Näthinnevågor

Näthinnevågor är spontana utbrott av aktionspotentialer som fortplantar sig på ett vågliknande sätt över den utvecklande näthinnan . Dessa vågor uppstår innan staven och konen mognar och innan syn kan inträffa. Signalerna från retinala vågor driver aktiviteten i dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN) och den primära visuella cortex . Vågorna tros utbreda sig över angränsande celler i slumpmässiga riktningar som bestäms av perioder av refraktäritet som följer den initiala depolariseringen. Näthinnevågor tros ha egenskaper som definierar tidiga anslutningar av kretsar och synapser mellan celler i näthinnan. Det finns fortfarande mycket debatt om den exakta rollen av näthinnevågor. Vissa hävdar att vågorna är instruerande i bildandet av retinogeniculate vägar, medan andra hävdar att aktiviteten är nödvändig men inte instruktions i bildandet av retinogeniculate vägar.

Upptäckt

En av de första forskarna som teoretiserade förekomsten av spontana kaskader av elektrisk aktivitet under retinal utveckling var beräkningsneurobiologen David J. Willshaw. Han föreslog att intilliggande celler genererar elektrisk aktivitet i en vågliknande formation genom lager av sammankopplade pre-synaptiska och postsynaptiska celler. Aktivitet som fortplantar sig genom ett nära spann av pre- och postsynaptiska celler tros resultera i stark elektrisk aktivitet i jämförelse med pre- och postsynaptiska celler som är längre ifrån varandra, vilket resulterar i svagare aktivitet. Willshaw trodde att denna skillnad i eldstyrka och placeringen av celler var ansvarig för att bestämma verksamhetens gränser. Den laterala rörelsen av avfyring från angränsande cell till angränsande cell, som börjar i ett slumpmässigt område av celler och rör sig genom både de pre- och postsynaptiska skikten, tros vara ansvarig för bildandet av den retinotopiska kartan. För att simulera kaskaden av elektrisk aktivitet skrev Willshaw ett datorprogram för att demonstrera rörelsen av elektrisk aktivitet mellan pre- och postsynaptiska cellskikt. Det som Willshaw kallade "spontan mönstrad elektrisk aktivitet" kallas idag för "näthinnevågor".

Utifrån detta rent teoretiska koncept använde de italienska forskarna Lucia Galli och Lamberto Maffei djurmodeller för att observera elektrisk aktivitet i ganglionceller i näthinnan. Före Galli och Maffei, hade retinal ganglioncellaktivitet aldrig registrerats under prenatal utveckling. För att studera ganglionaktivitet använde Galli och Maffei för tidigt födda råttnäthinnor, mellan embryonala dagar 17 och 21, för att registrera elektrisk aktivitet. Flera isolerade enstaka celler användes för denna studie. Registreringarna visade att cellaktivitet katalyserades från ganglieceller. Galli och Maffei spekulerade i att den elektriska aktiviteten som ses i retinala ganglieceller kan vara ansvarig för bildandet av retinala synaptiska anslutningar och för projektionerna av retinala ganglieceller till colliculus superior och lateral geniculate nucleus (LGN).

När idén om retinala vågor etablerades använde neurobiologen Carla Shatz kalciumavbildning och mikroelektrodinspelning för att visualisera rörelsen av aktionspotentialer i en vågliknande formation. För mer information om kalciumavbildning och mikroelektrodinspelning, se avsnittet nedan. Kalciumavbildningen visade ganglionceller som initierade bildandet av retinala vågor, tillsammans med intilliggande amakrinceller , som deltar i rörelsen av den elektriska aktiviteten. Mikroelektrodinspelningar ansågs också visa LGN -neuroner som drivs av den vågliknande bildningen av elektrisk aktivitet över närliggande retinala ganglieceller. Från dessa resultat föreslogs det att vågorna av elektrisk aktivitet var ansvariga för att driva mönstret av spatiotemporal aktivitet och även spela en roll i bildandet av det visuella systemet under prenatal utveckling.

Rachel Wong är en annan forskare som är involverad i studiet av näthinnevågor. Wong spekulerade i att elektrisk aktivitet inom näthinnan är involverad i organiseringen av näthinneprojektioner under prenatal utveckling. Mer specifikt kan den elektriska aktiviteten vara ansvarig för segregeringen och organisationen av dLGN. Wong spekulerade också i att specifika delar av det visuella systemet, såsom okulära dominanskolonner , kräver någon form av elektrisk aktivitet för att kunna utvecklas helt. Hon trodde också att att kunna ta reda på signalerna som kodas av näthinnans vågor, kan göra det möjligt för forskare att bättre förstå hur näthinnevågor spelar en roll i näthinneutvecklingen.

En del av den senaste forskningen som bedrivs är att försöka bättre förstå de kodade signalerna från retinala vågor under utveckling. Enligt forskning utförd av Evelyne Sernagor, tros det att retinala vågor inte bara är nödvändiga för deras spontana elektriska aktivitet utan också är ansvariga för att koda information som ska användas vid bildandet av spatiotemporala mönster som gör att retinala banor kan bli mer förfinade. Genom att använda sköldpaddor för att testa detta koncept använde Sernagor kalciumavbildning för att titta på förändringen i näthinnans vågor under olika stadier av näthinneutvecklingen. Från studien, vid de allra första utvecklingsstadierna, flammar näthinnevågor snabbt och upprepade gånger, vilket orsakar vad som tros vara en stor våg av aktionspotentialer över näthinnan. Men när sköldpaddan närmar sig fullbordad utveckling slutar näthinnevågorna gradvis att spridas och blir istället orörliga klumpar av retinala ganglieceller. Detta tros vara ett resultat av att GABA förändras från exciterande till hämmande under kontinuerlig retinal utveckling. Huruvida förändringen i retinalvågbildning under utveckling är unik för sköldpaddor är fortfarande i stort sett okänt.

Observation av vågor i andra system

Spontan generering och fortplantning av vågor ses på andra håll i kretsar under utveckling. Liknande synkroniserad spontan aktivitet tidigt i utvecklingen har setts i neuroner i hippocampus , ryggmärg och hörselkärnor. Mönstrad aktivitet som formar neuronala anslutningar och kontroll av synaptisk effektivitet i flera system inklusive näthinnan är viktiga för att förstå interaktionen mellan presynaptiska och postsynaptiska celler som skapar exakta anslutningar som är väsentliga för nervsystemets funktion.

Utveckling

Under utvecklingen är kommunikation via synaps viktig mellan amakrina celler och andra retinala interneuroner samt ganglionceller , som fungerar som ett substrat för retinala vågor. Det finns tre utvecklingsstadier som kännetecknar retinal vågaktivitet hos däggdjur. Före födseln medieras vågorna av icke-synaptiska strömmar, vågor under perioden från födseln till 10 dagar efter födseln medieras av signalsubstansen acetylkolin som verkar på nikotinacetylkolinreceptorer och vågor under den tredje perioden, från 10 dagar efter födseln till 2 veckor, förmedlas av jonotropa glutamatreceptorer .

Kemiska synapser under den kolinerga vågperioden involverar de starburst amacrine cellerna (SAC) som släpper ut acetylkolin på andra SAC, som sedan sprider vågor. Under denna period överstiger produktionen av kolinerga vågor vågproduktionen via gap junctions , varav signalerna är ganska reducerade. Denna signalering sker innan bipolära celler bildar anslutningar i det inre plexiforma lagret . SAC tros vara källan till retinala vågor eftersom spontana depolarisationer har observerats utan synaptisk excitation.

Kolinerg vågaktivitet dör så småningom ut, och frisättningen av glutamat i bipolära celler genererar vågor. Bipolära celler differentierar senare än amakrin- och ganglionceller, vilket kan vara orsaken till denna förändring i vågbeteende. Förändringen från kolinerg mediation till glutamaterg mediation sker när bipolära celler gör sina första synaptiska förbindelser med ganglionceller. Glutamat, signalsubstansen som finns i bipolära celler, genererar spontan aktivitet i ganglionceller. Vågor är fortfarande närvarande efter att bipolära celler etablerar synaptisk förbindelse med amakrin- och ganglionceller.

Ytterligare aktivitet involverad i retinala vågor inkluderar följande. Hos vissa arter GABA spela en roll i frekvensen och varaktigheten av utbrotten i ganglionceller. Interaktionerna i celler varierar i olika försökspersoner och på olika mognadsnivåer, särskilt de komplexa interaktioner som medieras av amakrina celler. Aktivitet som sprids via gap junctions har inte observerats hos alla testpersoner; till exempel har forskning visat att iller retina ganglionceller inte är kopplade. Andra studier har visat att extracellulära excitatoriska medel som kalium kan vara avgörande för vågutbredning. Forskning tyder på att synaptiska nätverk av amakrin- och ganglionceller är nödvändiga för produktionen av vågor. I stort sett produceras vågor och fortsätter under en relativt lång utvecklingsperiod, under vilken nya cellulära komponenter i näthinnan och synapser tillförs. Variation i mekanismerna för näthinnans vågor svarar för mångfalden i förbindelserna mellan celler och mognaden av processer i näthinnan.

Aktivitetsmönster av vågor

Vågor genereras slumpmässigt men begränsade spatialt på grund av en refraktär period i celler efter att aktionspotentialer har producerats. Efter att en våg har spridits på ett ställe kan den inte fortplantas på samma plats igen. Våginducerade eldfasta områden varar cirka 40 till 60 sekunder. Forskning tyder på att varje region av näthinnan har lika stor sannolikhet att generera och sprida en våg. Den refraktära perioden bestämmer också hastigheten (avståndet mellan vågfronter per tidsenhet) och periodiciteten (genomsnittligt tidsintervall mellan våginducerade kalciumtransienter eller depolarisationer som registrerats i en viss neuron i gangliecellskiktet). Tätheten hos eldfasta celler motsvarar hur snabbt retinala vågor utbreder sig; till exempel, om det finns ett lågt antal eller densitet av eldfasta celler, kommer fortplantningshastigheten att vara hög.

Experimentella procedurer

Visualisering av vågor

Två primära metoder för att visualisera retinala vågor är användningen av kalciumavbildning och multielektroduppsättning . Kalciumavbildning möjliggör analys av vågmönster över ett stort område av näthinnan (mer än med multielektrodinspelning). Avbildning som sådan har gjort det möjligt för forskare att undersöka spatiotemporala egenskaper eller vågor samt vågmekanism och funktion under utveckling.

Störande vågor

Det finns tre huvudtekniker som för närvarande används för att störa näthinnans vågor: intraokulär injektion av farmakologiska substanser som förändrar vågmönster, användning av immunotoxiner som eliminerar vissa klasser av amakrina celler eller användning av knockout-muslinjer som har förändrat spontana avfyringsmönster. Det finns flera farmakologiska medel som kan användas för att störa retinal aktivitet. Tetrodotoxin (TTX) kan injiceras nära det optiska området för att blockera inkommande retinal aktivitet utöver den utgående aktiviteten hos laterala geniculate neuroner. Intraokulära injektioner av epibatidin , en kolinerg agonist, kan användas för att blockera spontan avfyring i hälften av alla retinala ganglieceller och orsaka okorrelerad avfyring i den återstående hälften. Effekter av de farmakologiska medlen på retinal ganglioncellaktivitet observeras med användning av antingen MEA- eller kalciumavbildning. Immunotoxiner kan användas för att rikta in sig på starburst amacrine celler. Starburst amacrine celler är retinala interneuroner som ansvarar för kolinerga retinala vågor. Den tredje metoden är att använda knockoutmöss med förändrade spontana eldningsmönster. Den vanligaste muslinjen för denna metod är den neuronala nikotinacetylkolinreceptorn beta-2 subenhet knockout (β2-nAChR-KO). β2-nAChR-KO-möss har observerats ha minskad ögonspecifik retinotopisk förfining liknande epitbatidininjektion samt inga korrelerade vågor, vilket observerats med kalciumavbildning och MEA-registrering.

Kontroversiell roll i neuronal utveckling

Det finns för närvarande fortfarande mycket kontrovers om huruvida retinala vågor spelar en "instruktiv" eller en "tillåtande" roll i bildandet av ögonspecifika projektioner i den retinogenetiska vägen. Injektioner av farmakologiska medel förhindrar bildandet av ögonspecifika retinogeniculate inputs, vilket indikerar att retinala vågor spelar en viss roll i bildandet. β2-nAChR-KO-möss har visat sig ha förändrade mönster för spontan eldning. Det är viktigt att notera att även om experiment gjorda i knock-out-linjer hittills har hjälpt till att förklara vissa saker om retinala vågor, är det bara experiment gjorda in vivo vid normal kroppstemperatur och i en normal kemisk miljö som verkligen kan avgöra vad det verkliga mönstret för avfyring. är i utslagsdjuren.

Lärorikt argument

Retinalvågsaktivitet har visat sig sammanfalla med den period då ögonspecifika retinogenetikulatprojektioner bildas. Denna tidsmässiga överlappning skulle vara nödvändig för ett orsakssamband. TTX-injektioner hos fosterkatter förhindrade bildandet av ögonspecifika retinogenikulerade projektioner, vilket indikerar att neuronal aktivitet är nödvändig för bildandet av ögonspecifika skikt. Efter behandling med epibatidin kan avsaknaden av korrelerad skjutning i den återstående hälften av retinala ganglieceller trots den robusta skjutningen samt avsaknaden av ögonspecifik skiktbildning indikeras som bevis på att vågorna spelar en instruktionsroll. Kalciumavbildningsobservation efter immunotoxinanvändning visade att viss korrelerad avfyring fortfarande kvarstod där inspelning av kopplad spänningsklämma visade signifikant minskning av korrelerad avfyring. Den återstående korrelerade skjutningen kunde förklara bildandet av ögonspecifika retinogeniculate projektioner som hittades. Genom att använda kalciumavbildning och MEA-inspelning har dessa celler inte visat sig ha någon korrelerad bränning. Istället har minskade eldningshastigheter observerats, och depolarisering i en cell verkade hämma omgivande celler. Det förändrade eldningsmönstret för β2-nAChR-KO-möss är också kontroversiellt eftersom det har funnits några bevis för att korrelerad eldning fortfarande förekommer i knock-out-möss, som beskrivs i nästa avsnitt.

Tillåtande argument

Retinalvågor har hittats medan ögonspecifika retinogenetiska vägar bildas; Det är dock viktigt att notera att hos alla arter som hittills studerats börjar retinala vågor före och fortsätter efter att dessa ögonspecifika vägar bildas. Det noteras också att vissa arter där näthinnevågor har dokumenterats ha projektioner som korsas. Detta tyder på att retinala vågor kan vara närvarande och inte spela en lärorik roll i ögonspecifika ingångar. Det finns flera frågor att ta hänsyn till när man tittar på data från användning av farmakologisk substans för att blockera retinal aktivitet. För det första är långtidseffekterna av behandling med TTX okända, eftersom det ännu inte är möjligt att övervaka näthinnans aktivitet under lång tid hos ett intakt djur. Upptäckten att långtidsinjektion av TTX inte hämmade och istället bara fördröjde bildandet av ögonspecifik skikt kunde då förklaras av de minskade effekterna av TTX på näthinneaktivitet under en längre varaktighet. Detta stöder argumentet att blockering av all retinal aktivitet förhindrar ögonspecifik projektionsbildning återstår att fastställa. Dessutom, eftersom immunotoxinbehandling för att döda starburst amacrine celler inte visar någon skillnad i bildandet av ögonspecifika retinogeniculate projektioner medan behandling med epibatidin gör det, kan det tyda på att någon form av retinal aktivitet är avgörande för bildandet av det ögonspecifika skiktet, men inte retinal. vågor. En studie visade att β2-nAChR-KO-möss fortfarande hade robust retinal vågaktivitet, till skillnad från tidigare rapporterat; emellertid fann de att näthinnans vågor fortplantades med hjälp av gap junctions i knock-out-linjen, istället för kolinerg transmission av vildtypsmöss.

Vidare läsning

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Retinal_waves&oldid=1121908361 "