20.5:

Фоторецепторы и зрительные пути

JoVE Core
Anatomy and Physiology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Anatomy and Physiology
Photoreceptors and Visual Pathways
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

3,595 Views

01:22 min
February 01, 2024

На молекулярном уровне визуальные сигналы запускают преобразования в молекулах фотопигмента, что приводит к изменениям мембранного потенциала фоторецепторной клетки. Энергетический уровень фотона обозначается длиной волны, при этом каждая конкретная длина волны видимого света связана с определенным цветом. Спектральный диапазон видимого света, классифицируемого как электромагнитное излучение, охватывает от 380 до 720 нм. Длина волны электромагнитного излучения, превышающая 720 нм, относится к категории инфракрасного излучения, а менее 380 нм — к ультрафиолетовому излучению. Синий свет соответствует длине волны 380 нм, в то время как темно-красный свет соответствует длине волны 720 нм. Другие цвета лежат в различных точках этого спектра длин волн, от красного до синего.

Пигменты опсинов, по сути, представляют собой трансмембранные белки, интегрированные с кофактором под названием сетчатка. Этот ретиналь является составной частью витамина А и молекулы углеводорода. Значительное биохимическое изменение в обширной углеводородной цепи молекулы сетчатки запускается при воздействии на нее фотона. Этот специфический процесс, известный как фотоизомеризация, переводит некоторые из углеродов с двойными связями внутри цепи из цис-конфигурации в транс-конфигурацию из-за фотонного взаимодействия. До фотонного взаимодействия гибкие углероды сетчатки с двойными связями находятся в цис-конформации, что приводит к образованию молекулы, известной как 11-цис-ретиналь. Углероды с двойными связями приобретают транс-конформацию при столкновении фотона с молекулой, образуя полностью транс-ретиналь, характеризующийся прямой углеводородной цепью.

Процесс визуальной трансдукции в сетчатке начинается с изменения структуры сетчатки в фоторецепторах. Это приводит к активации белков сетчатки и опсина, которые стимулируют G-белок. Затем активированный G-белок изменяет мембранный потенциал фоторецепторной клетки, вызывая уменьшение высвобождения нейротрансмиттеров во внешний синаптический слой сетчатки. Это состояние продолжается до тех пор, пока молекула сетчатки не вернется к своей первоначальной форме, 11-цис-ретинальной форме – процесс, называемый обесцвечиванием. Если значительное количество фотопигментов подвергается обесцвечиванию, сетчатка передает данные, как если бы они получали контрастные визуальные входы. Остаточные изображения, обычно наблюдаемые в виде изображений негативного типа, являются обычным явлением после воздействия интенсивной вспышки света. Ряд ферментативных изменений способствует процессу обращения вспять фотоизомеризации, тем самым обеспечивая реактивацию сетчатки в ответ на дополнительную световую энергию.

Опсины проявляют специфическую чувствительность к определенным длинам световых волн. Палочковый фотопигмент, родопсин, проявляет пиковую чувствительность к свету, который имеет длину волны 498 нм. С другой стороны, три цветовых опсина оптимально реагируют на длины волн 564 нм, 534 нм и 420 нм, которые примерно соответствуют основным цветам — красному, зеленому и синему. Родопсин, обнаруженный в палочках, демонстрирует более высокую чувствительность к свету, чем конусные опсины; Это означает, что палочки способствуют зрению при тусклом освещении, а колбочки — при более ярком. При нормальном солнечном свете родопсин непрерывно обесцвечивается, и шишки остаются активными. И наоборот, в тускло освещенной комнате интенсивность света недостаточна для стимуляции опсинов колбочек, что делает зрение полностью зависимым от палочек. На самом деле, стержни обладают настолько высокой чувствительностью к свету, что одиночный фотон может вызвать потенциал действия в соответствующем RGC стержня.

Конусные опсины, различающиеся по их чувствительности к различным длинам световых волн, обеспечивают способность воспринимать цвет. Анализируя реакцию трех уникальных типов колбочек, наш мозг извлекает цветовые данные из того, что мы видим. Рассмотрим, например, яркий синий свет с длиной волны около 450 нм. Это приведет к минимальной стимуляции «красных» колбочек, небольшой активации «зеленых» колбочек и значительной стимуляции «синих» колбочек. Мозг вычисляет эту дифференциальную активацию колбочек и интерпретирует цвет как синий. Однако в условиях тусклого освещения колбочки неэффективны, а палочки, которые не могут различать цвет, доминируют. В результате наше зрение при слабом освещении по сути монохромное, то есть в темной комнате все выглядит в разных оттенках серого.

Некоторые распространенные заболевания глаз:

Дальтонизм, клинически известный как ахроматопсия, — это состояние, характеризующееся дефицитом различительных цветов. Это заболевание обычно возникает в результате наследственного дефекта колбочек сетчатки (светочувствительных клеток). Симптомы могут включать трудности с различением цветов или оттенков цветов.

Куриная слепота, в медицине называемая никталопией или гемералопией, — это расстройство, которое влияет на способность человека видеть при слабом освещении или ночью. Причины могут варьироваться от дефицита витамина А до основных заболеваний, таких как пигментный ретинит. Люди с этим расстройством испытывают трудности с ночным зрением или адаптацией к тусклому освещению.

Катаракта, распространенное заболевание глаз, особенно у пожилых людей, характеризуется помутнением обычно прозрачного хрусталика глаза. Это может привести к нечеткому зрению, подобно тому, как если бы вы смотрели через запотевшее окно. Большинство катаракт развиваются медленно с течением времени и в конечном итоге могут мешать зрению.

Глаукома — еще одно тяжелое заболевание глаз, при котором зрительный нерв, который отправляет изображения в мозг, повреждается из-за повышенного давления в глазу. Это может привести к потере зрения, если его не лечить. Самый распространенный тип глаукомы, открытоугольная глаукома, часто не имеет никаких симптомов, кроме постепенной потери зрения.