Морфологические и физиологические типы нейронов сетчатки

Описание

Попытки корреляций морфологических особенностей сетчатки с физиологическими широко представлены в современной литературе. Чаще всего исследования структуры сопоставляются с электрофизиологическими данными. Таким путем получены признанные корреляции типов ганглиозных клеток сетчатки кошки по морфологическим критериям (а, (3 и у, по Boycott, Wassle [1974], с типами У, X, W), выявленными физиологами. Наиболее крупные ганглиозные клетки сетчатки кошки (типа) с наибольшими размерами тела, дендритного поля и аксона соответствуют физиологическому типу У, дающему кратковременные фазные разряды при включении и выключении стимула, с большим центром рецептивного поля, наибольшей быстротой проведения [Enroth-Cugell, Robson, 1966; Fukada, 1971; Hoffman, Stone, Sherman, 1972; и др.]. Ганглиозные клетки среднего размера с меньшим размахом дендритов (тип [3) соответствуют физиологическому типу X с длящимся тоническим разрядом; 7— ганглиозные клетки (с телами малого размера) соответствуют физиологическому типу W с самой малой скоростью проведения [Stone, Hoffman, 1972]. Приведенные в нашей работе зарисовки ганглиозных клеток сетчатки кошки сопоставлены с соответствующими клетками по классификации Boycott, Wassle [1974].

Из работы Boycott и Wassle, так же как из наших иллюстраций разновидностей ганглиозных клеток сетчатки кошки, следует, что не только особый размах дендритного поля характерен Для каждого типа, но и другие особенности дендритов, как-то: извилистость, густота, диаметр, характер синаптических образований.По нашим данным можно также получить представление об уровне ветвления дендритов клеток типа а, b, y во внутреннем плексиформиом слое, так как были использованы радиальные срезы.

Как известно, Boycott, Wassle основывали свою классификацию на данных, полученных с тангенциальных, плоскостных срезов, уровень ветвления дендритов ганглиозных клеток во внутреннем плексиформиом слое ими не учитывался. По Nelson, Famiglietti, Kolb [1978], подтверждающим мнение Ramon у Cajal, главным в классификации должен быть именно уровень ветвления, определяющий, с каким типом биполярной и амакриновой клетки связана данная ганглиозная клетка. По этой классификации, основанной на ультраструктурных исследованиях, дендриты всех ганглиозных клеток сетчатки кошки, реагирующих на включение света в центре рецептивного поля, ветвятся во внутренней зоне внутреннего плексиформного слоя; дендриты всех клеток, реагирующих на выключение света в центре рецептивного поля, ветвятся в наружной зоне внутреннего плексиформного слоя.

Применение внутриклеточного красителя люциферового желтого после микроэлектродных отведений также полностью подтвердило соответствие функциональных характеристик морфологии нейрона и уровня стратификации дендритов во внутреннем плексиформиом слое сетчатки кошки [Saito, 1983]. Так, клетки, реагирующие быстрыми фазными разрядами на точечный световой стимул, оказались наибольшими но размерам тела (до 50 мкм), по широте размаха толстых редковетвистых дендритных ветвлений (до 785 мкм), по диаметру аксонов и, таким образом, имели свойства, отличающие а-нейроны. У Х-клеток, реагирующих на освещение рецептивного поля тонической деполяризацией (on-центр) или гиперполяризацией (оff-центр), среднего размера округлое тело (до 32 мкм), размах густоветвистых дендритов небольшой (до 370 мкм), толщина аксонов меньшая (b-нейроны). W-клетки отвечали на освещение слабыми тоническими разрядами, имели широковетвящиеся тонкие извилистые дендриты (до 500 мкм) при очень малом размере тела (8—12 мкм) и наименьшем диаметре аксона (некоторые разновидности ,уклеток)* Уровень распространения дендритов ганглиозных клеток сетчатки кошки строго соответствовал обна-руженной ранее Nelson; Famiglietti, Kolb [1978] закономерности, т. е. все дендриты клеток с on-реакцией на освещение центра рецептивного поля ветвились во внутреннем подслое внутреннего плексиформного слоя; все дендриты клегок с off-реакцией на освещение центра рецептивного поля ветвились в наружной зоне внутреннего плексиформного слоя.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

За последние годы обнаружены и исключения из общего правила о распределении отростков функционально различных нейронов в двух осно'вных подслоях внутреннего плексиформного слоя а и Ь. Например, среди колбочковых плоских биполярных клеток сетчатки кошки наблюдаются узковетвистые с аксонами, ветвящимися по обе стороны границы между подслоями а и b [Famiglietti, 1980]. Среди импрегнированных по Гольджи ганглиозных клеток сетчатки кошки также обнаруживаются нейроны с дендритами, пересекающими границу а—b внутреннего плексиформного слоя, либо находящимися в пределах этой границы ([Школьник-Яррос, 1971] и рисунки ганглиозных клеток сетчатки кошки в данной работе). Следует согласиться с Famiglietti о наличии нескольких путей от биполярных клеток к ганглиозным’ в сетчатке кошки.

В ряду морфофизиологических исследований выделяются широко известные труды Lettvin et al. [1961]. В основе открытия детекторов сетчатки и развитой далее детекторной концепции лежит не только понимание способности ганглиозных клеток сетчатки лягушки реагировать на определенный набор признаков зрительных раздражителей, но и смелая гипотеза о корреляции определенных морфологических разновидностей этих нейронов (по Ramon у Cajal [1972]) с их физиологическими классами. По Lettvin et al., ганглиозные клетки с узким распространением дендритных ветвлений соответствуют детекторам границы (класс 1). Клетки со сложнорасслоенными дендритными ветвлениями в виде буквы «Е» соответствуют детекторам выпуклого края (класс 2). Еще более разветвленные дендриты в виде буквы «Н» соответствуют детекторам движущегося контраста. Широкоразмашистые дендриты соответствуют детектору затемнения. Подобная корреляция подтвердилась при изучении онтогенетического материала сетчатки головастика [Роmeranz, 1972]. (См. обзоры работ о детекторах сетчатки лягушки: Varju [1969], Пигарев [1970], Rodieck [1973], Gordon, Hood [1976], Grusser, Grusser-Cornehls [1976], Мантейфель [1977], Мантейфель, Школьник-Яррос [1980]. Работы Maturana с соавт. [1960], Lettvin с соавт. [1959, 1961] явились стимулом для появления множества исследований структуры и функции сетчатки.

За последние годы классификация детекторов и морфофизио-логические корреляции этих нейронов подвергались критике [Rodieck, 1973; Gordon, Hood, 1976; Grusser, Grusser-Cornehls, 1976; Мантейфель, 1977]. Так, Rodieck [1973] считает, что схема морфологической классификации ганглиозных клеток сетчатки лягушки Lettvin с соавт. не соответствует нейронам, представленным Ramon у Cajal. Внутренний плексиформный слой подразделяется ими на два подслоя, тогда как Ramon у Cajal описывал пять подслоев; соответствие диаметров дендритных полей размерам рецептивных полей мало обосновано, так как Ramon у Cajal не измерял дендритные поля. Далее оказалось, что в некоторых физиологических работах объединяются по ряду признаков детекторы 1 и 2 класса, выполняющие сходные функции, и Keating, Gaze [1970] объединяют их общим названием «sustained» units. Вслед за ними детекторы классов 1 и 2 объединяют в одну группу и другие авторы [Maximov, Liege, Galand, 1974; Witpaard, Keurs, 1975; Backstrom, Hemila, Reuter, 1978], хотя такое объединение не является общепризнанным. Отмечается и разнородность различных единиц внутри одного класса: клетки класса 1 можно подразделить на цветочувствительные и цветослeпыe [Hunold, Scheibner, 1972], детекторы класса 4 — смешанная группа, и рецептивные поля этих клеток сложнее, чем раньше считалось [Keating, Gaze, 1970; Chung, Raymond, Lettvin, 1970]. Примеры неоднородности элементов внутри одного класса детекторов см. также у Gordon, Hood [1976], Маитейфель, Школьник-Яррос [1980].

Важно учесть, что Lettvin с соавт. [1961] приняли во внимание лишь 5—6 разновидностей из 11 выделенных Ramon у Cajal типов ганглиозных клеток сетчатки лягушки. Недавно удалось выяснить, что типов ганглиозных клеток не 11, их не менее 17 (Маитейфель, Школьник-Яррос [1980]), если же учитывать переходные формы, то в сетчатке лягушки не менее 20 типов ганглиозных клеток. Каждая разновидность из этого многообразия обладает набором признаков, отличающих ее от других (размер тела, количество основных дендритных ветвлений, уровень и характер ветвления во внутреннем плсксиформном слое, толщина аксона).

Таким образом, как понятие о детекторах, так и нейронный состав сетчатки лягушки оказались более сложными, чем предполагалось первоначально. В разделе 2.4 мы указывали, что морфологических типов ганглиозных клеток в сетчатке лягушки насчитывается больше, чем классов рецептивных полей. Однако обособление рецептивных полей в функционально различные классы и поиск новых классов [Reuter, 1969; Witpaard, Keurs, 1975] не завершены. Создание наиболее полной картины затрудняют не только разные методические подходы в исследованиях, но и недостаточно изученные рецептивные поля нейронов разных зрительных центров, в которые проецируются ганглиозные клетки [Grusser, Grusser-Cornehls, 1976; Маитейфель,1977].

По Grusser, Grusser-Cornehls [1976], малые нейроны (AI, AII) соответствуют физиологическому классу 1 и проецируются в tectum opticum. Самые широкоразмашистые и крупные нейроны (AIX и AXI) соответствуют классу 4 и проецируются не только в tectum opticum, но и в praetectum и добавочное ядро зрительного тракта. В сделанных Grusser, Grusser-Cornehls выводах объединены в один функциональный класс морфологически совершенно разные типы клеток (см. табл. 1). Хотя общий для этих типов признак — размах дендритных ветвлений — весьма существенен, но еще важнее уровень ветвления и его характер. О важности и даже решающем значении для образования связей и, следовательно, функционирования, уровня и характера ветвления отростков свидетельствуют данные West [1976], Kolb, Famiglietti [1976], Nelson, Famiglietti, Kolb [1978] и др. По-видимому, нейрон AXI, ветвящийся в пределах одного самого наружного (склерального) подслоя внутреннего плексиформного слоя, не может соответствовать нейрону AIX, имеющему два уровня ветвления, из которых внутренний локализуется в 4-м подслое плексиформного слоя, т. е. почти вблизи ганглиозных клеток. У этих двух нейронов должны быть принципиально различные взаимоотношения с соседними клетками, и вряд ли они могут одинаково представлять один и тот же физиологический класс нейронов.

Несоответствие количества типов нейронов по морфологическим и физиологическим показателям выявлено не только в сетчатке лягушки, но и в сетчатке некоторых млекопитающих. Так, например, по West [1976], морфологических вариантов ганглиозных клеток в сетчатке суслика 15; Michael [1968а, Ь, с] же выделил лишь несколько основных физиологических типов нейронов: цветооппонентные, дирекционалы и контрастночувствительные.

Разберем более подробно исследование West [1976]. Им выделено при импрегнации по Гольджи в сетчатке суслика 15 типов ганглиозных клеток, 5 типов амакриновых и 7 типов биполярных клеток. Принимая во внимание четкое подразделение внутреннего плексиформного слоя на подслои, данные подсчетов амакриновых и биполярных синапсов в трех его зонах, а также данные об отношении амакриновых к биполярным синапсам у разных типов ганглиозных клеток, автор пришел к интересным заключениям. Главные положения следующие: соответствуют физиологическим классам не индивидуальные морфологические типы клеток, а их функциональные группы. Отростки клеток этих функциональных групп расположены в определенных зонах внутреннего плексиформного слоя. Наружные зоны (склеральные) характеризуются большим количеством амакриновых синапсов, и дендриты, ветвящиеся там, также богаты амакриновыми синапсами. Средняя зона богата биполярными синапсами и дендритами с наибольшим количеством биполярных синапсов. Во внутренней зоне находится некоторое среднее количество и амакриновых, и биполярных синапсов. Таким образом, учитывая также данные Dowling [1968] и Dubin [1970], West считает, что стратификация внутреннего плексиформного слоя по данным подсчета синапсов позволяет предполагать и слоистость в распределении отростков нейронов разных функциональных типов. Так, на уровне внутреннего плексиформного слоя с большим числом амакриновых синапсов выявляются черты сетчаток с преимущественно сложными функциями ганглиозных клеток на уровне с низким числом амакриновых синапсов, наоборот, ганглиозные клетки имеют более простые функции.

Однако в связи с данными West, Dowling [1972] о совершенно разном наборе синапсов у двух кажущихся одинаковыми ганглиозных клеток West оговаривается о неполном соответствии входов ганглиозных клеток набору синапсов на этом уровне. Автор далее высказывает предположение о возможности синаптических связей дендритов ганглиозных клеток с теми подтипами амакринов и биполяров, которые ветвятся на том же уровне. Это предположение полностью соответствует нашему " [Школьник-Яррос, Подугольникова, Дюбина, 1975; Мантейфель, Школьник-Яррос, 1980] и доказывается при сериальных электронно-микроскопических исследованиях [Stevens, McGuire, Sterling,1980].

West приходит к выводу, что у ганглиозных клеток сетчатки суслика имеются два основных входа, которые дивергируют уже на уровне входов биполярных клеток: одни из биполяров инвагинируют в фоторецепторы, образуют контакты в ленточных синапсах, и передают сигналы в ганглиозные клетки, а другие образуют плоские синапсы с фоторецепторами и контактируют с амакринами. Все инвагинирующие биполяры, контактирующие в пределах ленточных синапсов, могут участвовать в создании тормозного окружения центра рецептивных полей простых ганглиозных клеток через горизонтальные нейроны, а плоские биполяры— в создании тормозного окружения в рецептивных полях сложных ганглиозных клеток через амакриновые нейроны.

Работа West [1976], богатая новыми количественными электронно-микроскопическими данными, страдает, однако, одним недостатком: мало выявлено типов амакриновых нейронов. Подтверждение этому можно найти в самом исследовании автора. По всем данным сгущения представляют скопления отростков трех типов нейронов в участках, где между ними образуются синапсы; разрежения — промежуточные зоны со значительно меньшим количеством синапсов. Следовательно, трудно представить себе эти обширные сгущения в сетчатке суслика без составляющих их отростков амакриновых нейронов.

В отношении горизонтальных клеток сетчатки проблема несоответствия физиологических и морфологических типов не возникает. Например, у многих рыб выявлено четыре разновидности горизонтальных клеток, каждая из которых характеризуется специфичным набором признаков и отличается величиной и формой тела, длиной и конфигурацией дендритных ветвлений, характером и количеством синаптических отростков [Parthe, 1972; Подугольникова, 1981; Подугольникова, Максимов, 1984]. Один тип связан лишь с палочками,другие с различными по цветочувствительности колбочками [Те же и Stell, Lightfoot, 1975].

Другой пример успешной морфофизиологической корреляции—анализ свойств биполярных клеток сетчатки у рыб [Scholes, 1975]. Каждая из 10 основных их разновидностей отличалась особенностями структуры, т. е. спецификой связей с фоторецепторами, характером и уровнем ветвления аксона и различным кодированием цвета. Однако, если обратить внимание на количество разновидностей биполярных клеток в сетчатке лягушки (не менее 12) [Школьник-Яррос, Подугольникова, 1976, 1978] и сопоставить их с двумя основными электрофизиологическими их типами (гипер- и деполяризационными) (Matsumoto, Naka, 1972] и с найденными при помощи ультрафиолетовой цитофотометрии (Утина, Зенкин, Лебедев, 1976], опять возникает вопрос о несоответствии количества типов нейронов по морфологическим и физиологическим показателям.

Для надежных морфофизиологических корреляций, по мнению Ю. Б. Мангейфеля и Е. Г. Школьник-Яррос [1980], перспективны следующие подходы: прежде всего факторный анализ свойств нейронов с выделением групп коррелирующих признаков (см., например: Шевелев [1978]). При использовании факторного анализа выделили 9 функциональных групп ганглиозных клеток сетчатки лягушки и предположили что таких групп клеток больше 9 [Cummings, 1978]. Далее, важны комплексные исследования с внутриклеточной регистрацией электрической активности нейрона и гистологической меткой изучаемой клетки, выявляющей отростки. Если раньше удачные примеры подобных работ относились чаще всего лишь к крупным клеткам сетчатки рыб, то теперь метки широко применяются и на более мелких нейронах других животных (см. главы 1, 2) [Matsumoto, Naka, 1972; Kaneko, Tachibana, 1981; Hassin, Witkovsky, 1983; Negishi, Teranishi, Kato, 1984]. В работе Kaneko, Tachibana [1981], например, у R. catesbiana удалось прокрасить проционовым желтым 24 ганглиозные клетки из 77, исследованных электрофизиологически. Было установлено, что дендриты ганглиозных клеток класса 3 разветвляются в самой склеральной и самой витреальной зонах внутреннего синаптического слоя; класса 4 — лишь в склеральной зоне, а 1-го и 2-го классов имеют разнообразную форму ветвлений и локализацию окончаний дендритов.

Авторы отмечают, что не нашли корреляции между функциональными классами ганглиозных клеток и размером их рецептивных полей. Nelson, Famiglietti, Кolb [1978] впервые получили в сетчатке млекопитающего — кошки — полное прокрашивание ганглиозных клеток после регистрации их активности. Однако, несмотря на превосходные морфологические результаты, связь между функциональными классами и типами строения нейронов в этих работах не выявлена, авторы даже пришли к выводу о полном отсутствии такой связи. Подобного мнения придерживается и Shepherd [1974]. Однако приведенные выше примеры удачных корреляций, а также материалы данной работы, по нашему мнению, свидетельствуют о возможности находить соответствие функции и структуры, в частности, по отношению к дендритам нейронов и их связям. Например, число ветвлений основного дендрита многими авторами с полным основанием рассматривается как важнейший признак для оценки числа пересечений с контактирующими отростками (Sholl, [1956]). По современным представлениям, структурные особенности частей нейрона (размеры сомы, размеры и геометрия дендритов, форма аксонного холмика и др.) определяют параметры потенциала действия, частотные свойства нейрона, возможности логического и алгоритмического преобразования входной импульсации [Аршавский и др., 1966; Смирнов, Мантейфель, 1973; Шмелев, 1973; Антомонов, Котова, 1976; Гутман, 1984; и др.].

Далее накоплен очень большой материал по морфологии нейронов не только сетчатки, но и других отделов центральной нервной системы, позволяющий также непосредственно сопоставлять морфологию дендритов с функцией [Leontovich, Zhukova, 1963; Жукова, 1977; Школьник-Яррос, 1965а, б; Леонтович, 1978; и др.].

Возможно, что различия в функции определяются также на уровне органелл клетки, выявляемых в ультраструктурных исследованиях. Например, наряду с особенностями в распределении и морфологии дендритных шипиков нейронов коры мозга степной и болотной черепах наблюдаются различия в ультраструктуре шипиковых головок. У степной черепахи в дистальных отделах дорсальной коры количество митохондрий в головках шипиков в 2 раза больше, чем на том же уровне у болотной черепахи [Давыдова, Гончарова, 1977]. Авторы считают, что эти и другие примеры различий строения дендритных шипиков могут отражать функциональные особенности, связанные с экологией данных видов.

----

Статья из книги: Нейроны сетчатки | Е.Г. Школьник-Яррос, А.В. Калинина