Physiologie und Funktion der Retina

Literatur How the retina works H.Kolb, American Scientist, 2003 The fundamental plan of the retina R.H.Masland, Nature Reviews Neuroscience, 2001 Parallel processing in the mammalian retina H.Wässle, Nature Reviews Neuroscience 2004

Gliederung 1. Einführung •Aufbau des Auges •Aufbau der Retina •Transduktionsprozess des Sehens 2. Signaltransduktionsweg der Zapfen •Photorezeptoren •Bipolarzellen •Horizontalzellen •Amakrine Zellen •Ganglienzellen 3. Signaltransduktionsweg der Stäbchen 4. Fazit

1.Einführung Aufbau des Auges

Retina ist 200µm dick Entsteht während der Embryonalentwicklung aus einer Ausstülpung des Zwischenhirnbodens →Teil des Gehirns • enthält Sensorneurone die auf Licht reagieren und Schaltkreise die bereits eine erste Bildbearbeitung durchführen

•Aufbau der Retina Licht

•Phototransduktionsprozess Sehfarbstoff der Zapfen: Jodopsine Stäbchen: Rhodopsin im Dunkeln: depolarisiert, bei ca. -40mV bei Licht: hyperpolarisiert, bis ca -65 mV Hyperpolarisierung: • Konformationsänderung des 11-cis Retinal zu all-trans Retinal →Metarhodopsin •Metarhodopsin-Transducin- Zyklus • Aktivierung des T-alpha-GTP-PDE-Komplex: hydrolisiert cGMP •cGMP Konzentration sinkt, wodurch Ca- und Na- Kanäle geschlossen werden •Photorezeptor hyperpolarisiert, sinken der Ca-Konzentration mindert Transmitterausstoss (Glutamat)

2.Signaltransduktionsweg der Zapfen Photorezeptoren Zapfen (6 Mio) Photopisches Sehen, Farbensehen L-,M-,S- Zapfen Grösste Rezeptordichte in Fovea Centralis (bzw. Visual streak, Area centralis) Neurotransmitter: Glutamat Rezeptoren: unterschiedliche Glutamatrezeptoren

Farben sehen L-,M-Zapfen in center-surround Organisation →Signale werden miteinander verglichen S- Zapfen →Vergleichen Signal mit Kombination der L-, M-Zapfensignale +

•Bipolarzellen On-center Bipolarzellen (OnCB) 3-5 Typen eine OnCB bekommt Input von 5-10 Zapfen Metabotrope Glutamatrezeptoren (mGluR6) → Glutamat bewirkt Schliessung der Kationen-Kanäle →OnCB depolarisiert bei Licht (sign-inverting) Off-center Bipolarzellen (OffCB) 3-5 Typen eine OffCB bekommt Input von 5-10 Zapfen Ionotrope Glutamatrezeptoren (AMPA, Kainate) → Glutamat bewirkt Öffnung der Kationen- Kanäle → OffCB hyperpolarisiert bei Licht ( sign-conversing)

OnCB leitet Signal weiter an On- Ganglienzelle On Pathway: helle Bilder gegen dunkeln Hintergrund OffCB leitet Signal weiter an Off-Ganglienzelle Off Pathway: dunkle Bilder gegen hellen Hintergrund (lesen)

Unterschiedliche On-/Off Bipolarzell – Axone enden in unterschiedlichen Schichten der IPL (inner plexiform layer) OnCB in der inneren Strata der IPL phasisch: Mitte tonisch: am Rand (zur GCL hin) OffCB in der äußeren Strata der IPL tonisch: am Rand (zur INL hin)

•Midget System – “a private line to the brain“ (Zitat:Wässle, Parallel processing in the mammalien retina, Nature Reviews Neuroscience, 2004) Optimierung der räumlichen Auflösung und Sehschärfe in der Fovea Centralis durch hohe Zapfen Dichte und 1:1 Verhältnis von Zapfen, BC und GC Verkleinerung der dendritischen Felder Führte zur Ausbildung von Trichromatie

•Horizontalzellen 1-3 unterschiedliche Typen Jede Horizontalzelle bekommt Input von vielen Zapfen Über Gap Junctions mit anderen HC verbunden →grosses rezeptives Feld, verantwortlich für center-surround Organisation • ionotrope Glutamatrezeptoren (AMPA, Kainate) → Hyperpolarisation bei Licht •Transmitter: GABA • Feedback Information an Zapfen

•Amakrine Zellen Bis zu 50 verschiedene Typen Transmitter: GABA, Glycin u.a. Neuromodulatoren Bekommen Signal von BC, senden Signal an BC, GC und Amakrinen Geben zusätzliche Signale an GC die zur Kontrastwahrnehmung beitragen

• Ganglienzellen 10-15 Typen unterschiedlicher Ganglienzellen Glutamat-, teilweise GABA- Rezeptoren Konzentrische rezeptive Felder Im Midget System 1:1 Verhältnis Bipolarzellen zu Ganglienzellen Bilden Aktionspotentiale

Ganglienzelltypen Säugetiere Fische, Reptilien ? M α (alpha) Y P Primaten Physiol. Morphol. Katzen Kaninchen ? M α (alpha) Y P (midget system) β (beta) X direction-selective, colour-coded, melanopsin-containing, brisk-transient

3.Signaltransduktionsweg der Stäbchen Photorezeptoren Stäbchen (120 Mio) Skotopisches Sehen, kein Farbensehen Rezeptordichte im parafovealen Bereich am höchsten Transmitter: Glutamat Stäbchen evolutionär jünger

•Bipolarzellen • nur On-Bipolarzellen • metabotrope Glutamatrezeptoren mGluR6 • sendet Signal nicht direkt an GC sondern an Amakrine Zelle • mehr Zapfen Bipolarzellen als Stäbchen Bipolarzellen, obwohl es wesentlich mehr Stäbchen gibt, weil eine Stäbchen Bipolarzelle mehr Stäbchen kontaktiert als eine Zapfen Bipolarzelle Zapfen

•Horizontalzellen Spezialisierung einer der Horizontalzellen, die normalerweise Zapfen kontaktiert → b/H2 Stäbchen wird von b/H2- Axon das weit entfernt vom Soma der Horizontalzelle liegt, dadurch elektrische Isolation → Stäbchen Feedback-System unabhängig vom Zapfen Feedback-System

•Amakrine Zellen Spezielle Stäbchen- Amakrinen A II, A 17 Depolarisieren bei Licht Sammeln Input vieler Stäbchen OnBC Untereinander verbunden durch gap junctions Senden Signal an On-BC, und inhibitorisches Signal an Off-BC Dopaminerge Amakrine zuständig für Umschaltung von Zapfen-Sehen auf Stäbchen-Sehen

•Ganglienzellen Keine speziellen GC für Stäbchen, Zapfen und Stäbchen senden Signale an dieselben GC Signale der Stäbchen Amakrine gelangt über On-, bzw. Off-BC an die entsprechende Ganglienzelle

4. Fazit Signaltransduktionsweg der Zapfen sehr komplex, wegen unterschiedlicher Zapfentypen und BC Typen Signaltransduktionsweg der Stäbchen wird „Hucke-pack“ getragen von dem der Zapfen →evolutionär jünger Besonders bei Horizontalzellen und Amakrinen Zellen noch viele Fragen offen Hauptklassen der retinalen Zelltypen sind entdeckt, Retina ist die wohl am besten untersuchte Struktur des CNS, dennoch gibt es noch viel zu entdecken