генерации RG-потенциалов [215]. У альбиносов форели потеря одного типа колбочек сопровождается потерей двух слоев горизонтальных клеток [47].

Таким образом, горизонтальные клетки не только обеспечивают латеральные связи между рецепторами, контролируя адаптационные изменения в сетчатке и участвуя в механизмах пространственного контраста и дирекциональной чувствительности. Результаты ряда работ указывают на их участие в формировании спектральных и пространственных свойств рецептивных полей цветокодирующих и ахроматических биполяров. В настоящее время исследуются пути такого участия: через обратные связи с фоторецепторами или же через прямые контакты с биполярами. Имеются данные и об участии горизонтальных клеток в формировании реакций ганглиозных клеток сетчатки [19; 155]. В отдельных случаях реакции горизонтальных клеток на цвет могут коррелировать с реакциями на цвет ганглиозных [186] и амакриновых клеток. На возможность участия горизонтальных клеток в генерации цветовых реакций выходных элементов сетчатки указывает и тот факт, что часть из них имеет аксоны, мембрана которых обладает способностью к бездекрементному проведению сигнала [217].

По данным некоторых авторов, -клетки кодируют яркость излучения, так как форма их функций спектральных реакций близко совпадает с формой функции чувствительности глаза к спектральным стимулам [197; 198].

Надо отметить, что функции спектральных реакций -клеток по форме также близки к спектральному распределению энергии, характеризующему дневной «белый» свет в среде обитания животного. Так, пресные воды на глубинах обитания карпа (1-4 м) имеют максимум пропускания излучения в длинноволновой области спектра (590-630 нм). В этой же части спектра локализуется максимум спектральных реакций -клеток этих животных. Это значит, что белый свет для рыб отличается по спектральному составу от белого света для человека большим содержанием оранжевых и красных тонов.