Цикл лекций по физиологии нервной системы 20 10 -201 1 г.г. Лекция 9 Проф. Лев

Магазаник
Проф. Николай Петрович Веселкин
Медицинский факультет СПбГУ
Сенсорные системы
Общая характеристика сенсорных

рецепторов
Зрительная система

клетки

auditory, and visual systems. Receptors are specialized structures that adopt

different shapes depending on their function. In the somatosensory system the receptor is a specialized peripheral element that is associated with the peripheral process of a sensory neuron. In the auditory and visual systems, a distinct type of receptor cell is present. In the auditory system, the receptor (hair cell) synapses directly on the ganglion cell, whereas in the visual system, an interneuron receives synapses from the photoreceptor and in turn synapses on the retinal ganglion cell. Adapted from Bodian (1967).

прямо пропорциональна амплитуде
Закон Вебера-Фехнера, «основной психофизический закон», по которому сила

ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя

закон Стивенса R=kSA , где R — субъективная величина или ощущение, S — стимул, A — показатель степени функции и k — константа, зависящая от единиц измерения.

Адаптация
Пространственная и временная суммация
Аффект, эмоциональный компонент ощущения

Параметры сенсорных стимулов

больших полушарий заняты обработкой зрительных стимулов

/ Рамон-a-Кахал, 1901 г/
Fovea
Палочки и колбочки

которого поглощение кванта света фоторецепторными клетками глаза приводит к генерации

нервного сигнала. Фоторецепторы сетчатки позвоночных представлены палочками и колбочками.

отделах сетчатки преобладают палочки

В области «ямки» (fovea) – палочек очень

мало, преобладают колбочки

амакриновых клеток
Ядра ганглиозных клеток
Глиальная Мюллеровская клетка
Пигментный эпителий
Слои наружных и

внутренних сегментов палочек и колбочек

Свет

primate retina. R, rod; C, cone; H, horizontal cell; FMB,

flat midget bipolar; IMB, invaginating midget bipolar; IDB, invaginating diffuse bipolar; RB, rod bipolar; A, amacrine cell; MG, midget ganglion cell; P, parasol cell. Adapted from Dowling (1997).

палочек и от 4 до 6 млн колбочек.
Дневные рецепторы

– колбочки – имеют коническую форму. Их чувствительность гораздо ниже, чем у палочек, но зато они обеспечивают высокую остроту зрения, реагируют быстро и
позволяют различать цвета.

Палочки имеют цилиндрическую форму. Они являются рецепторами ночного зрения, обладают высокой чувствительностью, но не способны различать цвета, обеспечивают низкую разрешающую способность и реагируют на свет относительно медленно.

Свет !

палочки до родопсина
Поглощает свет с длиной волны 500 нм (сине-зеленная

часть спектра), в темноте имеет пурпурную окраску

Плотность упаковки родопсина – 25 000 молекул на 1 кв. микрон
У человека в диске 109 молекул

группы:
Спектральная настройка зрительных пигментов.
Фотоизомеризация: время – фемтосекунды,

квантовый выход – 0,67.
Лиганд-антагонист в темноте
Лиганд– агонист на свету

вызывает его диссоциацию на Ga и Gbg субъединицы.
Фосфолипидная мембрана
Трансдуцин

11-цис ретиналя

взаимодействие метародопсина II

с G-белком

разрыв связи полностью-транс ретиналя с белком и высвобождение полностью-транс ретиналя из белка

1

2

3

Фотолиз родопсина: III стадия

Темновая регенерация родопсина

ms

min

ингибирована
Концентрация цГМФ высока Натриевые

каналы открыты

:

Фоторецепторная клетка деполяризована

В темноте

Ионный механизм генерации сигнала в фоторецепторах позвоночных
В темноте: много

cGMP натриевые каналы в мембране наружных сегментов открыты: ионы натрия ( и кальция) входят в НС, а ионы калия выходят из внутреннего сегмента. ФР деполяризован. Глутамат непрерывно секретируется и активирует следующую клетку – биполяр.

На свету: натриевые каналы закрываются из-за снижения cGMP, фоторецептор гиперполяризован. Секреция глутамата и, соответственно, активация биполяра прекращаются.

Освобождение глутамата

гуанозинмонофосфат (3’, 5’-цГМФ). Концентрация цГМФ в цитоплазме наружного сегмента определяется

балансом между скоростью его синтеза из ГТФ гуанилатциклазой и гидролиза до ГМФ специфической фосфодиэстеразой (ФДЭ). В темноте активность ФДЭ относительно низка, и концентрация цГМФ соответственно высока (несколько мкМ). При этом катионные каналы плазматической мембраны непосредственно связывают цГМФ и переходят в открытое состояние. Проницаемость плазматической мембраны для катионов (Na) высока, и фоторецептор деполяризован.
На свету
Освещение активирует фосфодиэстеразу, концентрация цГМФ понижается, и фоторецептор гиперполяризуется.

альфа-субед. активирует ФДЭ (3-й этап)

Уровень цГМФ снижается (4-й этап) Натриевые каналы закрываются (5-й этап) Фоторецептор гиперполяризован (6-й этап) Прекращается секреция глутамата

II, обозначенный на рис. как R*) приводит к (1) к

взаимодействию с ГТФ-связывающим белком трансдуцином (на рис. – Т). (2) замене ГДФ на ГТФ, что приводит к диссоциации тримера трансдуцина, освобождению активной Tα-ГТФ субъединицы и неактивного димера Tβγ (3) в процессе Броуновского движения в мембране диска R* сталкивается со многими молекулами трансдуцина и генерирует от 100 до 200 активных Tα-ГТФ в секунду. (4) В дальнейшем каждая Tα-ГТФ образует комплекс с одной молекулой фосфодиэстеразы, приводя ее в активное состояние. Фосфодиэстераза представляет собой тетрамер, состоящий из двух каталитических субъединиц, α и β, и связанных с ними двух ингибиторных γ-субъединиц. Присоединяясь к ФДЭ, Tα-ГТФ снимает ингибирование, и каталитическая активность фермента увеличивается в несколько сот раз. (5) Активация гидролиза приводит к понижению цитоплазматической концентрации цГМФ и закрыванию каналов плазматической мембраны.

Са
Активируется белок – рековерин, что приводит к востановлению цис-формы родопсина

на всех стадиях. (1) Метародопсин II теряет свою каталитическую активность

в результате множественного фосфорилирования родопсинкиназой и последующего связывания со специфическим белком аррестином (RhK и Arr на рис. ). (2) ФДЭ выключается в результате присущей трансдуцину ГТФ-азной активности. (3) Превращение ГДФ в ГТФ приводит к освобождению Tα-ГДФ от ФДЭ и восстановлению ингибирующего действия γ-субъединицы. (4) Tα-ГДФ затем рекомбинирует с Tβγ, восстанавливая «темновой» тример трансдуцина и делая его готовым к следующему циклу активации. (5) После инактивации ФДЭ концентрация цГМФ восстанавливается в результате синтеза его гуанилциклазой, и ионные каналы вновь открываются, восстанавливая низкий «темновой» мембранный потенциал и секрецию глутамата из фоторецепторной клетки в синапсе с биполяным нейроном.

на одном биполяре.
Хотя общее число фоторецепторов 126 млн, число

волокон в оптическом нерве 1.2 млн, т.е. конвергенция 105:1.

клетки
Их аксоны в составе оптического нерва нправляются в коленчатое тело
Горизонтальные

и амакриновые клетки модулируют этот процесс передачи сигнала
Медиаторы Глутамат – фоторецепторы и биполяры, ГАМК (горизонтальные клетки), АХ, дофамин, серотонин, глицин (амакриновые клетки) VIP – (развитие глаза, миопия)

передачи сигнала: (i) синапс биполяра палочки на пресинапсе биполяра колбочки;

(ii) через специальную амакриновую клетку.
Горизонтальные клетки координируют передачу сигнала с фоторецепторов на биполяры.
Амакриновые клетки, связь между биполярами палочек и ганглиозными клетками. Гиперполяризация палочки при освещении вызывает деполяризацию части биполяров (за счет уменьшения гиперполяризации через метаботропные рецепторы ) - деполяризация амакриновой клетки глутаматом - потенциал действия амакриновой клетки и секрецию глицина - подавление off-ганглиозной клетки - одновременно через электрический синапс активация on- ганглиозной клетки. На самом деле все сложнее – существует 20 типов амакриновых клеток, секретирующих разные медиаторы (допамин, серотонин, ГАМК и АХ и др.) и модуляторы (пептиды, VIP).
Ганглиозные клетки делают информацию дискретной - сообщают об изменениях, дают возможность сопоставлять ситуацию в разных рецептивных полях.

клеток и соответственно темнотой и частотой off-ганглиозных. клеток. Таким образом

ганглиозные клетки игнорируют большую часть информации, получаемой фоторецепторами. Скорее они измеряют различия между рецептивными полями, сравнивая степени освещенности в центре и в окружении. Они игнорируют градуальные изменения в общем освещении. Они исключительно приспособлены детектировать контраст на краю изображения или полоски, пересекающей противоположные части рецептивного роля. Три слоя сетчатки экстрагируют и анализируют большую часть информации об окружающем мире, отбирая необходимое и отбрасывая сведения о фоновом освещении.

(без фоторецепторов)
наружный синаптический слой
горизонтальные, биполярные
и

амакриновые клетки

внутренний синаптический слой

ганглиозные клетки с аксонами

при падении на нее пятна света.
Существуют Н – биполяры (свет

приводит к их гиперполяризации и D – биполяры (деполяризация)
В первом случае обладают глутаматными ионотропными рецепторами, во втором – метаботропными.

Горизонтальные клетки –ГАМКергические тормозят как фоторецепторы, так и биполяры. Все гориз.кл. связаны между собой электрическими синапсами, образуя функциональный синцитий.

Главный результат – повышение контраста точечного изображения

биполярными клетками.
Горизонтальная клетка
(H)
(D)
Ножка колбочки в темноте секретирует в обоих

типах синапсов глутамат.
Постсинаптическая мембрана Н-биполяра содержит ионотропные рецепторы глутамата,
а D-биполяра – метаботропные рецепторы глутамата.

Y. LETIVIN, H. R. MATURANA,§
W. S. McCULLOCH,:!: AND W.

H. PITTS:!:

This paper originally appeared in the Proc. Inst. Ruuio Engr., 1959, vol. 47,
pages 1940-1951. Reprinted by pennission of Dr. Lettvin and the Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.

отвечает деполяризацией на освещение вокруг рецептивного поля
D – биполяр в

тех же условиях дает ответы другого знака и тогда это клетка с “off” центром

Клетка с “on” центром

измерять различия света в пределах своих рецептивных полей, сравнивания уровни

в центре и на периферии.

Они настроены на выявление контрастов на границах контуров изображения.
Они слабо реагируют на изменения рассеянного света

the nasal retina cross at the optic chiasm and join

axons from the temporal retina of the other eye. Together, these contralateral and ipsilateral axons make up the optic tract, which projects to the LGN. Each of the six layers of the LGN receives input from only one eye. Axons from the LGN make up the optic radiations, which project to the striate cortex. Adapted from Polyak (1941).

Зрительные пути

по аксонам и выявляется в нейронах и волокнах зрительных центров

(на фото - черный цвет)

Tectum opticum

Слой меченых
зрительных волокон

Меченые нейроны

layer 6 to 1 indicates organization of the precisely aligned

retinotopic maps of the six layers. The receptive fields of neurons found along this line are located at the same position in visual space. From Hubel and Wiesel (1977).

Наружное коленчатое ядро

(A) Determination of a visual field map in the human

primary visual cortex shows that more than half this area is devoted to the central 10° of the visual field. Very little is devoted to the visual periphery beyond 40°. From Horton and Hoyt (1991). (B) Figure of how the human body would appear if the body surface were a perfect reflection of the map in the first somatosensory cortex. The mouth and tongue and the tip of the index finger enjoy a greatly enlarged representation in the thalamus and cortex.