NÄKÖLUENTO Näön fysiologia I 04.09.2013 Synnöve Carlson Aalto-yliopisto perustieteiden korkeakoulu Biolääketiet. laitos/fysiologia, Helsingin yliopisto Email: syncarls@mappi.helsinki.fi Ramon y Cajal (1898) Verkkokalvon rakenne Tapit ja Sauvat Fototransduktio Signaalin eteneminen verkkokalvolla Ganglionsolut, On- ja Off reseptiiviset kentät M-, P-, K-, radat Retinofugaaliset yhteydet Lateraalinen polvitumake Pupillan valoreaktiot Näköaivokuori Silmän rakenne SILMÄNPOHJA: Fovea, Papilla (Discus opticus) Verkkokalvo: Pigmentoitunut epiteeli, aistinsolut, interneuronit Papilla: näköhermon lähtökohta ( sokea piste ) Macula lutea: alue lähellä verkkokalvon kesiosaa, tarkan näkemisen alue Fovea: Maculan keskellä Kuvan muodostuminen verkkokalvolle Sarveiskalvo (taittovoima n. 42D) ja linssi (16-33D, akkomodaatio) tarkentavat kuvan verkkokalvolle M. Ciliaris muuttaa linssin muotoa Kuva verkkokalvolla ylösalaisin Pigmenttiepiteeli Näköreseptoreiden ulkosegmentit Ulompi tumakerros Ulompi punoskerros Sisempi tumakerros Sisempi punoskerros Verkkokalvon rakenne Ganglion solukerros valo 1
Verkkokalvon kerrokset Verkkokalvon solutyypit Valoreseptorit Horisontaalisolut Bipolaarisolut Amacrine cell Bipolar cells Amakriinisolut Horizontal cell Rods and Cones Ganglionsolut Sauva Näköreseptorit Tappi Tappien ja sauvojen jakauma verkkokalvolla Tapit:Sauvat = 1:20 (Tapit: 6-7milj.; Sauvat: 120 milj.) Tapit: Päivänäkö, värit, hyvä spatiaalinen ja temporaalinen diskriminaatio (flicker ad 55 Hz) Sauvat: Hämäränäkö, voimakas konvergenssi => huono spatiaalinen- ja temporaalinen diskriminaatio (flicker ad 12 Hz); Valoreseptorien jakauma verkkokalvolla Näöntarkkuus suurin kirkkaassa valossa, fovean alueella. Tarkan näkemisen alueella tappien tiheys suurin, sauvojen pienin. Foveassa valoreseptorien konvergenssi vähäistä - ganglionsolujen reseptiiviset kentät pieniä. Alhaisessa valaistuksessa näöntarkkuus huono. Näkökentän laitaosissa ei eroteta värejä, koska siellä pääasiassa sauvoja. Värien näkemisen perusta Verkkokalvolla 3 erilaista tappisolutyyppiä, joiden näköpigmentit herkkiä erilaisille valon aallonpituuksille. -Young-Helmholtz-teoria 1800-luvulla: kolme tappityyppiä värinäön perustana Hermann von Helmholtz 1821-1894 2
Ragnar Granit 1900-1991 Lääketieteen ja fysiologian Nobel 1967 Helsingin yliopiston fysiologian professori 1935-9 Palkittiin Suomessa tehdyistä havainnoistaan Tappien herkkyydet valon aallonpituudelle Kolme tappisolutyyppiä (kolme erilaista näköpigmenttiä), joilla erilaiset valon absorptiokäyrät Pimeässä ei värinäköä (pimeässä sauvanäkö ja sauvoilla vain yhden tyyppinen näköpigmentti) Näköpigmentit Fototransduktio Neljä erilaista näköpigmenttiä Näköpigmentin koostumus Retinaali (A-vitam. johdann.) Opsiini (glykoproteiini) Näköpigmentit eroavat toisistaan opsiinin suhteen Sauvat: rhodopsiini (500 nm) Tapit: sininen (430 nm) vihreä (530 nm) punainen (560 nm) Näköreseptorin toiminta pimeässä Na + Valoreseptori pimeässä Ulkosegmentissä: cgmp pitää Na + -kanavat auki, pimeä virta Na + -ionit virtaavat sisään Na + -kanavien kautta myös Ca 2+ - ioneja sisään Sisäsegmentissä: K + -ionit siirtyvät ulos Nettovaikutus: reseptori depolarisoituu (-40mV) Glutamaattia vapautuu synapsipäätteestä cgmp pitää Na + -kanavia auki. Na + ja Ca 2+ virtaavat solun sisään. Solun depolarisoituu. Pimeä virta. 3
Valo aktivoi rhodopsiinin Rhodopsiini = Opsiini + 11-cis-retinaali Valon vaikutuksesta 11-cis-retinaali muuttuu all-trans retinaaliksi. 11-cis-retinaali Retinaalissa tapahtuu isomeerinen muutos valon absorboituessa siihen. All-trans retinaali All-trans retinaali irtoaa opsiinista. VALON VAIKUTUS: Pimeä virta loppuu Verkkokalvon reseptorisolut (kuvassa vaste sauvoista) hyperpolarisoituvat valossa Transdusiini Retinaali 11-cis-muodosta all-transmuotoon Muutos näköpigmentissä G-proteiini (Transdusiini) aktivoituu Fosfodiesteraasi aktivoituu ja hydrolysoi cgmp:n Intrasellulaarinen cgmp vähenee Na+-kanavat sulkeutuvat Pimeävirta loppuu Reseptori hyperpolarisoituu Glutamaatin vapautuminen reseptorista vähenee Yhteenveto fototransduktiosta Fototransduktio: Fotonin absorboituminen näköreseptoriin johtaa biokemialliseen reaktioketjuun, joka sulkee reseptorin ulkosegmentin Na 2+ -kanavat. Pimeä virta loppuu. Signaalin vahvistuminen: Valon aktivoima rodopsiini voi aktivoida satoja transdusiinimolekyylejä ja johtaa 200 Na 2+ -kanavan sulkeutumiseen Fototransduktion rajoittuminen: Rodopsiinikinaasi fosforyloi aktivoituneen rodopsiinin. Tämän seurauksena arrestiini proteiini kiinnittyy rodopsiiniin. Tämä estää enempien cgmp:n hydrolysoinnin rajoittaen kanavien sulkeutumista. Mitä tapahtuu retinaalille, joka fotonin absorboiduttua muuttui ja irtosi opsiinista? All-trans retinaalin irrottua opsiinista se diffundoituu sytosoliin ulkosegmentissä All-trans-retinaali muuttuu all-trans retinoliksi ja kuljetetaan pigmenttiepiteeliin Siellä all-trans-retinoli muuttuu takaisin 11-cisretinaaliksi ja kuljetetaan takaisin ulkosegmenttiin, jossa se liittyy taas opsiiniin. 4
Valaistustasot luonnossa ADAPTAATIO Adaptaatiolla tarkoitetaan silmän sopeutumista erilaisiin valaistustasoihin Adaptoitumisessa pupilli eli mustuaisaukko supistuu tai laajenee ja verkkokalvon toiminnassa tapahtuu adaptaatiomuutoksia Hämärä/pimeäadaptaatio ja valoadaptaatio Skotooppinen = syvään hämärään liittyvä (sauvat) Mesooppinen = hämärään liittyvä (sauvat,tapit) Fotooppinen = kirkkaaseen päivänvaloon liittyvä (tapit) HÄMÄRÄ/PIMEÄADAPTAATIO Tarkoittaa silmän valoherkkyyden lisääntymistä valoisasta hämärään siirryttäessä. Kestää n. 30-45 min saavuttaa maksimaalinen pimeä/hämärä näkökyky. Pupillan koon muutos (laajeneminen) (10x herkkyysmuutos; nopea) Tappien fotosensitiivisen pigmentin regeneraatio 5-9 min. Johtaa n. 100x sensitiivisyyden lisääntymiseen Rhodopsiinin regeneraatio sauvoissa 1000-10000 x sensitiivisyyden lisäys, hidas HÄMÄRÄ/PIMEÄADAPTAATIO Valoaltistuksen jälkeinen adaptaatio pimeään - tutkitaan määrittämällä alhaisin valointensiteetti, joka tarvitaan näköhavaintoon eri ajankohtina valoaltistuksen jälkeen Tapit syntetisoivat nopeammin hajonneen näköpigmentin => tappinäkö palautuu pimeässä nopeammin Sauvat näkevät pimeämmässä (kun tappien max. pimeänäkökyky palautunut, lisäadaptaatio perustuu sauvojen toiminnan palautumiseen) Valoadaptaatio (tapeissa) Hidas toipuminen: Valo sulkee cgmp-välitteiset kanavat. Na + -virta loppuu. Tappi hyperpolarisoituu (-65mV). Vähitellen tappi taas depolarisoituu (-65mV - - 40mV) Tämän jälkeen tappi lisävalon seurauksena taas hyperpolarisoituu. Reseptorin hidas toipuminen valossa ja desensitisaatio ovat seurausta reseptorisolussa tapahtuvasta Ca 2+ konsentraation laskusta. Ca 2+ :n rooli valoadaptaatiossa Pimeässä: Ca 2+ :a virtaa reseptoriin ulkosegmentissä cgmp-säätelemien kanavien kautta ja takaisin ulos myös ulkosegmentissä olevan kantajan avulla. Valon vaikutuksesta: Ca 2+ :n sisäänvirtaus päättyy. Solunsisäinen Ca 2+ vähenee. Ca 2+ inhiboi guanylaatti syklaasi-entsyymiä, jota tarvitaan cgmp:n valmistamiseen. Valon vaikutuksesta (kun solunsisäinen Ca 2+ vähenee) tämä inhibitio estyy. => Seurauksena vähitellen cgmp:n lisääntyminen, Na + kanavien aukeaminen ja reseptorin depolarisoituminen. Kun solunsisäinen Ca 2+ vähenee, myös rodopsiinikinaasin aktiviteetti lisääntyy (lisää arrestiinin kiinnittymistä rodopsiiniin, rajoittaa fototransduktiota). Nämä mekanismit auttavat näköreseptoreja toipumaan voimakkaan valon vaikutuksesta ja adaptoitumaan valoon. 5
Signaalin eteneminen verkkokalvolla reseptorisolusta gangliosoluun Bipolaarisolujen ja Gangliosolujen reseptiiviset kentät Reseptori-bipolaari-gangliosolu Reseptori-horisontaali solu-reseptori Reseptori -horisontaali solu reseptori/bipolaarigangliosolu Amakriinisolut bipolaarisolujen ja gangliosolujen välissä ON-center/OFF-surround OFF-center/ON-surround + - + - + -- + + Reseptiivisen kentän keskiön ja periferian vastakkainen vaikutus bipolaarisoluihin Reseptiivinen kenttä: Se alue retinasta, joka valolla stimuloitaessa aiheuttaa muutoksen solun kalvopotentiaalissa. Bipolaarisolun reseptiivinen kenttä on ympyrän muotoinen ja kaksiosainen: keskusta - ympäristö Reseptiivisen kentän keskiön vaste on vastakkainen ympäristön stimulaatiolle. Tämän interaktion välittävät horisontaalisolut. - Retinassa aktiopotentiaaleja gangliosoluissa - Retinassa sekä kemiallisia että sähköisiä synapseja - Kemiallisena transmitterina mm. glutamaatti, glysiini - Lateraaliyhteydet - - reseptorisolusta toiseen (horisontaalisolujen kautta) - - bipolaarisoluista ganglionsoluihin (amakriinisolujen kautta) Bipolaarisolut On- ja Off-keskustaiset bipolaarisolut Pimeässä valoreseptori depolarisoituu ja vapauttaa glutamaattia Glutamaatti depolarisoi tai hyperpolarisoi bipolaarisolun riippuen glutamaattireseptorista Valon absorptio johtaa onkeskustaisen bipolaarisolun depolarisaatioon ja offkeskustaisen hyperpolarisaatioon reseptorin ionotrooppisen reseptorin kautta GLU = glutamaatti 6
Gangliosolut Input bipolaarisoluista ja/tai amakriinisoluista Aksonit vievät signaalin (aktiopotentiaali) aivoihin näköhermoa pitkin (N. opticus) ON- ja OFF-keskustaiset reseptiiviset kentät Gangliosolut Jaottelu reseptiivisen kentän ominaisuuksien mukaan: i) ON-keskustaiset solut ii) OFF-keskustaiset solut iii) yleiselle valaistustasolle reagoivat solut (pupillarefleksi) Jaottelu funktionaalisten ominaisuuksien perusteella: M-solut (5%): - suuri resept. kenttä (liikedetektori, karkeat piirteet) P-solut (90%): -värit (color opponency: R-G/B-Y) -tarkkuusnäkö, pieni resept. kenttä non-m,non-p (5%) - osa välittää väritietoa - melko suuri resept. kenttä Fotosensitiivinen gangliosolu -reagoivat suoraan valolle (fotosens. pigmentti melanopsiini) - osallistuvat vuorokausirytmin säätelyyn (Suprachiasmaattinen tumake) Gangliosolujen keskusta-ympäristö reseptiivinen kenttä Off-keskustaisen gangliosolun vaste valon-varjon rajalle + - + - - - + - + - Spontaani vaste Optimaalinen vaste Vaste heikkenee ympäristön antagonistisen vaikutuksen vuoksi On- ja off-keskustaiset gangliosolut Gangliosolujen reseptiivisen keskustan aiheuttamat vasteet On-center Off-center Neuroscience (Purves et al. 4. ed) kuva 11.18 7
On-keskustaisen ganliosolun reseptiivisen kentän ympäristön vaikutuksesta Neuroscience (Purves et al. 4. ed) kuva 11.121 Horisontaalisolut säätelevät näköreseptoreiden toimintaa Gangliosolujen reseptiivisen kentän keskusta-ympäristö antagonismi syntyy horisontaalisolujen ja näköreseptoreiden välisten yhteyksien toiminnasta Horisontaalisolujen väliset yhteydet => tieto retinan valaistusasteesta laajalta alueelta Näköreseptoreiden glutamaatti depolarisoi horisontaalisoluja. Horisontaalisolujen välittäjäaine (inhibitorinen GABA) hyperpolarisoi näköreseptoreja Kun valo osuu gangliosolun reseptiivisen kentän ympäristöön, siinä oleva näköreseptori hyperpolarisoituu, siihen kytkeytynyt horisontaalisolu hyperpolarisoituu ja tämän horisontaalisolun GABA välitys keskustan reseptoriin vähenee. Seurauksen on keskustan näköreseptorin depolarisaatio!! => on-keskustaisen ganglionsolun vaste pienenee NÄKÖRADAT Näkökenttien edustus primaarisella näköaivokuorella Näkökenttäpuutoksen syyn paikantaminen Retinofugaaliset yhteydet (retinasta keskushermostoon): 1. Lateraaliseen polvitumakkeeseen (väliasema, josta näköinformaatio näköaivokuorelle) 2. Pretectumiin (pupillin valorefleksi) 3. Superioriseen colliculukseen (silmänliikekontrolli) 4. Hypothalamukseen (suprachiasmaattinen tumake; vuorokausirytmin kontrolli) 8
Lateraalinen polvitumake (LGN) Gangliosolujen aksonit muodostavat näköhermon (N.II). Näköhermo kuljettaa signaalin näköratoja pitkin talamuksen lateraaliseen polvitumakkeeseen. Paralleelinen prosessointi - kolme näkörataa: P(arvo)-, M(agno) ja K(onio) rata LGN:ään. Lateraalinen polvitumake Hermoradat silmästä päätyvät tumakkeessa järjestyneesti: Ratatyypin mukaan (M, P tai K-rata) Sen mukaan mistä silmästä tieto tulee C i Ipsilateral Contralateral CIICIC = siisik LGN Lateraalinen polvitumake on talamuksen tumake 2. Retina Pretectum Pupillin valorefleksikaari Välittää näköinformaation aivokuorelle 6 kerrosta: Vastakkaisesta silmästä yhteydet kerroksiin 1, 4 ja 6 Samanpuoleisesta silmästä kerroksiin 2, 3 ja 5 Tieto vasemmasta näkökentästä oikeaan LGN:ään ja oikeasta vasempaan LGN:ään. M(agnocellulaari) kerrokset: Liike, karkeat piirteet P(arvocellulaari) kerrokset: väri, muoto, tarkkaa tietoa K(oniocellulaari) kerrokset:väri, ehkä liike -Vain 10-20% LGN:n inputista retinasta, loput lähinnä cortexista Konsensuaalinen pupillaheijaste: myös toisen silmän pupilli supistuu N. Opticus Pretectum Edinger-Westphaltumake Preganglionaarinen parasymp. säie N. Oculomotoriuksen kanssa Ciliary ganlion Pupillin supistajaan Pupillin valorefleksi Silmällä sekä parasympaattinen että sympaattinen hermotus Kun silmään osuu valo pupillit pienenevät Pupillarefleksi: pupillin laajeneminen Sympaattinen hermotus saa aikaan pupillin laajenemisen Tieto valon määrästä etenee retinasta näköhermoa (N.II) (sen haaraa) pitkin pretectumiin (keskiaivot) Sieltä vas. ja oik. puoleiseen okulomotoriseen tumakkeeseen (Edinger-Westphal) N. oclumotoriuksen mukana (N. III parasymp. säikeet) Ganglion ciliareen (parasymp.) Mydriaasi: Dilaattori supistuu Mioosi: Supistaja supistuu Selkäytimen ylimmät thorakaalisegmentit Superiorinen cervicaalinen ganglio (synapsi postganglionaarisen sympaattisen hermon kanssa) Plexus carotikuksessa kohti silmää Silmässä hermottavat iriksen radiaalisäikeitä (dilaattori supistuu pupilli laajenee) Pupillin supistajalihakseen pupilli pienenee 9
3. Colliculus superioris -7 kerrosta -input retinasta ja cortexista -retinotooppinen kartta -ruumiin pinnan kartta -kartta auditiivisesta ympäristöstä -silmänliikkeiden kartoitus Merkitys silmien liikkeiden ohjauksessa => esim. nopea sakkaadi liikkuvaan visuaaliseen kohteeseen Primaarinen näköaivokuori (V1) V1:ssä 6 kerrosta -LGN:stä M-, P- ja nonm-nonp-syöttö eri kohtiin cortexia -pyramidaalisolut (efferenttejä) projektioneuroneita, muut interneuroneita - blob -alueille syöttö väri-informaatiosta M-rata P-rata ei-m, ei P-rata Primaarinen näköaivokuori -alue 17 = V1 = striate cortex = primaarinen näköaivokuori -noustessa retinasta kohti keskushermostoa: - - abstraktion taso lisääntyy - - tarvitaan yhä monimutkaisempi piirre solujen aktivointiin LGN:stä V1:lle kolmenlaista syöttöä i) M-solut yhteen kerrokseen (IVC ), josta edelleen eteenpäin (IVB): liike ii) P-solut toiseen kerrokseen (IVC ), josta edelleen ylemmäs (II &III) toisaalta blob -alueelle (värit) ja interblob-alueelle (piirteet) iii) nonp-nonm solut suoraan LGN:stä blob -alueelle (värit) (Huomaa tiedon binoculaarisuus siirryttäessä ensimmäisestä linkistä toiseen) David Hubel Torsten Wiesel Simple cells 10
V1:n kolumnaarinen organisaatio V1:n hyperkolumni -Peruskolumni: simple-soluja, jotka koodaavat viivan tietyn orientaation lähekkäisiltä näkökentän alueilta, ja lisäksi näiden yläpuolella complexsoluja, jotka saavat syötön simple-soluista -vierekkäiset peruskolumnit aistivat viivan eri orientaatioita samassa näkökentän osassa (retinotopia) -peruskolumnien välissä blob-alueita (värinäkö) -kolumnijoukko, joka aistii viivan kaikki eri orientaatiot saaden inputin yhdestä silmästä on ocular dominance column. Tämän vieressä vastaava toisen silmän vastaavasta näkökentän alueesta viivan kaikki orientaatiot aistiva kolumnijoukko (eli vastin ocular dominance column ). Hyperkolumni koostuu kahdesta ocular dominance kolumnista blob-alueineen. Se koodaa kaikki viivan orientaatiot tietyssä näkökentän alueessa, sekä vasemmasta että oikeasta silmästä, sekä väreihin liittyvän informaation ko näkökentän alueesta. Dual visual pathways: Mitä ja Missä radat Aivoissa kymmeniä näköä käsitteleviä aivoalueita Dorsaalinen rata: analysoi liikettä ja ärsykkeen paikkaan liittyviä suhteita Ventraalinen rata: analysoi muotoa, väriä, kasvojen ja muiden ärsykkeiden tunnistusta Felleman & Van Essen, Cereb. Cortex 1, 1 47 (1991). 11