Mikroskop dekryptere kredsløb i øjet

Ganglion-celler kan genkende retninger takket være Amacrine-celler

Rekonstruerede celler og synapser fra seriel elektronmikroskopisk overfladebillede: en enkelt "starburst" amacrine celle (gul med dens synaptiske fortykning) og to retningsbestemte ganglionceller (grøn). På trods af betydelig dendritisk overlapning med begge celler binder det udelukkende forbindelser (magenta) til den rigtige ganglioncelle. © Kevin Briggman
læst op

For at gøre det muligt for øjet effektivt at videregive egenskaberne ved optiske stimuli til hjernen, er denne information allerede forbehandlet i øjet. For eksempel reagerer nogle af de såkaldte ganglionceller, der leder visuel information via synsnerven til hjernen, kun på lysstimuleringer, der bevæger sig i en bestemt retning. Denne retningsselektivitet produceres af inhiberende interneuroner, der påvirker aktiviteten af ​​ganglioncellerne med deres synapser. Forskere har nu fundet ud af at bruge en ny mikroskopimetode, at synapserne mellem ganglionceller og interneuroner er fordelt efter meget specifikke regler.

Ifølge forskerne fra Max Planck Institute for Medical Research i Heidelberg er en ganglioncelle kun forbundet med de dendritiske processer, der i modsætning til den foretrukne retning for ganglioncellen stammer fra cellekroppen i amacrine cellen. Forskerne rapporterer om deres fund i den aktuelle udgave af videnskabstidsskriftet "Nature".

Interneuroner og ganglionceller

De sensoriske celler i nethinden i hvirveldyrets øje omdanner lysstimuleringer til elektriske signaler og fører dem via nedstrøms såkaldte interneuroner til ganglioncellerne og derfra til hjernen. De interneuroner hænger sammen, så de enkelte ganglionceller modtager visuel information fra et cirkulært afsnit af det synlige felt - det såkaldte receptive felt.

For eksempel aktiveres nogle ganglionceller kun, når lys falder i midten af ​​deres modtagelige felt, men periferien forbliver mørk (ON celler). For andre er det netop det modsatte (OFF-celler). Derudover er der ganglionceller, der aktiveres af lys, der fejer hen over deres modtagelige felt i en bestemt retning. I modsætning til denne foretrukne retning hæmmer en bevægelse i den modsatte retning (nulretning). En vigtig rolle for denne retningselektivitet spilles af "starburst" amacrine celler, som modulerer aktiviteten af ​​ganglionceller via inhiberende synaptiske forbindelser.

Bevægende stimuli aktiverer Starburst Amakrinzellen

For flere år siden havde den samme forskningsgruppe ved Max Planck-instituttet i Heidelberg vist, at starburst-amacrine-celler aktiveres ved bevægende stimuli. Hver gren af ​​det runde dendritiske træ reagerer fortrinsvis på stimuli, der bevæger sig udad fra cellelegemet. Bevægelser udefra og indvendigt hæmmer deres aktivitet. I det centrale område omkring cellelegemet fungerer deres dendriter klassisk som modtagere af elektriske signaler, men som sendere i periferien svarer de også til en nervecells akson. Hvorvidt de giver ganglioncellerne deres retningsselektivitet eller om ganglioncellerne beregner deres præferenceretning ud fra andre faktorer har hidtil været uklart. udstilling

Max Planck-forskerne Kevin Briggman, Moritz Helmstaedter og Winfried Denk har nu opdaget, at synapserne mellem ganglionceller og starburst amacrine celler er asymmetrisk fordelt selvom cellerne selv er symmetriske. På en sådan måde, at set fra ganglioncellen, dendritter, der er forbundet med den, er forbundet med den i modstrid med den foretrukne bevægelsesretning af en lysstimulus.

"Ganglion celler foretrækker amacrine celler, hvis dendriter løber langs nulretningen, " siger Denk.

Lateral hæmning overflødig

I henhold til tidligere undersøgelser fra Denk og hans team er de elektriske egenskaber ved dendritterne i amacrine-cellerne, der forgrener sig fra cellen i en stjerneform, afgørende. De bliver følgelig mere og mere spændende fra centrum til kantområdet, så stimuli i denne retning fortrinsvis fremsendes. Hæmmende virkninger mellem tilstødende amacrine celler, den såkaldte laterale hæmning, er ikke nødvendige for denne mekanisme.

En ganglion-celle kan således skelne mellem bevægelser i forskellige retninger ved at udelukke forbindelser udelukkende med bestemte amburin-cendendriter fra starburst, nemlig dem, der med deres hæmmende synapser forhindrer ganglion-cellen i at aktivere i null-retning er. Dette er nøjagtigt Amakrinzellen, hvis dendriter kører i denne retning, "forklarer Denk.

Analyse af funktion og struktur

Ifølge forskerne blev dette fundet muliggjort ved en kombination af to forskellige mikroskopimetoder: ved hjælp af et to-foton fluorescensmikroskop bestemte forskerne først den foretrukne bevægelsesretning for ganglioncellerne. Et calciumfølsomt fluorescerende farvestof indikerede, hvilken lysstimulering, calcium, der indsprøjtes i cellerne, hvilket signalerer den elektriske aktivitet af cellerne.

Derefter måler de det nøjagtige forløb for alle dendriter fra disse ganglionceller såvel som amacrincellerne ved hjælp af en ny elektronmikroskopimetode, den serielle overfladebehandling. I denne metode oprettes et volumenbillede ved gentagne gange at scanne overfladen af ​​en Gewebpr parats med elektronstrålen fra et skannende elektronmikroskop, hvor mellem Abtastvorgngen i begge tilfælde en tynde skiver af overfladen med en meget skarp diamantkniv abgestobelt er. Disse skiver er tyndere end en 25 nanometer, blot en tusindedel af tykkelsen af ​​et menneskehår.

Synapser tydeligt identificeret

Ifølge forskerne tillader den høje tredimensionelle opløsning af denne proces, at spores densiteter af nervecellerne, der er tæt pakket i øjetens nethinde, kan spores og til at identificere synapser mellem dem.

Den komplette automatisering af billedoptagelse gør det muligt at registrere datasæt med tusinder eller endda titusinder af nedskæringer over uger, selv når du er på ferie eller på forretningsrejse, f.eks. Denk siger Denk. Derfor er det nu muligt for første gang at observere små cellestrukturer med høj opløsning i et større stykke væv. Denne metode vil derfor være uundværlig i fremtiden for også at belyse sammenkoblingsmønstre i andre regioner i nervesystemet. "(Nature, 2011; doi: doi: 10.1038 / nature09818)

(MPG, 15.03.2011 - DLO)