方向选择性视网膜神经节细胞的解剖学和生理学

1.简介

在视觉场景中检测移动物体的能力是我们日常生存的基础。它起源于感觉器官视网膜,视网膜神经节细胞(RGC)的很大一部分反应专门用于检测不同方向的运动(图1)

图一

巴洛和他的同事于20世纪60年代在兔子的视网膜上建立了视网膜计算的第一个证据。通过移动小光斑穿过方向选择性RGC (DSGC)的感受野部分,他们表明移动的刺激可以在一个方向(今后称为首选方向)引发强烈的动作电位峰值,但不会在相反的或无效的方向(图2)(Barlow和Levick, 1965)。

图

事实上,dsgc有不同类型,它们可以根据两个标准进行分离。首先,它们要么对光的起始和偏移都有反应(ON- off),要么只对前者有反应(ON)。第二,它们喜欢不同的运动方向。这些功能特性产生了四种类型的ON- off dsgc和三种类型的ON dsgc。ON- off DSGCs (ooDSGCs)每个检测四个基本轴中的一个方向的运动,而ON DSGCs检测背侧、腹侧和鼻侧方向的运动(Oyster和Barlow, 1967)(图3)

就知道

从那时起,小鼠遗传学的进步使得研究小鼠视网膜中的类似DSGC种群成为可能,也导致发现OFF DSGC类型,可以检测视觉场景中的向上运动(Kim等人,2008年)。这些新工具通过允许对特定类型的rgc进行基因标记和操作,对电子显微镜和染料填充技术等现有技术进行了补充。这有助于寻找它们生理功能的形态学相关关系。在接下来的章节中,我将描述每一种DSGC类型的方向选择反应的形态学和生理学特性。

2.开关DSGCs (ooDSGCs)

a. ooDSGC形态和电生理反应

oodsgc是方向选择rgc中研究最广泛的群体,部分原因是它们的出现频率更高。它们有双层的树突,在视网膜内丛状层(IPL)的ON和OFF亚层上层合(图4)(凯等,2011)。在每个亚板内,树突与中间神经元(即提供兴奋性输入的主要来源的谷氨酸能双极细胞和提供大量抑制输入的星暴无分泌细胞(SAC))共同层压。

图三

以首选方向进入ooDSGC的感受野的刺激会引起最强劲的动作电位峰值,而在无效方向上几乎没有反应(图五)(Trenholm et al., 2011)。无论移动刺激的大小、形状、对比度或轨迹如何变化,这种方向性偏好都会持续存在(Barlow和Levick, 1965)。

图

b. oodsgc的方向选择性机制

oodsgc中产生方向选择响应的机制有三种。与它们的突触前中间神经元相互作用可在首选方向产生更强的兴奋或在无效方向产生更强的抑制。ooDSGC内的兴奋和抑制的突触后整合也可以在首选方向而不是null方向上产生健壮的响应。为了解决这些可能性,首先需要了解方向选择电路的组成部分。

1 .星爆无分泌细胞是ooDSGC方向选择电路的关键组成部分

由于SAC树突与oodsgc的树突相互作用广泛(Famiglietti, 1992;范尼和波,2000年)(图7), SACs被认为是ooDSGCs方向选择反应的关键介质。事实上,消融小鼠视网膜中的SACs可以消除ooDSGCs中的方向选择反应(图7)(吉田等,2001)。

我明白

Fig7

2SACs对ooDSGCs提供不对称的抑制输入

事实上,SACs是oodsgc抑制输入的关键来源(Fried et al., 2002)。使用成对的膜片钳记录显示,去极化位于ooDSGC空侧的SAC可引起该神经节细胞的抑制(fig.8).另一方面,首选侧的SACs的抑制作用相对较小。

兴奋性输入,即来自囊泡的胆碱能输入和来自双极细胞的谷氨酸能输入,也缺乏方向选择性,这意味着不对称的囊泡抑制是ooDSGCs产生方向选择性反应的主要机制(Fried et al., 2002;Park et al., 2014)。

Fig8

SACs和oodsgc之间的不对称连接是如何建立的?方向选择性在出生后两周睁眼之前就存在了,所以视觉经验似乎对建立回路并不必要(Chan and Chiao 2008)。一条线索来自于在转基因小鼠出生后发育过程中对SACs和ooDSGCs进行成对记录(Wei et al., 2011)。在出生后第一周,ooDSGC的空侧和首选侧的SAC-ooDSGC连接的强度相等,但只有空侧SACs连接的连接在出生后第二周显著增强。这样的发育雕刻产生了一个回路,其中来自空侧SACs的抑制性电流较大,而来自两边SACs的兴奋性电流相似(fig.9)

Fig9

3非对称抑制SAC输入到ooDSGCs的结构基础

Briggman及其同事(Briggman et al., 2011)的一项具有里程碑意义的实验为这种功能不对称提供了结构基础。通过将每个ooDSGC的生理反应与这些细胞上假定的突触的结构证据相关联,从连续的块面电子显微镜中,他们表明,ooDSGC空侧的SACs比首选侧的SACs对ooDSGC树突产生更多的抑制突触。特别是,与ooDSGC的零方向反平行的单个SAC树突构成了这些抑制性突触的大部分(fig.10).因此,sacc - oodsgc抑制突触数量的增加,而不是单个突触的强度,解释了oodsgc的方向选择反应。

Fig10

iv.单个SAC树突具有方向选择性

每个SAC可以连接到多个oodsgc,并对它们的方向选择响应作出贡献。这是可能的,因为每个SAC枝晶都是一个独立的方向选择单元(Euler et al., 2002)(fig.11).当一个刺激以离心方向呈现时,从它的细胞体向外移动到远端顶端,SAC树突会抑制它所连接的ooDSGC。因此,相对于突触后ooDSGC,每个SAC树突对相反方向的运动反应最好(fig.12)

Fig11

Fig12

3.在DSGCs

a. ON dsgc的响应特性

另一类指令选择性rgc只对轻微的增量作出反应。它们被称为ON DSGCs,能够探测到三个方向之一的刺激:背侧、腹侧和鼻侧,与水平轴和垂直轴有轻微偏移(图2)(巴洛和莱维克,1965年;孙等,2006;Yonehara et al., 2009)。每个方向由两种具有不同响应特性的ON dsgc编码:一种具有持续的峰值响应,另一种具有瞬时响应(fig.13)

Fig13

b. ON dsgc的形态

正如其功能特性所示,ON DSGC树突分枝于IPL内的ON亚层,与ON囊的树突丛共层(Fig.14).已经观察到OFF小椎膜的偶尔过程(Sun等人,2006;Dhande等人,2013)。然而,持续和瞬态ON dsgc的形态在各个方面都有所不同。首先,持续的ON dsgc有更多的末端树突垂直于母枝突。其次,瞬时ON dsgc显示示踪剂与非sac无分泌细胞偶联,而持续的则没有(Kanjhan和Sivyer, 2010;Hoshi等人,2011)。

Fig14

c. ON dsgc的方向选择性机理

ON dsgc的方向选择反应,就像它们的双层对应物一样,是由空侧ON SACs的不对称抑制产生的。这可以通过在SACs中表达通道视紫红质,光刺激它们,并记录它们突触后ON DSGCs的反应来证明(Yonehara等人,2011)。刺激空侧囊泡会比刺激首选侧产生更多的抑制电流,而胆碱能的输入自始至终都是对称的。来自ON双极细胞的谷氨酸能输入也不是方向选择性的(Yonehara et al., 2013)。然而,与oodsgc相比,on - dsgc对较慢刺激的反应更好(Sivyer et al. 2010)。

4.从DSGCs

最新发现的DSGC类型是小鼠视网膜中的OFF DSGC (Kim et al., 2008)。由于结合黏附分子B (JAM-B)的丰富表达,它们被称为J-RGCs,具有显著的不对称树突,指向腹侧,在IPL的最外层亚板内层叠(15)

Fig15

这些腹侧不对称的J-RGCs对视觉场景中的向上运动做出反应。有趣的是,一小部分位于视网膜最背侧和腹侧的j - rgc具有对称的树突乔木,并且没有方向选择性(Fig.16)(Kim et al., 2008;Kim等人,2010)。树突状结构与其方向选择反应之间如此显著的相关性是前所未有的。

Fig16

j - rgc产生方向选择性的机制尚不清楚。它可能与ooDSGCs和ON DSGCs利用的sacc介导的电路非常不同,因为j - rgc不与SACs共层。找到与J-RGC树突相互作用的中间神经元类型将是阐明其方向选择电路的关键一步。

5.结论

上述dsgc构成了大部分方向选择神经节细胞类型,但绝不是详尽无遗的。随着更广泛的功能分析,可能会发现更多的DSGC类型(Helmstaedter等人,2013年)。在树突和突触水平上进一步的结构分析也将揭示产生方向选择性的精确机制。同样有趣的是,我们要了解这些来自视网膜的方向选择计算是如何整合到更高的大脑中枢的。

今越Liu_photo

刘金悦在新加坡长大,后来到英国剑桥大学攻读自然科学学士(荣誉学士)学位。她获得了新加坡科学、技术和研究局(a *STAR,新加坡)的国家科学奖学金。在剑桥大学,Jin与William Harris教授一起研究代谢在视网膜祖细胞分化中的作用。她目前是哈佛大学的博士研究生,在Josh Sanes的实验室中从事视网膜神经节细胞发育和回路机制的研究。电子邮件地址:jinyueliu@fas.harvard.edu

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