Вступление

В данной статье будут рассмотрены основные функции зрения, а также современный взгляд ученых на то, как функционирует орган, с помощью которого мы получаем до 80% информации . Мы коснемся послойного анатомического разбора сетчатки, разберемся с тем, как работают фоторецепторы, и узнаем ответ на вопрос - по чьей вине миллионы лет у наших предков не было цветного зрения.

Зрительная сенсорная система

Зрительная сенсорная система состоит из периферической части, представленной глазным яблоком (bulbus oculi), проводящими путями, включающими в себя зрительный нерв, зрительный тракт, лучистость Грасиоле и центральный отдел системы. Центральный отдел состоит из подкорковых центров (наружные коленчатые тела и передние бугры четверохолмия) и коркового зрительного центра затылочной доли головного мозга . Подкорковые пути (пунктирная линия на рисунке) филогенетически более древние, чем корковые (целая линия) . Это обстоятельство обуславливает весьма важную вещь с точки зрения выживания: скорость реакции. Амигдала (миндалевидное тело), получающая информацию по подкорковым путям, мгновенно реагирует на опасность и незамедлительно принимает решение. Всякий раз, когда вы уворачивались от ветки или другой иной угрозы еще до того как осознавали опасность, вы делали это благодаря подкорковым зрительным путям. Схема зрительной сенсорной системы. Источник: журнал Nature.

Пять нейронов

Сетчатка глаза является периферическим отделом зрительной сенсорной системы, и прежде чем нервный импульс, полученный от возбужденных фоторецепторов, попадет в первичную зрительную кору, ему придется пройти путь, содержащий в себе 5 нейронов . Их мы сейчас и рассмотрим.

Первый нейрон

Это фоторецепторная клетка (палочка или колбочка), основная функциональная клетка сетчатки. Свет, проходя через оптические среды глаза, вызывает фотохимические реакции в этих клетках, которые приводят к образованию потенциала действия.

Второй и третий нейрон

Нервный импульс, прежде чем покинуть сетчатку, должен сначала попасть от фоторецепторов на биполярные клетки, а от них на ганглионарные, аксоны которых, собираясь в пучки, образуют зрительный нерв. В области турецкого седла волокна зрительных нервов, идущие от обоих глаз, образуют частичный перекрест и обмениваются поступающей информацией между собой. После перекреста начинается зрительный тракт, который содержит волокна от наружной половины сетчатки своего глаза и внутренней половины сетчатки противоположного глаза.

Четвертый нейрон

Подкорковые структуры:  боковое коленчатое ядро, амигдала, верхнее двухолмие, задний бугорок зрительного бугра. От верхнего двухолмия нервный импульс идет в парасимпатическое ядро III пары черепных нервов, а также тектальную и претектальную область. От тектальной области начинается тектоспинальный тракт, обеспечивающий ориентировочную реакцию или рефлекс "что такое?" по Павлову, т.е. поворот в сторону неожиданного источника света (или звука, поскольку туда идут и пути от задних холмов). Реакция, которая возникает еще до того, как сигналы дойдут до коры. От ядра же импульс передается через ресничный узел к сфинктеру зрачка, и происходит его сужение.

Пятый нейрон

Аксоны пятых нейронов в таламусе и боковом коленчатом ядре образуют зрительную лучистость (пучок Грасиоле), которая заканчивается в шпорной борозде (первичная зрительная кора). Весь этот сложный путь: от попадания света в зрачок до обработки импульса в коре головного мозга, занимает определенное время. Задержка составляет примерно 180 миллисекунд , поэтому даже читая этот текст, вы видите прошлое. Постарайтесь жить с этим.

Орган зрения

Наилучшим способом понимания того как функционирует зрение у человека, будет последовательное изучение структур, подобно тому, как импульс будет идти по всем его частям. Итак, орган зрения представлен глазным яблоком, зрительным нервом и вспомогательными органами (слезные органы, мышцы, веки, орбита).

Сетчатка

  A. Диаграмма глаза; увеличенная диаграмма фовеа (в прямоугольнике). Сетчатка залегает во внутренней линии на протяжении почти всей задней части глаза. Ретинальный пигментый эпителий (РПЭ), подобно сэндвичу, находится между сетчаткой и хориоидеей, васкуляризированной и пигментированной соединительной тканью. B. Диаграмма, показывающая послойное строение клеток сетчатки. R (от англ. rod), палочки; C (от англ. cone),колбочки; B , биполярные клетки; H - горизонтальные клетки; A, амакриновые клетки; G, ганглионарные клетки; M, клетки Мюллера. C. Гистологический срез сетчатки, окрашенный гематоксилином-эозином. У сетчатки выделают несколько слоев. Ядра фоторецепторов образуют наружный ядерный слой (НЯС). Ядра биполярных, амакриновых, горизонтальных и глиальных клеток Мюллера обнаруживаются во внутреннем ядерном слое (ВЯС). Ядра же ганглионарных клеток обнаруживаются в слое ганглионарных клеток (СГК). Наружный плексиформный слой (НПС) содержит в себе отростки и синаптические окончания фоторецепторов, горизонтальных и биполярных клеток. Отростки глиальных клеток Мюллер заполнют все пространство сетчатки, которое не занято нейронами или кровеносными сосудами. Изображение из Swaroop and Zack (2002), издано BioMed Central   Глаз - это оптическая система, которая переносит и фокусирует свет на сетчатке. Сетчатка представляет из себя тонкую полоску нервной ткани, толщиной примерно в 0,2 мм.  Для того, чтобы функционировать в качестве приемника света, сетчатка имеет пять главных типов клеток: фоторецепторы, биполярные клетки,амакриновые клетки, горизонтальные клетки и ганглионарные клетки. Эти клетки, а также отростки этих клеток участвуют в усилении, экстракции и сжатии, чтобы сохранить необходимую информацию прежде, чем она попадет в средний мозг и таламус через зрительный нерв (аксоны ганглионарных клеток). Информация от сетчатки, полученная средним мозгом, участвует в управлении движениями глаз, влияет на ширину зрачка, сообщает амигдале о какой-либо опасности, а также играет важную роль в регуляции циркадных ритмов. Только та информация, которая доходит до бокового коленчатого тела, участвует в восприятии зрительных сигналов, которые далее идут в зрительную кору. Здесь информация о тени, цвете, движениях, глубине собирается вместе, чтобы после синтеза создать ощущение зрения .

Самые важные клетки сетчатки

Фоторецепторы

Палочки и колбочки. Источник: Fine Art America. Палочки и колбочки являются двумя типами фоторецепторов. Именно благодаря фотохимическим процессам, происходящих в этих клетках, мы можем видеть. Зрительное восприятие начинается в тот момент, когда фотон света изомеризует хромофор в зрительном пигменте фоторецепторных клеток. Возбуждение, которое образовалось в зрительном пигменте, далее запускает каскад передачи сигнала, который усиливает мощность и приводит к закрытию катионных каналов на плазматических мембранах. Это приводит к тому, что клетки становятся гиперполяризованными. На изменение мембранного потенциала реагируют синапсы, которые отвечают высвобождением нейротрансмиттеров. Информация далее передается на биполярные клетки и впоследствии на ганглионарные клетки, которые передают сигнал дальше по проводящим путям. В процессе прохождения через сетчатку, информация также изменяется из-за взаимодействия с амакриновыми и горизонтальными клетками. Зрительными пигментами колбочек являются йодопсины, которые настроены на разные части спектра, а палочки обладают лишь родопсином, способный из цветов различать лишь изумрудную часть спектра.

Поле зрения

Поле зрения. Источник: J L Fitzaerleysity (2007) Lectures: Visual Pathways, University of Minnesota Duluth Поле зрения - это видимое глазом (глазами) пространство при фиксированном взоре. Периферическое зрение помогает ориентироваться в пространстве и является одной из функцией фоторецепторов. Причем для периферического зрения в большей степени важны палочки чем колбочки, которые отвечают за центральное зрение. Форма поля зрения каждого глаза в норме обуславливается строением глазницы, носом, а также слепым пятном -- диском зрительного нерва у позвоночных. Два разных изображения от двух глаз сливаются в единую картину благодаря фузии (психофизиологический акт слияния монокулярных изображений) . Нормальное поле зрения. Источник: www.militarydisabilitymadeeasy.com

Колбочки

Строение колбочки (сетчатка).
1 — мембранные полудиски;
2 — митохондрия;
3 — ядро;
4 — синаптическая область;
5 — связующий отдел (перетяжка);
6 — наружный сегмент;
7 — внутренний сегмент. Источник: ru.wikipedia.org Колбочки отвечают за центральное зрение, а также распознавание цвета. Выполнять свою функцию могут только при достаточном освещении. Колбочки обладают конической формой из-за особенного строения своего светочувствительного наружного сегмента. Любопытный факт, в английском языке эти клетки называются конусами (cone cell). Наружный сегмент колбочек представляет из себя видоизмененные реснички и является светочувствительной органеллой. По своему строению наружный сегмент обычно представлен структурой, содержащей сложенные в ряды мембранные полудиски.

Зеница ока

Важнейшей частью сетчатки является область, получившее свое название (из-за цвета) "желтое пятно" (синонимами является macula lutea или просто macula). В центре желтого пятна располагается фовеа (ямка), а в центре фовеа - фовеула . Именно в этом месте достигается наибольшая острота зрения ((visus) - способность глаза воспринимать две точки, расположенные на минимальном расстоянии друг от друга, как отдельные). Почему? Сейчас разберемся. У человека и других высших приматов (но не всех млекопитающих) фовеа достигает примерно 700 нанометров в диаметре. В фовеа наблюдается наибольшая зрительная активность в сравнении с другими участками сетчатки, что вызвано структурными и композиционными изменениями в этом регионе. Как пример особенности этой зоны: тела клеток проксимальных нейронов сетчатки немного сдвинуты в сторону, чтобы свет достигал фоторецепторов с минимальными искажениями. Фовеа состоит преимущественно из колбочек, количество которых увеличивается по мере движения в сторону фовеолы. Такая система дает очень высокое разрешение зрительной информации, что вызвано еще одним интересным механизмом: каждая колбочка в фовеа соединена только с одной биполярной и одной ганглионарной клеткой. В других частях сетчатки каждая биполярная и ганглионарная клетка работает со множеством фоторецепторов, а не с одним, как в фовеа.

Палочки

Строение палочки сетчатки глаза: 1 — наружный сегмент (содержит мембранные диски), 2 — связующий отдел (ресничка), 3 — внутренний отдел (содержит митохондрии), 4 — основание с нервными окончаниями. Источник: ru.wikipedia.org Палочки отвечают периферическое зрение, а также за зрение при тусклом свете и, в отличие от колбочек, существует только один тип палочек, которые, в свою очередь, являются преобладающими клетками в сетчатке.  В процессе эволюции, палочки приобрели особенную структуру, которая отличается высокой светочувствительностью, и для возбуждения одного фоторецептора такого типа достаточного лишь одного фотона. Каждая палочка содержит в себе следующие части: наружный сегмент, внутренний сегмент, ядро и аксон/синаптическое окончание. Длина наружного сегмента палочек достигает от 30 до 60 нанометров, а толщина примерно 1,4-10 нанометров. При изучении продольного среза палочки можно отметить необычную форму наружного сегмента, который по своему строению напоминает расческу. "Спинка" этой расчески является соединительной ресничкой, которая содержит в себе аксонемальные микротрубочки и составляет примерно половины длины наружного сегмента. Аксонемальные микротрубочки, подобно якорю, прикрепляются ко внутреннему отделу палочки в дистальном отделе внутреннего сегмента и далее продолжаются вдоль соединительной реснички. Во внутреннем сегменте происходят процессы метаболизма, биосинтеза и эндоцитоза. Процесс фоторецепции является очень энергозатратным, и поэтому во внутреннем сегменте так много митохондрий. Процесс фототрансдукции (восприятия света) начинается в наружных сегментах фоторецепторов. Свет инициирует изомеризацию 11-цис ретиналя, хромофора, ковалентно связанного с родопсином, который находится внутри мембраны дисков. После воздействия света, измененный родопсин активирует гетеротример G-белка трансдуцина, катализируя превращение гуаниндифосфата (ГДФ) в гуанинтрифосфат (ГТФ). Диссоциированные альфа-субъединицы трансдуцина затем активитуют фермент цГМФ-фосфодиестеразу, которая сразу же осуществляет гидролиз цитоплазматического цГМФ. Уменьшение концентрации циклического гуанинмонофосфата в приводит к закрытию цГМФ-зависимых каналов на плазматической мембране. Все это приводит к тому, что клетки становятся гиперполяризованными и выпускают меньше трансмиттеров, влияющих на глутаматные рецепторы . Но... Что дальше? Почему? Как снижение концентрации глутамата приводит к образованию нервного импульса? На этот вопрос мы сможем ответить после того как узнаем немного больше о биполярных клетках и горизонтальных клетках, которые содержат эти глутаматные рецепторы. Упрощая можно сказать следующее: в результате снижения количества глутамата биполярные клетки деполяризуются, а горизонтальные гиперполяризуются. Этот процесс лежит в основе кодирования зрительной информации.

Биполярные клетки

Биполярные клетки сетчаток макаки и мыши. Источник: http://old.journal.frontiersin.org/article/10.3389/fnana.2014.00105/full Биполярные клетки сетчатки являются первыми проекционными нейронами в системе зрительной сенсорной системы и соединяют палочковые и колбочковые нейроны с ганглионарными нейронами сетчатки . В строении биполярного нейрона можно выделить округлое тело, дендриты, идущие к фоторецепторам, аксон и его ветви, передающие сигнал на ганглионарные клетки .

ВКЛ и ВЫКЛ

Реакции on-и off-биполяров на освещение сетчатки пятном света, попадающего в центр рецептивного поля. Источник: ru.wikipedia.org У позвоночных существует множество типов биполярных нейронов, но главным образом их можно классифицировать следующим образом: OFF-нейроны (OFF cone bipolar cell (OFF-CBC)) колбочек, ON-нейроны (ON cone bipolar cell (ON-CBC)) колбочек и биполярные нейроны палочек (Rode bipolar cell (RBC)).  Биполярные нейроны получают сигналы, основанные на концентрации глутамина, выделяемого фоторецепторами, а также на ГАМК, выделяемой горизонтальными и амакриновыми клетками. Глутаматные сигналы (снижение концентрации) от фоторецепторов до off-биполяров — возбуждающие, а у биполяров с on-центром эти синапсы — тормозные. Таким образом ON-CBC и RBC нейроны деполяризуются на свету, а OFF-CBC в темноте, а гиперполяризуются, соответственно, наоборот. Зрительные сигналы, полученные от биполярных нейронов, в зависимости  от освещения, далее кодируются ганглионарными клетками и передаются через их аксоны в головной мозг. Источник: Wässle H., Yamashita M., Greferath U., Grünert U., Müller F. 1991 The rod bipolar cell of the mammalian retina.Vis. Neurosci. 7, 99–112.

Амакриновые и горизонтальные клетки

Амакриновые клетки

Сетчатка, окрашенная cdk2/cyclin2. Красная стрелка указывает на амакриновую клетку. Источник: ru.wikipedia.org Амакриновые клетки -- это наиболее разнообразные по своему виду клетки сетчатки (выделяют до 42 различных вариаций этих клеток) . Амакриновые относятся к интернейронам, которые осуществляют связь на втором синаптическом уровне вертикального пути: нейросенсорная клетка → биполярный нейрон → ганглионарный нейрон. Их синаптическая активность во внутреннем сетчатом слое проявляется в интеграции, модуляции, включении сигналов, идущих к ганглионарным нейронам . Именно локальные взаимодействия между биполярными, амакриновыми и ганглионарными клетками позволяют осуществлять качественную передачу сигнала с сетчатки .

Горизонтальные клетки

Горизонтальная клетка. Источник: http://old.neurolex.org/ Горизонтальные нервные клетки располагаются в один или два ряда. Они отдают множество дендритов, которые контактируют с аксонами нейросенсорных клеток. Аксоны горизонтальных нейронов, имеющие горизонтальную ориентацию, могут тянуться на довольно значительном расстоянии и вступать в контакт с аксонами как палочковых, так и колбочковых нейронов .

Контроль качества

Амакриновые и горизонтальные клетки секретируют такие медиаторы, как ГАМК, глицин, дофамин, ацетилхолин и индоламин, оказывающие тормозные эффекты , наиболее важным из которых является ГАМК. И амакриновые, и горизонтальные клетки используют этот медиатор для тормозного воздействия на биполярные клетки. Зачем? Для уменьшения помех и повышения контрастности . Этот эффект называется латеральным торможением. Суть эффекта латерального торможения в следующем: ГАМК, секретируемая амакриновыми и горизонтальными клетками, вызывает временную блокаду в передаче импульсов от фоторецепторов к биполярным нейронам, что увеличивает контраст в зрительном восприятии .

Обратная связь

Секреция ГАМК не является единственным способом с помощью которого горизонтальные клетки влияют на фоторецепторы. Колбочки и горизонтальные клетки имеют реципрокное соединение, которое также лежит в основе латерального торможения и установления центрально-периферического антагонизма в сетчатке органа зрения. Колбочки передают на горизонтальные клетки возбуждающий сигнал и горизонтальные клетки отвечают на это тормозным сигналом. Для того, чтобы горизонтальные клетки "понимали" фоторецепторы, они обладают чувствительным к глутамату AMPA-рецептором.

Положительный синапс

Горизонтальные клетки передают колбочкам сигнал, который приводит к повышению внутриклеточного уровня кальция, что вызывает ускорение секреции нейротрансмиттера (глутамата).

Отрицательный синапс

Были выдвинуты три гипотезы, призванные объяснить механизмы функционирования этих инвертирующих сигналы синапсов; а именно, каким образом деполяризация горизонтальных клеток подавляет высвобождение нейромедиаторов из колбочек.

• Первая гипотеза: горизонтальные клетки секретируют ГАМК, гиперполяризуя мембраны колбочек.
• Вторая гипотеза связана с эфапсами (эфаптическими механизмами): она предполагает, что электрические токи через каналы в дендритах горизонтальных клеток локально изменяют трансмембранный потенциал на терминалях колбочек. Предполагается, что с помощью эфапсов опосредуется отрицательная обратная связь и модулируется мощностью сигнала колбочек.
• Последняя гипотеза связывает описанные эффекты с эффлюксом протонов, возникающим при деполяризации горизонтальных клеток, при котором происходит закисление межклеточной среды, что ингибирует мембранные потенциал-зависимые кальциевые каналы в колбочках.

Ученые спорят о том, какой из трех механизмов играет наибольшую роль в проведении отрицательной обратной связи к колбочкам .

Друг или враг?

Пожалуй наиболее интересной особенностью амакриновых клеток, является способность реагировать на движение , причем эти клетки способны даже различать движется ли это фон или какой-либо объект . С эволюционной точки зрения такая способность весьма выгодна, она позволяет избегать хищников или другую опасность, а также замечать добычу или союзников .

Все краски мира

Цветовосприятие - функция колбочек. Существует три типа колбочек, каждый из которых содержит только один из трёх разных (красный, зелёный и синий) зрительных пигментов . Цветовое зрение -- это одно из наиболее важных ощущений, которое мы получаем от окружающего мира. Приматы отличаются от других млекопитающих тем, что обладают двумя независимыми цветовораспознающими системами, которые дифференцируют информацию от настроенных на определенный спектр колбочек. К этим системам относят красно-зеленую или L/M и сине-желтую или S/(M+L). Латинские буквы в названиях этих систем обозначают типы волн на которые настроены эти колбочки: short (короткие, S), medium (средние, M) и long (длинные, L), соответственно. Другие млекопитающие по своему зрению напоминают людей, страдающих от X-сцепленной цветовой слепоты и обладают только двумя типа колбочек, одной из которой будет S, а другой M или L. Таким образом у других млекопитающих есть только одна система  . Нормализованные графики чувствительности человеческих клеток-колбочек различных видов (К, С, Д) и клеток-палочек (П) к различным частям спектра. NB: ось длин волны на данном графике логарифмическая. Источник: ru.wikipedia.org

Борьба за цвет

Две системы цветовосприятия у приматов находятся в антагонистических отношениях из-за того, что сигналы от близко расположенных колбочек дифференцируются с помощью латерального торможения, которое используется для того, чтобы уменьшить перекрывание между частями спектра и, таким образом, позволяет лучше различать переход между разными длинами волн. Классическая схема цветового антагонизма представлена двумя составляющими:

1. Центральным ответом рецепторного поля, который образован on- и off-биполярными клетками и представлен некоторой выборочной информацией, поступающей от S- и M-колбочек
2. Периферическим антагонизмом, возникающим из-за воздействия горизонтальных клеток на светочувствительные окончания колбочек .

Во всем виноваты динозавры

Пургаториус, древнейший предок приматов, прячется от динозавра

Перезарядка

Фоторецепторы очень чувствительны к окружающей среде, так как им постоянно приходится сталкиваться с воздействием большого потока фотонов и свободных радикалов. Укладка дисков в наружном сегменте делает возможным ежедневное плановое восстановление(обновление) этих дисков; новые диски собираются у основания НС, в то время как старые диски на верхушке уничтожаются соседними клетками ретинального пигментного эпителия. Полное обновление наружного сегмента занимает ~ 10 дней у высших позвоночных и 6-9 недель у низших позвоночных .

Шиворот-навыворот

Сетчатка мыши. Ph: photoreceptors (фоторецепторы). OPL/IPL: Outer/Inner Plexiform Layers (наружный и внутренний плексиморфные слои). INL: Inner Nuclear Layer (внутренний ядерный слой). GCL: Ganglion Cell Layer (слой ганглиозных клеток). Изображение: http://old.wonglab.biostr.washington.edu/ Вы наверняка обратили внимание на то, что сетчатка перевернута и поэтому свету приходится сначала проходить все другие слои сетчатки прежде, чем он дойдет до фоторецепторов. Это связано с тем, что пигментный эпителий участвует в обменных процессах, поддерживая функционирование фоторецепторов, а также поглощает свет . Но каким образом свет легко проходит сквозь такую толщину нервных волокон? Ответ прост: они лишены миелина и прозрачны .

Цикл родопсина и "куриная слепота"

Фотоизомеризация превращает 11-цис-ретиналь в алло-транс-ретиналь и затем в алло-транс-ретинол в наружном сегменте колбочек. Алло-транс-ретинол покидает наружный сегмент и перемещается в пигментный эпителий, где под действием ферментов снова превращается в 11-цис-ретиналь. 11-цис-ретиналь возвращается в наружный сегмент, восстанавливает родопсин и цикл повторяется. Все дело в том, что другое название ретинола - это витамин А, поэтому его недостаток в питании будет приводить к нарушении работы палочек. Нарушение работы палочек приводит к ухудшению сумеречного зрения или гемералопии, которую в народе прозвали "куриной слепотой" (курицы действительно плохо видят в сумерках).

Швейцарский нож

Швейцарский нож. Изображение: http://old.www.rei.com/ Если сравнивать глаз человека с органами зрения других животных, то можно было бы найти интересное сравнение — швейцарский нож. Да, мы не различаем столько оттенков, сколько рак-богомол, у нас не такая потрясающая острота зрения, как у орла, и мы не видим ночью так же хорошо, как кошки. Однако не спешите грустить, потому что несмотря на кажущееся превосходство, глаза этих животных по большей части приспособлены выполнять какую-либо одну задачу. Мы восхищаемся орлиным зрением, но ночью оно работает хуже чем у людей. С точки зрения эволюции универсальный инструмент, пусть и не такой хороший, как если бы он делал что-то одно, оказался очень эффективен. Сами посудите: в каких бы только условиях не оказался человеческий организм, если глаз здоров, он прекрасно выполнит свою задачу.

Фотопическое, мезопическое, скотопическое зрение

Модель эффекта Пуркине — цветок герани, видимый в нормальном ярком свете, в сумраке, и ночью. Источник: ru.wikipedia.org В зависимости от освещения, глаз человека может функционировать в трех "режимах": дневном фотопическом (греч. photos - свет и opsis - зрение),  сумеречном мезопическом (греч. mesos - средний, промежуточный) и ночном скотопическом (греч. skotos - темнота). Фотопическое зрение: нормальное дневное зрение, функция преимущественно колбочек, благодаря ним мы можем различать миллионы оттенков и деталей. Однако для этого требуется хорошее освещение. Мезопическое зрение: по мере снижения освещения роль колбочек отходит на второй план, и в дело вступают палочки. Они продолжают обеспечивать нам возможность видеть, но вот оттенков мы уже видим все меньше. Скотопическое зрение: в полумраке мы перестаем различать цвета и детали, остается лишь форма объектов и периферическое зрение. Работают преимущественно палочки. Пословица "ночью все кошки серы" является абсолютной истиной.

Эффект Пуркинье

Такой сдвиг восприятия цветов называется эффектом Пуркинье (назван в честь великого чешского анатома и физиолога) и он наглядно иллюстрирует строение нашей сетчатки. Почему? Давайте взглянем на распределение палочек и колбочек. Нормальные периферические границы поля зрения на белый и хроматические цвета. Иллюстрация: Офтальмология: учебник для вузов / Под ред. Е.А. Егорова - 2010. - 240 с. Как можно заметить, чем дальше от центра сетчатки, тем меньше остается колбочек, которые постепенно полностью замещаются палочками. Такое распределение еще объясняет, какие именно оттенки мы будем "терять" по мере снижения освещенности раньше других, а также почему мы сохраняем периферическое зрение в таких условиях.

Адаптация

Ширина зрачка.

Для того, чтобы уберечь фоторецепторы от излишнего количества света или, наоборот, направить на сетчатку большее количество фотонов, организм человека использует зрачок. Подобно диафрагме фотоаппарата, он расширяется, когда света недостаточно и сужается при ярком освещении. Управляют этим подкорковые структуры, получая импульсы от светочувствительных ганглионарных клеток.

Световая и темновая адаптация.

Гораздо более сложны механизмы световой и темновой адаптации. В зависимости от освещения, сетчатка (не без помощи ганглионарных и амакриновых нейронов) может перераспределять расходование зрительных пигментов, тем самым регулируя светочувствительность. Полная адаптация к низкой освещенности занимает порядка 50-60 минут, тогда как световая адаптация происходит значительно быстрее - около 1-3 минут. Гемералопия (ослабление адаптации глаза к темноте) может быть симптоматической (например, вызванной пигментным ретинитом), эссенциальной (нехватка витамина А) или врожденной .

Ганглионарные клетки

Микрофотография ганглионарной клетки. Источник: http://old.www.hopkinsmedicine.org/ Ключевую роль в процессе восприятия зрительной информации сетчаткой играют ганглионарные клетки. Ганглионарные клетки - наиболее крупные клетки сетчатки, имеющие большой диаметр аксонов, способных проводить электрические сигналы. Они собирают информацию от всех слоев сетчатки как по вертикальным путям (нейросенсорные клетки → биполярные нейроны → ганглионарные нейроны), так и по латеральным путям (нейросенсорные клетки → горизонтальные нейроны → биполярные нейроны → амакриновые нейроны → ганглионарные нейроны) и передают ее в мозг. Тела ганглионарных нейронов образуют ганглиозный слой, а их аксоны (более миллиона волокон) формируют внутренний слой нервных волокон  и далее зрительный нерв .

И снова ON и OFF

А теперь мы переходим к кульминации всего нашего рассказа про фоторецепторы, биполярные, амакриновые и горизонтальные клетки, потому что именно в ганглионарных клетках происходит возникновение потенциала действия, который затем и переходит по аксонам зрительного нерва в мозг . Наряду с биполярными клетками, ганглионарные также бывают OFF и ON вида, это означает, что эти нейроны возбуждаются, когда изменяется интенсивность освещения. Наблюдаются два типа ответов - ON-ответ на включение света и OFF-ответ на выключение света. Эти разные типы ответов появляются соответственно от деполяризованных или гиперполяризованных биполяров .

Рецептивные поля

Рецептивные поля с ON-центром/OFF-периферией и OFF-центром/ON-периферией. Источник: http://old.www.cns.nyu.edu/ Рецептивное поле сетчатки -- это зона внутри которой зрительный стимул вызывает соответствующий ответ ганглионарных клеток . Классы ганглионарных и биполярных клеток и их электрические реакции. Источник таблицы: http://old.www.bio.bsu.by/phha/19/19_text.html

Классы клеток	Реакция нервных клеток при освещении фоторецепторов, находящихся
	в центральной части РП	в периферической части РП
Биполярные клетки ON типа	Деполяризация	Гиперполяризация
Биполярные клетки OFF типа	Гиперполяризация	Деполяризация
Ганглионарные клетки ON типа	Деполяризация и увеличение частоты ПД	Гиперполяризация и снижение частоты ПД
Ганглионарные клетки OFF типа	Гиперполяризация и снижение частоты ПД	Деполяризация и увеличение частоты ПД
Ганглионарные клетки ON - OFF типа	Дают короткий ON -ответ на стационарный световой стимул и короткую OFF -реакцию на ослабление света.

Существует два основных типа ганглионарных клеток: с ON-центром и OFF-центром. Клетка с ON-центром возбуждается при освещении центра и тормозится при освещении периферии её рецептивного поля. Реакция на свет клетки с off-центром диаметрально противоположная. Кроме того, у млекопитающих имеются клетки промежуточного (ON-OFF) типа, которым свойственна кратковременная реакция на освещение по on-типу и на затенение по off-типу.

На связи

Рецептивные поля биполярных и ганглионарных клеток имеют круглую форму. В рецептивном поле можно выделить центральную и периферическую часть (центральная всегда противоположна периферической, если центр ON, то периферия, соответственно, OFF). Граница между центральной и периферической часть рецептивного поля является динамичной и может смещаться при изменении уровня освещенности . Перекрытие рецептивных полей различных ганглионарных клеток позволяет повышать световую чувствительность при низком пространственном разрешении .

Источник: http://old.www.bio.bsu.by/phha/19/19_text.html 1 - ганглионарная клетка, 2 и 3 - центральная и периферическая часть ее рецептивного поля (показано схематично), 4 – пучок света, 5 – отметка времени действия светового стимула, 6 - импульсная электрическая активность ганглионарной клетки Ганглионарные клетки постоянно передают сигналы в головной в мозг. В общей сложности паттерны сигналов можно разделить так: паттерн от клетки в покое, паттерн от освещения периферии рецептивного поля и паттерн от освещения центра рецептивного поля. У OFF и ON ганглионарных клеток реакция на свет, а соответственно и паттерны будут диаметрально противоположными . Паттерны синаптических контактов в зрительной системе необыкновенно точны. Эти связи обуславливают свойства рецептивного поля индивидуальных зрительных нейронов и в конечном счете детерминируют качество визуального восприятия . Анализируя различия между паттернами, зрительная кора и "создает" зрительный образ. Фоторецепторы, биполярные и ганлионарные клетки. Источник: http://old.what-when-how.com/neuroscience/visual-system-sensory-system-part-2/ A. Изменение в электрической активности фоторецепторов, биполярных, ганглионарных клеток с ON-центром и OFF-центром, когда центр рецептивного поля колбочки в темноте. B. Изменение в электрической активности фоторецепторов, биполярных, ганглионарных клеток с ON-центром и OFF-центром, когда центр рецептивного поля колбочки на свету. Рецептивное поле ганглионарной клетки с ON-центром, OFF-периферией. Центр рецептивного поля освещен, периферия в тени. Источник: http://old.droualb.faculty.mjc.edu/Course%20Materials/Physiology%20101/Chapter%20Notes/Fall%202007/chapter_10%20Fall%202007.htm

День и ночь

Фоточувствительная ганглионарная клетка. Источник: Wong, KY, Dunn, FA, Berson, DM. (2005) Photoreceptor adaptation in intrinsically photosensitive retinal ganglion cells. Neuron 48(6):1001-10. Десятилетиями считалось, что палочки и колбочки являются единственными фоторецепторами в сетчатке млекопитающих. Однако все изменилось с открытием светочувствительных ганглионарных клеток ( intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs)), которые, к тому же, обладают специфическим пигментом меланопсином . Светочувствительные ганглионарные клетки в сетчатке. Источник: en.wikipedia.org Светочувствительные ганглионарные клетки не участвуют в формировании зрительного образа, но способны отличать свет и тьму. Все дело в том, что часть сигналов этих нервных клеток направляются  в супрахиазмальное ядро и участвуют в регуляции циркадных ритмов у птиц и млекопитающих . Другая часть сигналов, взаимодействуя с различными подкорковыми структурам, участвует в регуляции ширины зрачка в зависимости от освещения .

Восстановление меланопсина

Мы уже упоминали необычную анатомическую особенность сетчатки, которая заключается в том, что она обращена фоторецепторами к пигментному эпителию. Такое соседство обеспечивает возможность фоторецепторам восстанавливать зрительные пигменты. Но как быть светочувствительным ганглионарным клеткам? Они расположены дальше всех от пигментного эпителия и не могут полноценно обмениваться с ним пигментом. Природа нашла удивительное решение: по одной из теорий, светочувствительные ганглионарные клетки восстанавливают меланопсин с помощью клеток Мюллера, которые пронизывают сетчатку как столбы .

Вперед, в мозг!

Пучки волокон ганглионарных клеток в сетчатке Аксоны ганглионарых клеток собираются вместе и образовав две части пучков, назальную и височную, покидают сетчатку в виде зрительного нерва. Далее в области турецкого седла волокна от обоих глаз совершают частичный перекрест. Почему частичный? Волокна зрительного нерва от наружных (височных) отделов сетчатки обоих глаз не перекрещиваются и идут по наружным участкам хиазмы кзади, а волокна от внутренних (назальных) отделов сетчатки полностью перекрещиваются. После частичного перекреста зрительный путь становится зрительным трактом и доходит до соответствующих субкортикальных и кортикальных структур .

Внутри мозга

Схема зрительной сенсорной системы. Источник: журнал Nature. Центральная часть зрительной сенсорной системы состоит из подкорковой части и корковой части

Подкорковая часть

Представлена, амигдалой ( в амигдале есть нейроны, которые реагируют на свет, но она не относится к собственно зрительной сенсорной системе), верхним двухолмием,  а также латеральными коленчатыми телами. Роль подкорковой части:

• Реакция на опасность и эмоциональные стимулы (бессознательная реакция)
• Управление шириной зрачка
• Регуляция циркадных ритмов (воздействие на супрахиазматические и другие ядра гипоталамуса)

Источник: журнал Nature A. Латеральный вид мозга птицы, на котором отмечены прямые связи между сетчаткой, зрительным тектумом (Optic tectum, OT, аналог верхнего двухолмия у млекопитающих), круглым яром (Rt, аналог подушки у млекопитающих) в таламусе (Th), амигдалой (AMG). Зрительная кора (Vis) также выделена. B. Сагиттаьный вид мозга крысы с изображением эквивалентного пути от сетчатки до верхнего двухолмия (SC, superior colliculus), а от него до подушки (Pulv) и амигдалы (AMG). Другие корковые и подкорковые структуры также указаны, среди них орбитофронтальная кора (OFC), поясная кора (CING), nucleus accumbens (прилежащее ядро, NA), а также периакведуктальное серое вещество (PAG ) locus coeruleus (LC) в стволе мозга. Первичная зрительная кора указана как Vis1.

Подкорковые структуры, отвечающие за бессознательную реакцию, прямо или косвенно, влияют на корковые структуры :

Модуляция подкорковыми структурами корковых. Источник: журнал nature. Зеленым цветом выделены базальные ганглии. Синим: участки мозга, ответственные за зрение. Желтым ядра ствола мозга. Красным: корковые центры эмоций.  

Корковая часть зрительной сенсорной системы

Аксоны пятых нейронов в таламусе и боковом коленчатом ядре образуют зрительную лучистость (пучок Грасиоле), которая заканчивается в шпорной борозде (первичная зрительная кора). Первичная зрительная кора или V1 Мозг человека, вид сзади. Красным цветом обозначено поле Бродмана 17 (первичная зрительная кора); оранжевым — поле 18; жёлтым — поле 19. Источник: ru.wikipedia.org

Дорсальный, вентральный и другие пути

Первичная зрительная кора или V1 далее передает информацию по двум путям: вентральному и дорсальному пути , . Но только первичной зрительной корой дело не ограничивается, и все немного сложнее.   Источник: журнал Nature A. Первичный зрительный путь (толстые стрелки) начинается в сетчатке и доходит до первичной зрительной коры (V1) в затылочной доле мозга. Прежде чем дойти до этой части коры, зрительный путь проходит через латеральное коленчатое ядро (LGN) таламуса (Th). От V1 зрительная информация распространяется до экстастриарной коры через вентральный и дорсальный пути. Однако, существуют еще и малая часть волокон, начинающихся в сетчатке (тонкие стрелки), достигает экстрастриарной коры минуя V1. Чтобы это было возможным, подкорковые структуры, такие как подушка (Pulv) и верхнее двухолмие (SC), перераспределяют волокна так, чтобы они шли сразу в экстрастриарную кору. Другой, независимый от первичной зрительной коры, состоит в прямых взаимодействиях между верхним двухолмием и латеральным коленчатым телом, которое, в свою очередь, посылает волокна по дорсальному пути. B. "Эмоциональная система" включает в себя множество корковых и подкорковых структур. Среди этих структур выделяют амигдалу (AMG) и безымянную субстанцию (SI, отмечена зеленым), которые скрыты в глубине лобной доли и основания конечного мозга, соответственно. Кроме этого еще выделяют прилежащее ядро (NA) среди базальных ганглиев (отмечены зеленым) и ядра ствола мозга (отмечены желтым), такие как периакведуктальное серое вещество (PAG) и голубое пятно (LC). Среди кортикальных зон (отмечены красным) выделены орбитофронтальная кора (OFC) и передняя опоясывающая кора (ACC). И зрительная и "эмоциональная" система очень сильно связаны, особенно на подкорковом уровне, поскольку верхнее двухолмие (SC) взаимодействиет с амигдалой (AMG) через подушку (Pulv). Существуют прямые соединения между кортикальными и субкортикальными структурами, ответственными за эмоции (например между орбитофронтальной корой (OFC) и амигдалой (AMG) или между орбитофронтальной корой и передней поясной корой (ACC), а также между субкортикальными структурами и зрительными зонами (например между амигдалой и височной корой), а также между ядрами ствола и корой (из всех ядер ствола показано только голубое пятно). Серые стрелки отображают соединения внутри "эмоциональной" системы.

Синтез

Кластеры зрительных зон. Изображение: Wandell BA, Brewer AA, Dougherty RF. Visual field map clusters in human cortex. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2005;360(1456):693-707. Для того, чтобы лучше производить обработку зрительной информации, участки мозга, которые за это отвечают, объединяются в кластеры . Некоторые из них ретинотропны (отвечают только за определенную часть информации от сетчатки зоны V1, V2, V3), другие обрабатывают только информацию о цвете (V4) . Подобное распределение задач позволяет мозгу обрабатывать огромное количество информации, которую он получает от сетчатки.

Заключение

Итак, в заключении хотелось бы написать, что это всего лишь небольшой экскурс в нейрофизиологию зрения. Будем надеяться, что в будущем мы сможем более полно оценить всю его сложность и одновременно всю его красоту. Ведь именно благодарю нашему зрению мы получаем основную информацию о необыкновенном мире, окружающем нас. Автор: Сергей Ткачев Перевод картинок: Георгий Борисов, Денис Докучаев

Источники:

1.       https://www.nlm.nih.gov/medlineplus/magazine/issues/summer08/articles/summer08pg12.html 2.       Клинические лекции по офтальмологии: Учебное пособие. - Егоров Е.А., Басинский С.Н. 2007. - 288 с. 3.       Imaging implicit perception: promise and pitfalls. Nat. Rev. Neurosci. 6:247–255. doi: 10.1038/nrn1630 4.       Анатомия человека: учебник : в 2 т. / С. С. Михайлов, А. В. Чукбар, А. Г. Цыбулькин; под ред. Л. Л. Колесникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - 2011. - Т. 1. - 704 с.: ил. 5.       Reaction Times, edited by A. T. Welford (Academic Press, London, 1980). 6.       Sung C-H, Chuang J-Z. The cell biology of vision. The Journal of Cell Biology. 2010;190(6):953-963. doi:10.1083/jcb.201006020. 7.       Клинический атлас патологии глазного дна. Кацнельсон Л.А., Лысенко В.С., Балишанская Т.И. - 4-е изд., стер. - 2013. -120 с.: ил. 8.       Euler T, Haverkamp S, Schubert T, Baden T. Retinal bipolar cells: elementary building blocks of vision. Nat Rev Neurosci. 2014 Aug;15(8):507-19. 9.       Гистология, эмбриология, цитология : учебник / Ю. И. Афанасьев, Н. А. Юрина, Е. Ф. Котовский и др.. - 6-е изд., перераб. и доп. - 2012. - 800 с. : ил. 10.   https://foundationsofvision.stanford.edu/chapter-5-the-retinal-representation/ 11.   Нормальная физиология: учебник / Орлов Р.С., Ноздрачев А.Д. - 2-е изд., исправл. и доп. 2010. - 832 с. 12.   Burkhardt DA1, Fahey PK. Contrast rectification and distributed encoding By ON-OFF amacrine cells in the retina. J Neurophysiol. 1999 Oct;82(4):1676-88. 13.   Jackman SL1, Babai N, Chambers JJ, Thoreson WB, Kramer RH. A positive feedback synapse from retinal horizontal cells to cone photoreceptors. PLoS Biol. 2011 May;9(5):e1001057. 14.   Kim T, Soto F, Kerschensteiner D. An excitatory amacrine cell detects object motion and provides feature-selective input to ganglion cells in the mouse retina. Borst A, ed. eLife. 2015;4:e08025. doi:10.7554/eLife.08025. 15.   BP Ölveczky, SA Baccus, M Meister. Segregation of object and background motion in the retina.  Nature 423 (6938), 401-408, 2003. 215, 2003. 16.   Нормальная физиология : Учебник. - Р.С. Орлов, А.Д. Ноздрачёв, 2009. - 688 с 17.   Mills SL1, Tian LM, Hoshi H, Whitaker CM, Massey SC. Three distinct blue-green color pathways in a mammalian retina. J Neurosci. 2014 Jan 29;34(5):1760-8. 18.   Shozo Yokoyama , Jinyi Xing, Yang Liu, Davide Faggionato, Ahmet Altun, William T. Starmer Epistatic adaptive evolution of human color vision. PLoS Genet. 2014 Dec 18;10(12):e1004884. 19.   http://old.www.livescience.com/8099-chickens-color-humans.html 20.    Villegas, G.M. (1960). "Electron microscopic study of the vertebrate retina". J. Gen. Physiol. 43 (6): 15–43. 21.   Wässle H., Yamashita M.,  Greferath U., Grünert U., Müller F. 1991 The rod bipolar cell of the mammalian retina.Vis. Neurosci. 7, 99–112. (doi:10.1017/S095252380001097X) 22.   http://old.www.bio.bsu.by/phha/19/19_text.html 23.   Д. Хьюбел. Глаз, мозг, зрение. — под ред. А. Л. Бызова. — М.: Мир, 1990. — 172 с. 24.    Часть III. Общая и специальная сенсорная физиология // Физиология человека: в 3-х томах = Human Physiology. Ed. by R.F. Schmidt, G. Thews. 2nd, completely revised edition (translated from German by M.A. Biederman-Thorson) / под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. — изд-е 2-е, перераб. и дополн. — М.: Мир, 1996. — Т. 1. Пер. с англ. — С. 178-321. — 323 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-03-002545-6. 25.   Huberman AD, Feller MB, Chapman B. Mechanisms Underlying Development of Visual Maps and Receptive Fields. Annual review of neuroscience. 2008;31:479-509. doi:10.1146/annurev.neuro.31.060407.125533. 26.   Pickard GE1, Sollars PJ. Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells. Rev Physiol Biochem Pharmacol. 2012;162:59-90. doi: 10.1007/112_2011_4. 27.   Bailey MJ1, Cassone VM. Melanopsin expression in the chick retina and pineal gland. Brain Res Mol Brain Res. 2005 Apr 4;134(2):345-8. Epub 2004 Dec 30. 28.   Ruby NF1, Brennan TJ, Xie X, Cao V, Franken P, Heller HC, O'Hara BF. Role of melanopsin in circadian responses to light. Science. 2002 Dec 13;298(5601):2211-3. 29.   Gamlin PD, McDougal DH, Pokorny J, Smith VC, Yau K-W, Dacey DM. Human and Macaque Pupil Responses Driven by Melanopsin-Containing Retinal Ganglion Cells. Vision research. 2007;47(7):946-954. doi:10.1016/j.visres.2006.12.015. 30.   Joyce DS1, Feigl B2, Cao D3, Zele AJ4. Temporal characteristics of melanopsin inputs to the human pupil light reflex. Vision Res. 2015 Feb;107:58-66. doi: 10.1016/j.visres.2014.12.001. Epub 2014 Dec 10. 31.   Lucas RJ. Chromophore regeneration: Melanopsin does its own thing.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2006;103(27):10153-10154. doi:10.1073/pnas.0603955103. 32.   Глазные болезни. Основы офтальмологии: Учебник / Под ред. В. Г. Копаевой. - 2012. - 560 с.: ил. 33.   Tamietto M, de Gelder B. Neural bases of the non-conscious perception of emotional signals. Nat Rev Neurosci. 2010 Oct; 11(10):697-709. 34.    Goodale & Milner (1992). «Separate pathways for perception and action.». Trends in Neuroscience 15 (1): 20–25. 35.   Wandell BA, Brewer AA, Dougherty RF. Visual field map clusters in human cortex. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2005;360(1456):693-707. doi:10.1098/rstb.2005.1628. 36.   Conway BR Color vision, cones, and color-coding in the cortex. Neuroscientist. 2009 Jun;15(3):274-90. 37. Офтальмология: учебник для вузов / Под ред. Е.А. Егорова - 2010. - 240 с.