视网膜细胞类型和突触连接的发展

乔什·摩根和瑞秋·王

1.介绍。

脊椎动物视网膜的突触连接被组织成不同的层状结构(图1)。在外层视网膜,光感受器接触单层层内的水平细胞和双极细胞,即外丛状层(OPL)。在视网膜内,视网膜神经节细胞与其突触前伙伴、无分泌和双极间神经元之间的突触定位于内丛状层(IPL)。随着光照增加而去偏振的细胞(ON)之间的连接大约占据IPL的内部一半,而被光超偏振的细胞(OFF)之间的连接仅限于IPL的外部一半。是什么因素控制着每一种细胞类型在IPL和OPL中形成突触连接的精确度,目前还不完全清楚。然而,结构和功能的研究显著提高了我们对视网膜回路发育机制的理解,部分得益于新技术的进步。

图1所示。(左)免疫染色成熟小鼠视网膜的横切面,显示细胞体和突触末梢的分层。用抗锥阻滞素免疫标记的光感受器(蓝紫色)(谢丽尔·克拉夫特赠送);无分泌细胞和神经节细胞对钙结合蛋白(红色)进行免疫染色,双极细胞对GFP进行免疫反应(来自转基因动物,其中ON双极细胞在mGluR6启动子下表达GFP;由Anuradha Dhingra和Noga Vardi生成)。(右)图示成熟脊椎动物视网膜中主要细胞成分及其投射模式

2.脊椎动物视网膜中的电路组装序列。

超微结构研究(Olney, 1968;费舍尔,1979;Blanks et al., 1974)认为,脊椎动物视网膜主要神经元类之间的突触发生在三个主要阶段(图2;图示为小鼠视网膜)。视网膜神经节细胞和无分泌细胞是发育中的视网膜IPL中最早分化并形成最早功能回路的细胞类别。不久之后,水平细胞和光感受器在视网膜外层分化并相互接触,形成OPL。当两极细胞出生时,视网膜内外的垂直网络相互连接,并与神经节细胞建立连接。这种连续的视网膜回路发育模式在各种物种中都很常见,尽管视网膜回路内外发育之间的时间间隔各不相同,从斑马鱼等动物的几小时到哺乳动物的数天或数周不等。可以在斑马鱼胚胎中通过体内延时共聚焦成像观察到IPL和OPL丛的出现,如下面的电影M1所示。

图2所示。图示脊椎动物视网膜内的电路组装序列,以小鼠为例。P =出生后日。IPL=内丛状层;OPL=外丛状层

点击此处观看通过活体延时共聚焦成像在斑马鱼胚胎中出现IPL和OPL神经丛的电影

3.结构组装。

新方法

几十年前,视网膜神经元突触前和突触后的树突的形态已经通过高尔基染色得到记录(Cajal, 1960)。这些研究提供了丰富的信息,不仅有助于对成熟视网膜中的不同形态细胞类型进行分类,而且使未成熟视网膜的结构可视化。最近,荧光标记物被用来专门标记视网膜细胞的种类及其亚型。使用玻璃微管可以通过细胞内染料填充方法靶向细胞(Vaney, 1984;坂口,1989)。这种方法可以在几秒钟到几分钟内快速标记细胞及其过程。细胞内染料填充已被用于可视化发展中的视网膜神经元,并仍然是确定其形态在不同年龄的流行技术。

自发现以来,绿色荧光蛋白(GFP)作为活细胞标记物被广泛应用。与大多数荧光染料相比,GFP耐漂白,且没有毒性,这使其成为研究视网膜神经元在组织外植体或活体中如何改变其结构的理想材料。绿色荧光蛋白及其谱变体可通过瞬时转染或稳定转基因系在视网膜神经元中表达。为了在外植体培养中随机标记视网膜神经元,可以使用基因枪传递编码GFP的质粒(Wong et al., 2000;图3)。其他颜色荧光蛋白(FPs:黄色、青色、红色)也可以用这种方式表达。电穿孔可用于在体外和体内特异性靶向和标记单个细胞(Haas et al., 2002)。该技术包括眼内DNA注射,然后在眼内施加高压脉冲(图4;参见Matsuda和Cepko, 2004)。


图3。通过基因枪(图左)将编码荧光蛋白的质粒生物传递,可在活体、发育中的视网膜神经节细胞上精确标记。图示表达yfp的胚胎鸡视网膜神经节细胞

图4:用电穿孔法标记视网膜细胞体内gfp表达。这里显示的是新生小鼠视网膜的横截面(由迈克·戴尔提供)

另外,随着细胞类型特异性启动子越来越多,可以通过生成转基因动物来标记发育中和成年视网膜中的视网膜神经元。例如,使用人类L和M锥体启动子,在出生后不久的小鼠锥体光感受器中驱动GFP的表达(图5;Fei和Hughes, 2001)。此外,在GFP小鼠中,双极细胞的一个子集表达GFP(图5;Huang et al., 2003)和视网膜神经节细胞在Thy-1启动子下表达荧光蛋白(图5;冯等人,2000)。

图5所示。绿色荧光蛋白在稳定转基因系中表达视网膜神经元的例子。由人类L和M视蛋白启动子驱动的锥体表达(图片由Rachel Huckfeldt提供);一组双极细胞在gustducin启动子下表达GFP,一组神经节细胞在Thy-1-GFP m系中表达GFP

还生成了视网膜神经元表达荧光蛋白的斑马鱼(图6)。生成表达荧光蛋白的转基因系的主要优势是,可以在活组织中跟踪各种视网膜神经元细胞类型的结构发展,或使用延时显微镜在完整的动物中跟踪。特别是斑马鱼,由于其在胚胎发育过程中相对快速的发育和透明度,非常适合在体内成像。Lohmann等人(2005a)提供了如何对斑马鱼胚胎中荧光标记的视网膜神经元成像的细节。

图6所示。(A)荧光蛋白在斑马鱼胚胎中通过在单细胞阶段将质粒注射到受精卵中获得瞬时表达。用水物镜在低熔点琼脂糖中植入的麻醉胚胎中成像这种表达是可能的。部分转载自Lohmann等(2005a)。(B)瞬时转染或稳定转基因系表达荧光蛋白的斑马鱼神经元实例。微管蛋白启动子驱动的DsRed瞬时表达。在Pax6-DF4:mGFP转基因系中表达GFP的无分泌细胞(见Kay等人,2004)与Pax6-DF4:mCFP转基因系交叉(Mumm等人,2005);XOPs-GFP系中的杆状光受体(绿色)(Fadool, 2003)。部分转载自Mumm等人(2005)

4.突触前和突触后过程的发展。

视网膜神经元的结构至少有两个特征会影响它们的连通性,从而影响它们形成的回路。第一个与轴突和树突的横向分支模式有关。视网膜神经元突触前和突触后树杈的横向组织决定了细胞的空间覆盖范围,可能还决定了它们形成的输入和输出的密度。第二,如前所述,视网膜神经元的突触前和突触后的树杈高度局限于视网膜内外的椎板。这种结构上的层流组织反映了特定细胞子集之间的连通性。因此,要更好地理解视网膜神经回路是如何形成的,一个方法就是确定视网膜神经元轴突和树突的横向和垂直组织的调节机制。

(a)视网膜神经节细胞

视网膜神经节细胞有多种类型,每一种细胞都有其独特的分支模式、乔木的大小以及与邻近的同亚型细胞重叠的数量。内在和环境线索似乎都塑造了视网膜神经元的分支模式,至少对神经节细胞是这样(Sernagor等人,2001)。当视网膜神经节细胞在不与其他细胞接触的情况下被分离出来时,它们会形成树枝状的树突,分支复杂,与体内细胞相似。不同细胞类型(例如,猫视网膜中的α细胞和β细胞)的分支模式的定型组织也认为细胞的内在机制有助于定义它们的分支模式。

然而,当邻近神经节细胞的密度在发育过程中发生改变时,神经节细胞树突的形状和大小也会发生变化(图7)。激光消融或轴突切开术会导致视网膜神经节细胞的局部病变减少(Eysel et al., 1985)。这种操作导致病变边缘的细胞将树突投射到神经节细胞游离区。对眼睛大小的实验操作会增加细胞之间的间距,同时也会增加它们的茎轴大小(Troilo et al., 1996)。然而,对于小鼠视网膜中的某些亚型神经节细胞,神经节细胞密度的降低并不会影响其树突树突的大小和图案(Lin et al., 2004)。这些差异增加了一种可能性,即在形成神经节细胞树突树突横向组织时,细胞内部和细胞外部线索之间的平衡可能因细胞亚型而异,甚至可能因物种而异。

图7所示。不同操作条件下视网膜神经节细胞树突区组织的图示。(A)粉色细胞被激光损伤(Eysel et al., 1985)。(B)形态剥夺引起的视网膜区域扩张(Troilo等,1996)。(C) Brn3b敲除小鼠视网膜中SMI-32免疫阳性神经节细胞的区域(Lin et al., 2004)

如果细胞和细胞之间的相互作用影响了神经节细胞树突的分支和区域大小,那么信号可能是什么呢?解决这个问题的一个方法是更好地了解神经节细胞树突在其分支模式和领地建立期间的动态行为。对发育中的小鸡和老鼠视网膜神经节细胞的延时成像实验显示,树突状分支随着时间的推移,在获得成体分支模式之前,会增加或消除。枝晶区域在分支增加和减少时的动态变化可以在下面的电影M3中看到。

点击此处观看斑马鱼视网膜神经节细胞发育过程中树突(绿色圆圈)的出现和其他树突(红色圆圈)的消除(Quicktime影片)

在视网膜神经节细胞中,神经传递可能引发怎样的细胞机制来调节树突状分支?对鸡胚胎视网膜的活体成像研究表明,神经节细胞树突状的稳定性是钙依赖性的。细胞外钙含量低时,视网膜神经节细胞的树突收缩(图8)。树突收缩可以通过细胞内存储的钙诱导钙释放(CICR)进行局部控制(Lohmann et al., 2002)。在对未成熟视网膜神经节细胞进行钙成像时,可以在小树突状段中观察到自发的CICR。CICR激活的稳定树突细胞骨架的途径仍有待确定。一种可能是突触前末梢的传递导致局部CICR,然后稳定接触的树突节段(Lohmann et al., 2002)。未来的延时成像实验需要直接解决新生突触是否在接触时稳定视网膜神经节细胞的树突,正如在斑马鱼顶盖神经元中所证明的那样(Niell等,2004)。

图8所示。胚胎发育过程中表达gfp的鸡视网膜神经节细胞的活体共聚焦成像。去除细胞外钙会导致树突的收缩

在视网膜神经节细胞发育过程中,是什么因素形成了树突分层?在哺乳动物中,视网膜神经节细胞最初将树突投射到IPL的整个深度(图9)。分层逐渐发生,并随着成熟而变得精确(图9)。通过早期的研究,人们对神经节细胞树突分层的机制有了一些了解,其中眼内注射2-氨基-4-膦丁酸盐、APB(一种mGluR6受体激动剂)在猫体内阻止分层的α和β神经节细胞树突状树突的出现(Bodnarenko和Chalupa, 1993;Bodnarenko等人,1995)和雪貂(Bodnarenko等人,1999)视网膜。因此,神经传递可能参与了神经节细胞树突的最终排列。这得到了对海龟和鸡的药理学研究的支持,其中分别封锁胆碱能或谷氨酸能传递会导致神经节细胞具有相对较小和较少分支的树杈(Wong等人,2000;Sernagor和Mehta, 2001)。

图9所示。(左)哺乳动物视网膜神经节细胞树突状发育序列。(右)小鼠出生时(P0)和P4时视网膜神经节细胞的标记显示,最初,这些神经节细胞的树杈没有分层。IPL的深度由反射光显微镜(红色区域)判断。树突(绿色)随深度的分布在围绕树杈的共聚焦光学堆栈的正交旋转中观察得最好,如下图所示的细胞的整体图像

(b)无长突细胞

高尔基(Prada et al., 1987)和电子显微镜(Hinds and Hinds, 1978;1983)几十年前的研究。通过观察不同年龄固定的视网膜,认为分化内核层多极形态的细胞是未成熟的无分泌细胞。这些细胞在到达内l和外l的边界之前,向许多不同的方向延伸神经突。此后,无分泌细胞在IPL中精心设计形成其乔木的过程(图10)。

图10所示。从一系列EM研究中提出的无分泌细胞神经突发育序列(Hinds和Hinds, 1978)

在稳定的转基因斑马鱼系中,用荧光蛋白表达标记无尾藻细胞的延时研究为无尾藻细胞神经突的分层提供了一些见解(Kay等人,2004年)。在ON和OFF无分泌细胞亚群表达GFP的转基因系中,可以看到从这些无分泌细胞中出现的丛状过程(见电影M1)。最初,gfp阳性的无分泌细胞过程有助于新生IPL是弥漫性排列的,没有观察到亚分层。然而,随着时间的推移,两个不同的明亮荧光带分解,分别对应于IPL的a (OFF)和b (ON)亚层。为了确定个体无侧分泌细胞在发育过程中如何以其相应的亚膜为目标,有必要观察和跟踪个体无侧分泌细胞在体内随时间的发展。这是因为在IPL中不可能区分紧密相对但分离的乔木和深度混合的乔木。

很明显,即使在无分泌细胞神经突获得了正确的亚分层后,它们的乔木在达到成熟形态之前仍在横向维度上经历显著的重组。哺乳动物视网膜上的星爆裂无分泌细胞在发育早期表现出独特的放射状形态,但其详细的分支模式随着成熟而改变。与视网膜神经节细胞一样,形态学变化主要包括小突起的消失,以及在成熟细胞的远端分支(Wong和Collin, 1989)出现钮扣状结构,这是突触前递质释放的部位(参见无分泌物和神经活性物质章节)。

什么因素影响无分泌细胞神经突的发育?首先,视网膜神经节细胞虽然是无分泌细胞的主要突触后靶点,但它并不是无分泌细胞乔木层压所必需的。啮齿动物视神经切片可导致神经节细胞死亡,但并不改变星爆无分泌细胞的分层(Chalupa and Gunhan, 2004)。在神经节细胞不分化的突变动物中(Math5敲除小鼠(Brown et al., 2001;Wang等人,2001a)和斑马鱼lakritz突变体),也会发生无分泌细胞层压(图11)。由于双极细胞只有在无分泌细胞分层发生后才分化,这些神经元不太可能影响无分泌细胞的初始分层。有可能是特定于每个亚型的无分泌细胞之间的相互作用导致了它们各自独立的纹层的形成。另外,分层线索可能来自穆勒胶质细胞或其前体。这些线索可能是扩散的,创造了一个允许或排斥因素的梯度视网膜深度,或接触介导。因为无分泌细胞甚至在其细胞体到达INL/IPL边界之前就表达神经递质,通过分泌递质在这些细胞之间的交流影响了它们的树化也是可能的。 Mutant animals in which specific forms of neurotransmission are absent would help address this possibility.

图11所示。在没有视网膜神经节细胞的情况下,无分泌细胞神经突的亚分层仍然很明显,这在拉克里茨斑马鱼视网膜中很明显(转载自Kay et al., 2004)。

(c)双极细胞

双极细胞的轴索和树突发生还不清楚,因为这些细胞在发育早期缺乏标记。然而,对鸡视网膜的高尔基研究表明,发育中的双极细胞的轴突和树突状乔木是由终止于内外限制膜的垂直突起演化而来的(Quesada et al., 1981;请参见图12)。使用细胞特异性标记来识别双极细胞将进一步测试双极细胞发育的这个模型。

图12所示。从高尔基体研究中提出双极细胞轴突和树突的发育顺序

双极细胞轴突的分层可能受与无分泌细胞相互作用的影响。所有的无分泌细胞,作为杆极细胞的突触后靶细胞,都有一个双层的乔木,每个乔木具有定型的形态。外乔木(OFF亚节)包括小叶附属物,而内乔木(ON)有细分枝(见所有无分泌细胞一章)。所有的无分泌细胞都表达Disabled1,这是一种参与reelin通路的适配器蛋白(Rice et al., 2001)。在没有卷线的卷线鼠中,所有无分泌细胞的小叶和非小叶附属物的分布是不精确的。同样,一些杆状双极细胞被发现有轴突分层缺陷(图13)。同样在lakritz突变体中,双极轴突末梢在无分泌细胞层压破坏的局部区域也有类似的组织紊乱(图13)。在神经节细胞缺失的情况下,ON和OFF双极细胞分层仍然存在(Gunhan-Agar et al., 2000;王等,2001a;Brown et al., 2001)。 Together, these observations raise the possibility that amacrine cells, rather than ganglion cells, provide lamination cues for bipolar axon terminals.

图13所示。在卷卷鼠(左)和拉克里茨(右)斑马鱼突变体中,双极细胞轴突分层在无轴突分层被破坏的区域受到影响(如箭头所示)。卷轴视网膜横截面图像由Dennis Rice提供,lakritz视网膜切片由Kay等人(2004)转载。

(d)水平细胞

GABA的两种合成酶之一GAD67的早期高尔基体研究和免疫标记(Schnitzer和Rusoff, 1984)表明,水平细胞过程在发育过程中经历从放射状到横向组织的戏剧性进展(图14)。水平细胞在没有锥体光感受器的情况下实现这种横向组织(Reese et al., 2005)。然而,Rb小鼠在发育过程中,在棒状细胞缺失的区域观察到水平细胞的异常分层模式(Donovan and Dyer, 2004)。


图14所示。水平细胞(箭头)在发育过程中经历戏剧性的过程重构,通过免疫标记新生小鼠(A)视网膜中的钙结合蛋白可见,并在示意图(B)中说明。OPL =外丛状层

在成熟的视网膜中,水平细胞在树突场中不均匀地接触视锥细胞。接触锥体的树突状终端(终端的例子,图15A)的数量随着与细胞体距离的增加而减少(图15B)。有趣的是,在水平细胞发育过程中,末端的数量与细胞体的距离没有太大的变化。由于相邻水平细胞的树突场重叠在小鼠出生后相对没有变化,水平细胞似乎失去了外围终末,但随着成熟,中心终末增加(图15B)。在无锥体小鼠中,水平细胞树突的末端分支模式发生改变(见Reese et al., 2005;图15 c)。这表明,与视锥细胞的接触在最初的组织中或在这些结构的维护中都很重要。

图15所示。水平细胞终端的发展。(A)小鼠水平细胞的DiI标记,显示接触锥体光感受器的终端。(B)跨桥码头组织的发展重排。(C)无锥体小鼠水平细胞树突末端异常。图片由Ben Reese提供

(e)感光细胞

利用免疫标记方法(见图16A)评估了光感受器的形态结构变化和轴突靶向性。这些研究表明,在许多物种中,大量杆状体(占种群的80%)和一些锥状体的末端伸出形成的外丛状层,达到IPL (Johnson et al., 1999;Reese书评,2004年;参见图16)。随着成熟,所有的光感受器末端都限制在OPL上。当视网膜神经节细胞被切除时,光感受器末端到IPL的瞬时投射不受干扰。然而,无分泌细胞的药理学缺失,例如VAChT-saporin,导致这些光感受器终端终止于IPL的不同深度,甚至延伸到GCL。这意味着无分泌细胞是未成熟光感受器末端的靶点(见Johnson等人,2001;图16)。

图16所示。光感受器轴突末端的结构发育。在雪貂中,恢复蛋白阳性光感受器的轴突末端到达内丛状层(IPL)。用杀死胆碱能无分泌细胞的VAChT-saporin治疗会导致这些终端过度投射到神经节细胞层(GCL)。OPL =外丛状层。图片由Ben Reese提供(未发表数据)

5.功能组装

新方法

发育中的视网膜神经元的生理特性通常采用膜片钳、细胞内和细胞外记录方法在单细胞水平上进行评估。随着多电极阵列的发展(Meister et al., 1991)和光学成像方法的进步(Morgan et al., 2005),同时记录大量发育中的视网膜神经元成为可能。两种方法都被用于评估视网膜网络在发育过程中的活动模式。

平面电极阵列与60或更多的细胞外电极允许同时记录数十个神经节细胞(图17;见下面的电影)。然而,因为它们是细胞外记录,所以很难直接确定采样区域内的哪些细胞与每个电极位点检测到的刺突序列相关。这些阵列可以从多种渠道获得——下图是一个多通道系统阵列的例子,用于记录发育中的视网膜的尖刺(Tian和Copenhagen, 2001;Demas等人,2003)。

图17。多通道系统生产的多电极阵列示意图,显示围绕平面电极阵列(60个电极)的中央记录室

点击这里观看一个电影(M5),多电极阵列从一个一周大的老鼠视网膜记录。每个点代表一个电极的位置。圆点的大小与射击速度成正比。可以看到活动波在阵列间传播。时间以秒为单位(Quicktime电影)

钙成像

钙显像方法已被用于评估视网膜神经元在单细胞水平的活性,并同时监测细胞群的细胞内钙水平(参见Marla Feller的视网膜发育章节)。钙指示染料的使用有广泛的文献记载(见Lohmann等人,2005b对方法的详细描述)。膜式指示剂和基因编码指示剂都可以获得,并已成功使用。电影M6中显示的是胚胎鸡视网膜自发活动的一个例子,显示细胞内钙水平随着荧光强度的增加而升高。钙离子水平在整个阵列中呈波状上升。钙离子指示剂的弹道输送可用于实际可视化单个细胞的过程(Lohmann et al., 2002)。

6.突触连通性的发展

通过电子显微镜评估,在IPL中出现常规突触后不久,首次观察到对视网膜神经节细胞的功能性驱动。在这一发育时期,视网膜神经节细胞和无分泌细胞中检测到自发性兴奋性突触后电流(EPSCs)。这些兴奋性电流是由无分泌细胞使用的乙酰胆碱、GABA或甘氨酸介导的(Sernagor等,2001)。与中枢神经系统的其他部分一样,在谷氨酸驱动出现之前,GABA在视网膜神经节细胞中去极化。自发谷氨酸驱动首次在小鼠视网膜P7左右被观察到,此时IPL中双极终末明显存在(Johnson等,2003年)。瞬时投射到IPL的光感受器是否为视网膜内神经元提供谷氨酸能驱动尚不清楚,尽管突触素阳性终端的存在暗示了这一点(Reese, 2004)。

图18总结了与小鼠视网膜发育中电路发育相关的关键事件的时间线。

图18所示。小鼠视网膜中电路组装和成熟过程中的关键生理事件综述。(1) Wong, 1999, Johnson等,2003;(2) Johnson等,2003;雪莉等,2003;(3)奥尔尼,1968;blank等人,1974;费舍尔,1979)

7.自发的活动

在视觉之前,内部的视网膜产生一种活动模式,这是发育中的视网膜所特有的。邻近的视网膜神经节细胞表现出与传播波相关的有节奏的爆发活动(回顾Wong, 1999;参见Marla Feller的章节)。这些波可以用钙成像来观察,也可以用多电极阵列来检测(见电影M5)。视网膜波在睁眼后不久消失(图19)。这些视网膜波的性质和意义在Marla Feller的章节中进行了讨论。尽管越来越多的证据表明波在视网膜(McLaughlin等人,2003年)与其中心靶点之间的连通性改善中发挥作用,但它们在形成视网膜内回路方面的作用虽然可能存在,但仍有待确定。

图19所示。使用多电极阵列在黑暗中记录新生小鼠视网膜自发活动模式的例子(图17)。在每个年龄,峰值率显示了10个代表性细胞在两个不同的时间尺度。相关的爆裂活动在出生后(P7)明显,随着成熟逐渐消失。详情见Demas et al. (2003)

8.光反应

ON和OFF反应的出现

免疫标记研究表明,VGlut1是一种囊泡型谷氨酸转运蛋白,它首先出现在OFF双极细胞的轴突末端,然后出现在ON双极细胞中(Sherry et al., 2003)。这表明OFF通路可能比ON通路更早开始起作用。然而,发育中的兔视网膜中未成熟的无分泌细胞对光表现出主要的ON反应(Dacheux和Miller, 1981b)。因此,为了进一步确定ON和OFF传输是否以不同的速度成熟,有必要记录在发育过程中已识别的ON和OFF视网膜神经节细胞的自发谷氨酸电流和视觉反应。

在雪貂视网膜神经节细胞仍弥漫性未分层的阶段,它们对光强的增减都有反应(Wang et al., 2001b)。在小鼠中,多电极记录显示,与成人相比,在发育过程中,样本单位中有ON-OFF反应的比例更高(Tian和Copenhagen, 2003)。因此,在哺乳动物视网膜的成熟过程中,对视网膜神经节细胞的ON和OFF双极轴突投射似乎发生了显著的细化。一组投影占主导地位,另一组被淘汰。除了防止视网膜神经节细胞的树突分层,眼内注射APB还会增加猫视网膜上ON-OFF细胞的发生率(Bodnarenko和Chalupa, 1993)。由于APB在发育过程中抑制ON和OFF神经节细胞亚型的自发活动,这种谷氨酸类似物的慢性治疗可能如何影响ON和OFF连接的成熟尚不清楚。

接受野的出现

从猫视网膜的活体记录显示,一旦检测到光反应,接受野的中心环绕组织就很明显(Tootle, 1993)。然而,与成熟视网膜不同的是,在发育过程中,感受野中心的大小比树突场的大小要大(Tootle, 1993)。与神经节细胞相比,兔双极细胞在感受野中心清晰出现后出现周围(Dacheux and Miller, 1981a)。

特殊的感受野特性,如方向选择性,可以在兔视网膜睁眼之前检测到(Masland, 1977)。然而,海龟视网膜发育过程中的记录表明,神经节细胞最初具有“各向异性”的感受野,只有在成熟过程中才会出现更多的“各向同性”的感受野(Sernagor and Grzywacz, 1995;图20)。

图20。海龟视网膜发育中的感受野的例子。注意感受野最初的各向异性性质,表明早期对不同方向的敏感性。数字表示峰值/秒速率

光在形成感受野特性中的影响

小鼠视网膜的多电极记录表明,光刺激对于促进ON-OFF神经节细胞随着年龄的增长而成熟的损失是必要的(Tian和Copenhagen, 2003)。黑暗饲养小鼠直到出生约3周后会导致视网膜中双层化、ON-OFF神经节细胞的比例增加(图21)。这一观察结果表明,双极细胞和视网膜神经节细胞(或无分泌细胞)之间的相互作用,微调垂直路径到单个神经节细胞的收敛程度。这项研究还强调了视网膜回路在睁眼后在生理和结构上进行重组的能力。

图21。A.新生儿小鼠视网膜神经节细胞对成年小鼠的ON和OFF光反应的例子。用多电极阵列记录。(B)暗养(P30D)与正常(P10L和P30L)相比对出生后视网膜神经节细胞双层分化和on - off细胞比例的影响。数据由Ning Tian提供

在海龟视网膜上的实验也表明光刺激可以延长自发波活动的周期。这反过来又会影响感受野的成熟(Sernagor and Grzywacz, 1996)。暗养引起感受野大小的扩大;然而,当胆碱能驱动的自发活动被阻断时,这种扩张就被阻止了。

9.总结

关于视网膜回路是如何精确组装的,还有很多问题有待确定。由于视网膜由多种多样的细胞组成和众多的电路组成,确定调节其线路的细胞和分子机制是一项具有挑战性的任务。然而,当视网膜子电路被确定了视觉特性(如方向选择电路),阐明调节它们组装的发育机制应该变得更容易处理。结合电生理和解剖技术是必要的,随着这两种方法的迅速发展,很可能在不久的将来会取得重大进展。

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最后更新:2018年7月30日。

作者
Rachel Wong在澳大利亚国立大学(堪培拉)获得视觉神经科学博士学位,导师是Abbie Hughes。随后,她在斯坦福大学卡拉·沙茨的实验室工作,与马库斯·梅斯特和丹尼斯·贝勒一起专注于视网膜的早期活动模式。随后,Rachel搬回澳大利亚,加入昆士兰大学视觉、触觉和听觉研究中心的视觉小组。从1994年到2010年,她加入了圣路易斯华盛顿大学医学院的解剖学和神经生物学系。现在她是华盛顿大学西雅图分校生物结构系神经生物学教授。研究的兴趣是利用老鼠、小鸡和斑马鱼的视网膜在脊椎动物视觉系统中神经回路是如何发展的。beplay体育公司他们使用共聚焦和多光子成像、电子显微镜和转基因方法以及电生理学来研究发育中的视网膜和病变视网膜。目前,瑞秋和菲尔·霍纳的实验室正在探索青光眼小鼠模型中的神经元电路拆卸。请通过wongr2@uw.edu联系Rachel

作者
Josh Morgan在南佛罗里达大学新学院获得学士学位,专注于神经生物学领域。他目前是圣路易斯华盛顿大学解剖学和神经生物系Rachel Wong实验室的研究生。他希望将自己的一生用于神经电路的成像开发,他的研究生工作重点是研究双极细胞、视网膜神经节细胞的发育以及两者之间的联系。