Найден механизм, дающий представление об уровне освещённости

Нейробиологи из Бостонской детской больницы описали то, как мы  ощущаем максимальную и минимальную освещённость в среде обитания. Они обнаружили и описали в журнале Cell, как клетки в сетчатке глаза распределяются связями по определённым нейронам, настроенным на различные диапазоны интенсивности света.

Клетки типа М1, содержащие меланопсин, окрашены в зеленый цвет и выделяются особенно ярко. Источник: Elliott Milner and Michael Do, Boston Children’s Hospital.

Помимо палочек и колбочек сетчатки, которые в первую очередь вычисляют форму, движение и цвет, есть и другие светочувствительные нейроны (non-image), осуществляющие установку наших внутренних часов, то есть подстраивающие циркадные ритмы, время сна и уровень гормонов. Эти нейроны, известные как M1-ганглиозные фоторецепторы, функционируют даже у людей со слепотой.

«Мы предварительно ожидали от работы этих клеток, что простое увеличение интенсивности света и усреднение по ним обеспечило бы нам показатель общей интенсивности освещения», — отмечает первый автор статьи Эллиот Милнер (Elliott Milner), аспирант Гарварда по программе нейробиологии.

Однако, обнаружилось, что хоть они и кажутся визуально неотличимыми друг от друга, они реагируют на разные уровни освещённости по очереди. В результате мозг получает информацию об интенсивности света от соотношения сигнала активных клеток, а не только от его силы.

Интересно, что система «восстановления» клеток M1 использует механизм, который обычно считается патологическим – блок деполяризации. По мере повышения уровня света белок меланопсин захватывает всё больше и больше фотонов света. Это приводит к тому, что напряжение на клеточной мембране становится более положительным, то есть мембрана «деполяризуется» (подробнее о механизме можете почитать тут). Когда это напряжение проходит определенный порог, клетка генерирует потенциалы действия, которые по зрительному нерву уходят в мозг.

Феномен деполяризационого блока обычно наблюдается при таких нарушениях, как эпилепсия, когда клетка теряет способность «разряжаться», а напряжение мембраны долго остаётся чересчур положительным. Это приводит к тому6 что она выпадает из функционирования и теряет способность работать в слаженном ритме с другими клетками.

Учёные предполагают, что эта система в M1-ганглиозных фоторецепторах, возможно, помогает мозгу экономить энергию.

«Спайки (потенциалы действия – прим. ред.) метаболически гораздо более затратны для клеток. И поскольку некоторые из них отключены, а активируются другие, то эта система доставляет нужную информацию при более низких энергетических затратах», — объясняют исследователи.

В будущих работах Милнер и его руководитель, Майкл До (Michael Do), надеются ответить на вопросы о том, как мозг извлекает информацию об уровне света из этих клеток, есть ли особенность в том, какие именно зоны мозга собирают обрабатывают данные от них, как именно распределены они по сетчатке, связаны ли они с другими сенсорными нейронами?

Вопросов много, и ответы будут приходить по мере их изучения. Удивительно то, как много еще сюрпризов скрыто в системах, которые казались очень простыми и давно внимательно изученными.

Текст: Анна Хоружая

A Population Representation of Absolute Light Intensity in the Mammalian Retina by Elliott Scott Milner et al. Published in Cell, September 2017

DOI:10.1016/j.cell.2017.09.005

Нейробиологи из Бостонской детской больницы описали то, как мы  ощущаем максимальную и минимальную освещённость в среде обитания. Они обнаружили и описали в журнале Cell, как клетки в сетчатке глаза распределяются связями по определённым нейронам, настроенным на различные диапазоны интенсивности света.

Клетки типа М1, содержащие меланопсин, окрашены в зеленый цвет и выделяются особенно ярко. Источник: Elliott Milner and Michael Do, Boston Children’s Hospital.

Помимо палочек и колбочек сетчатки, которые в первую очередь вычисляют форму, движение и цвет, есть и другие светочувствительные нейроны (non-image), осуществляющие установку наших внутренних часов, то есть подстраивающие циркадные ритмы, время сна и уровень гормонов. Эти нейроны, известные как M1-ганглиозные фоторецепторы, функционируют даже у людей со слепотой.

«Мы предварительно ожидали от работы этих клеток, что простое увеличение интенсивности света и усреднение по ним обеспечило бы нам показатель общей интенсивности освещения», — отмечает первый автор статьи Эллиот Милнер (Elliott Milner), аспирант Гарварда по программе нейробиологии.

Однако, обнаружилось, что хоть они и кажутся визуально неотличимыми друг от друга, они реагируют на разные уровни освещённости по очереди. В результате мозг получает информацию об интенсивности света от соотношения сигнала активных клеток, а не только от его силы.

Интересно, что система «восстановления» клеток M1 использует механизм, который обычно считается патологическим – блок деполяризации. По мере повышения уровня света белок меланопсин захватывает всё больше и больше фотонов света. Это приводит к тому, что напряжение на клеточной мембране становится более положительным, то есть мембрана «деполяризуется» (подробнее о механизме можете почитать тут). Когда это напряжение проходит определенный порог, клетка генерирует потенциалы действия, которые по зрительному нерву уходят в мозг.

Феномен деполяризационого блока обычно наблюдается при таких нарушениях, как эпилепсия, когда клетка теряет способность «разряжаться», а напряжение мембраны долго остаётся чересчур положительным. Это приводит к тому6 что она выпадает из функционирования и теряет способность работать в слаженном ритме с другими клетками.

Учёные предполагают, что эта система в M1-ганглиозных фоторецепторах, возможно, помогает мозгу экономить энергию.

«Спайки (потенциалы действия – прим. ред.) метаболически гораздо более затратны для клеток. И поскольку некоторые из них отключены, а активируются другие, то эта система доставляет нужную информацию при более низких энергетических затратах», — объясняют исследователи.

В будущих работах Милнер и его руководитель, Майкл До (Michael Do), надеются ответить на вопросы о том, как мозг извлекает информацию об уровне света из этих клеток, есть ли особенность в том, какие именно зоны мозга собирают обрабатывают данные от них, как именно распределены они по сетчатке, связаны ли они с другими сенсорными нейронами?

Вопросов много, и ответы будут приходить по мере их изучения. Удивительно то, как много еще сюрпризов скрыто в системах, которые казались очень простыми и давно внимательно изученными.

Текст: Анна Хоружая

A Population Representation of Absolute Light Intensity in the Mammalian Retina by Elliott Scott Milner et al. Published in Cell, September 2017

DOI:10.1016/j.cell.2017.09.005