Einführung
Die komplexe Interaktion zwischen Synapsen, Photorezeptoren und dem Cortex bildet die Grundlage für unsere visuelle Wahrnehmung und die Verarbeitung von Lichtsignalen im Gehirn. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Aspekte dieser Interaktion, von den grundlegenden Mechanismen der Photorezeption bis hin zu den komplexen neuronalen Schaltkreisen im Cortex.
Rezeptoren: Die Schnittstelle zur Außenwelt
In der Biologie wird der Begriff "Rezeptor" auf zellulärer Ebene für spezialisierte Zellen verwendet, die äußere und innere Reize in eine für das Nervensystem verständliche Form umwandeln. Auf molekularer Ebene bezeichnet er Proteine oder Proteinkomplexe, die sich auf Biomembranen befinden und an die Liganden binden, um Signalprozesse auszulösen oder Substanzen in die Zelle zu transportieren. Sinneszellen fungieren als biologische Sensoren und bilden das erste Glied unserer Sinne.
Reizspezifität und Signaltransduktion
Jeder Rezeptor ist auf einen spezifischen Reiz ausgelegt und wandelt diesen proportional zur Reizstärke in ein Rezeptorpotenzial um. Ab einer bestimmten Reizschwelle wird dieses als Aktionspotenzial an das Zentralnervensystem (ZNS) weitergeleitet. Beispielsweise wandelt die Netzhaut des Auges Lichtimpulse um, kann aber auch auf Druck reagieren, wobei auch hier visuelle Eindrücke an das ZNS vermittelt werden. Dies beruht auf der Reiz- oder Empfindungsspezifität, da der Rezeptor lediglich elektrische Signale in Form von Aktionspotentialen variabler Frequenz an das ZNS weiterleitet, wo sie interpretiert werden.
Primäre und sekundäre Sinneszellen
Es gibt zwei Haupttypen von Sinneszellen:
- Primäre Sinneszellen: Diese sind Neurone, die selbst Aktionspotentiale ausbilden, wie Nozizeptoren und Mechanorezeptoren.
- Sekundäre Sinneszellen: Diese generieren keine Aktionspotentiale selbst, sondern bilden mit dem ersten afferenten Neuron, das die Aktionspotentiale weiterleitet, eine Synapse. Dazu gehören Geschmacksrezeptoren, Haarzellen im Innenohr, Fotorezeptoren in der Retina und Sinneszellen im Gleichgewichtsorgan.
Interessanterweise werden alle Rezeptoren mit Ausnahme der Photorezeptoren der Vertebraten bei Erregung depolarisiert, während Photorezeptoren hyperpolarisiert werden.
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Membranrezeptoren und Ligandenbindung
Membranrezeptoren befinden sich an der Oberfläche von Biomembranen und bestehen aus Proteinen mit zusätzlichen Modifikationen. Sie besitzen eine spezifische Passform für kleine Moleküle, die Liganden, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an die Rezeptorstruktur andocken. Diese Rezeptoren dienen der Zelladhäsion, Signalübertragung und dem Import von Substanzen in die Zelle. Es gibt auch ligandenbindende Rezeptoren im Cytoplasma oder Zellkern, die hydrophobe Hormone wie Cortison oder das hydrophile Schilddrüsenhormon Thyroxin binden.
Photorezeptoren in der Retina: Die Umwandlung von Licht in neuronale Signale
Die Retina ist die erste Station bei der Verarbeitung von Lichtsignalen im visuellen System. Stäbchen- und Zapfen-Photorezeptoren sind hochspezialisierte Sinneszellen, die Licht in neuronale Signale umwandeln. Die Retina verarbeitet und filtert diese Signale, bevor sie an die höheren visuellen Zentren des Gehirns weitergeleitet werden.
Stäbchen und Zapfen: Spezialisten für unterschiedliche Lichtverhältnisse
Die Netzhaut enthält zwei Arten von Photorezeptoren: Stäbchen und Zapfen. Stäbchen sind für das Sehen bei schwachem Licht verantwortlich, während Zapfen für das Farbsehen bei hellem Licht zuständig sind. Bei schwachem Licht sind nur die Stäbchen aktiv, weshalb wir nachts alles grau sehen. Bei starkem Lichteinfall sorgen drei Zapfentypen für Farbsicht.
Fototransduktion: Die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Signale
Die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Signale erfolgt beim Stäbchen durch das Rhodopsin, ein Fotopigment. Dieser Vorgang wird als Fototransduktion bezeichnet. Die Zapfen-Typen haben unterschiedliche Opsine, die jeweils auf eine andere Licht-Wellenlänge ansprechen. Die unterschiedliche Verschaltung von Stäbchen und Zapfen mit Bipolarzellen verstärkt den jeweiligen Seheffekt.
Der molekulare Mechanismus der Fototransduktion
Der Mechanismus der Signaltransduktion, der unserem Sehvermögen zugrunde liegt, ist komplex und beinhaltet eine Kaskade von biochemischen Reaktionen. Das Rhodopsin-Molekül besteht aus zwei Teilen: Retinal, ein Abkömmling von Vitamin A, und Opsin, ein Protein. Retinal kann auf ein Photon reagieren, wodurch es von der "11-cis"- in die "all-trans"-Form umgewandelt wird. Diese Konformationsänderung bewirkt eine Trennung der beiden Bestandteile und eine Aktivierung des Opsins.
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Das aktivierte Opsin regt das Transducin an, das über ein Effektorenzym die Durchlässigkeit der Zellmembran für Natrium-Ionen reduziert. Dadurch ändert sich die Verteilung der Ladungen an der Zellmembran, das Membranpotenzial. Licht verschließt Natrium-Kanäle in der Zellmembran und unterbindet so den Einstrom dieser positiven Ionen. Dadurch wird das Membranpotenzial noch negativer, die Zelle hyperpolarisiert.
Diese Hyperpolarisation verringert die Menge des von den Lichtsinneszellen ausgeschütteten Botenstoffs Glutamat. Das Absinken der Neurotransmitterfreisetzung wird von den nachgeschalteten Bipolarzellen als Befehl interpretiert, über Zwischenschritte einen Reiz an den Sehnerv zu übermitteln.
Verstärkung des Signals
Die Natur hat eine komplexe biochemische Kaskade mit vielen Zwischenschritten ersonnen, um Lichtenergie in Nervenzellimpulse zu verwandeln, weil das Signal so verstärkt werden kann. Jedes Fotopigment-Molekül aktiviert mehrere Transducin-Proteine. Das dadurch freigesetzte Effektorenzym blockiert hunderte Natrium-Kanäle und somit den Einstrom von Millionen Natrium-Ionen. Durch diesen Verstärkungsmechanismus können die Stäbchen sogar ein einzelnes Photon detektieren.
Unterschiede zwischen Stäbchen und Zapfen
Während alle Stäbchen einheitlich maximal auf Licht mit einer Wellenlänge um 500 Nanometer reagieren, gibt es in der menschlichen Netzhaut drei Arten von Zapfen, die jeweils ein anderes Opsin enthalten. Das führt dazu, dass sie auf bestimmte Wellenlängen des Lichts unterschiedlich ansprechen. Diese Spezialisierung ermöglicht uns, Farben zu sehen. Allerdings brauchen die Fotopigmente in den Zapfen deutlich mehr Energie, um gebleicht zu werden, als das Rhodopsin in den Stäbchen. Deshalb funktionieren sie nur am Tage.
Verschaltung von Stäbchen und Zapfen mit Bipolarzellen
Eine einzelne Bipolarzelle ist mit mehreren Stäbchen verschaltet. Genau wie ein Dutzend Solarzellen mehr Lichtenergie sammeln kann als eine einzelne, erhöht sich auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit, dass selbst in dunkler Nacht noch die Lichtmenge eingefangen werden kann, die notwendig ist, um einen Nervenimpuls auszulösen. Zapfen hingegen sind oft nur mit einer Bipolarzelle verknüpft. Dies ist optimal für deren Domäne - das Scharfsehen, weil das Bild so in möglichst viele Bildpunkte aufgelöst werden kann. Diese Präzision geht aber auf Kosten der Lichtempfindlichkeit.
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Synaptische Übertragung im visuellen System
Die synaptische Übertragung spielt eine entscheidende Rolle bei der Weiterleitung von Signalen von den Photorezeptoren zu den nachgeschalteten Neuronen in der Retina und im Gehirn.
Synaptische Aktivität und Optogenetik
Viele Erkrankungen der Netzhaut gehen mit der Degeneration von Photorezeptoren einher und führen dadurch zum Erblinden. Eine vielversprechende Strategie zur Verhinderung oder Wiederherstellung der Sehfunktion ist die Optogenetik. Hier werden Gene, die für licht-sensitive Proteine kodieren (z.B. Channelrhodopsine), in den Photorezeptoren nachgeschaltete Neurone eingebracht. Bei Aktivierung durch Licht generieren diese Proteine dann elektrische Signale in an sich nicht lichtempfindlichen Zellen.
Ein neuer optogenetischer Ansatz
Ein neuer optogenetischer Ansatz zur Wiederherstellung der Lichtsensitivität in Mäusen mit einer Photorezeptor-Degeneration basiert auf der spezifischen Kontrolle synaptischer Aktivität durch Licht. Dabei wird der durch Licht aktivierbare Calcium-Kanal CatCh über virale Transduktion in die synaptischen Endigungen der ON Bipolarzellen eingebracht. Stimulation mit blauem Licht führt zu einem Einstrom von Calcium-Ionen und damit direkt zur Vesikelfusion an der hochspezialisierten Bipolarzell-Synapse.
Messung synaptischer Aktivität
Die synaptische Aktivität kann mittels Multiphotonen-Mikroskopie und genetisch kodierten Reportern synaptischer Aktivität gemessen werden. Außerdem können mit Multielektroden-Arrays elektrophysiologische Messungen an Ganglienzellen durchgeführt werden, um zu überprüfen, ob diese elektrische Impulse generieren. Diese Messungen zeigen, wie gut die CatCh Expression in ON Bipolarzellen die synaptische Übertragung in der Retina von rd1 Mäusen wiederherstellt.
Weiterleitung der Lichtsignale an den visuellen Cortex
Über Messungen der optomotorischen Reaktion sowie der neuronalen Aktivität im visuellen Cortex kann untersucht werden, ob die Lichtsignale an die visuellen Zentren des Gehirns weitergeleitet werden.
Der visuelle Cortex: Verarbeitung und Interpretation visueller Informationen
Der visuelle Cortex ist der Teil des Gehirns, der für die Verarbeitung und Interpretation visueller Informationen zuständig ist. Er empfängt Signale von der Retina über den Sehnerv und verarbeitet diese, um uns ein Bild der Welt um uns herum zu vermitteln.
Neuronale Codes im visuellen Cortex
Die knapp 100 Milliarden Nervenzellen des menschlichen Gehirns verarbeiten Sinnesreize und Gedanken auf faszinierende Weise. Entgegen der Lehrbuchmeinung, dass Nervenzellen Informationen durch die Raten von Aktionspotenzialen darstellen, stärken experimentelle und theoretische Befunde in zunehmendem Maße alternative Hypothesen, nach denen neuronale Codes deutlich raffinierter sein könnten.
Spike-basierte Verarbeitung
Ein wichtiger Schritt zur Beantwortung der Frage, welche Codierungsprinzipien dem Gehirn zur Verfügung stehen, wurde durch die Entwicklung des Tempotrons vollzogen. Kern dieses lernenden Neuronenmodells ist eine synaptische Lernregel, die es ermöglicht, die Synapsen des Neurons so zu verändern, dass dieses ein gewünschtes, von außen vorgegebenes Antwortverhalten anstrebt. Mit Hilfe von speziell konstruierten Aktivitätsmustern und über diese definierte Klassifikationsaufgaben lässt sich nun systematisch prüfen, welche Arten von Repräsentationen von einem gegebenen Neuronenmodell decodiert werden können und welche nicht.
Robuste Decodierung durch Spike-basierte Verarbeitung
In einer der ersten Anwendungen gelang es mit Hilfe des Tempotrons zu zeigen, dass selbst einfache, biologisch plausible Nervenzellmodelle sehr wohl in der Lage sind, Informationen auszulesen, die durch relative Spikezeiten repräsentiert sind. Insbesondere funktionierte diese spikezeitbasierte Verarbeitung auch dann, wenn die Feuerraten der zu klassifizierenden Aktivitätsmuster keinerlei Information über deren Klassenzugehörigkeit beinhalteten.
Vorteile der Spike-basierten Verarbeitung
Die gemessenen neuronalen Repräsentationen könnten im Gehirn wesentlich schneller verarbeitet werden, wenn die entsprechenden Neurone eine spikezeitbasierte Decodierung anstelle eines ratenbasierten Decodierungsansatzes implementierten. Darüber hinaus war die schwierigere Kantendetektionsaufgabe mit dem ratenbasierten Decodierungsansatz von einer Zelle alleine überhaupt nicht zu lösen und würde stattdessen mehrschichtige Netzwerkstrukturen erfordern. Durch Verwendung der zeitlichen Repräsentation jedoch wurde die Unterscheidung zwischen den verschiedenen Stimuli sehr viel leichter und konnte ohne Schwierigkeiten von einem einzelnen Tempotron gelöst werden. Schließlich konnten die Max-Planck-Forscher zeigen, dass, zumindest in dem vorliegenden Datensatz, die spikezeitbasierte Decodierung wesentlich robuster in Bezug auf Kontrastvariationen der visuellen Reize ist als die ratenbasierte Alternative.
Dynamin und Endozytose im visuellen System
Dynamin spielt eine wichtige Rolle bei der Endozytose und dem Recycling synaptischer Vesikel.
Dynamin 1xb: Eine Splice-Variante von Dynamin 1
Dynamin 1xb ist eine Splice-Variante von Dynamin 1, die in verschiedenen zentralnervösen Geweben, einschließlich Cerebellum, Neocortex, Rückenmark und Retina, exprimiert wird. Immunhistochemische Untersuchungen zeigen, dass Dynamin 1xb in den Synapsen des Cortex und Rückenmarks lokalisiert ist. In der Retina ist Dynamin 1xb in der äußeren und inneren plexiformen Schicht nachweisbar.
Funktion von Dynamin 1xb in der Retina
Die Expression von Dynamin 1xb in der Retina deutet auf eine Rolle bei der aktivitätsabhängigen, Ca2+-regulierten Endozytose hin.
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