ложенном на цитоплазматической поверхности диска (Ovchinnikov et al., 1988). s
Помимо защиты белка от механических деформаций, жирные кислоты с длинной углеводородной цепью могут также способствовать встраиванию белка в мембрану и его ориентации в ней.
Таким образом, высокое содержание полиненасыщенных жирнокислот-ных остатков в липидном матриксе фоторецепторной мембраны является, по-видимому, важнейшим условием эффективной работы содержащихся в ней интегральных (родопсина) и примембранных белков.
Зрительные пигменты
В механизме зрения молекула зрительного пигмента обеспечивает по крайней мере две основные физиологические функции. Во-первых, поглощая свет в некоторой характерной области длин волн, они тем, самым определяют спектральный диапазон той или иной фоторецепторной клетки. Во-вторых, молекула зрительного пигмента запускает фоторецепторный процесс. В основе первой функции лежит спектр поглощения молекулы, который зависит от природы хромофорной группы и ее ковалентного и не ковалентных взаимодействий с белковой частью молекулы. В основе второй — способность молекулы при поглощении света менять свою конформацию: сначала хромофора, а затем белка; на одной из стадии фото-превращения молекула зрительного пигмента приобретает способность взаимодействовать с другими белками, участвующими в механизме фоторецепции.
Структура молекулы зрительного пигмента. Зрительный пигмент представляет собой хромогликопротеид. Эта сложная молекула содержит одну хромофорную группу, две олигосахаридные цепочки и водонерастворимый мембранный белок (опсин). Зрительный пигмент - сравнительно небольшая молекула: молекулярная масса родопсина палочек позвоночных, например родопсина быка, составляет около 39 кДа; полипептидная цепь белка состоит из 348 аминокислотных остатков. Самые большие молекулы родопсина обнаружены у насекомых - 383 аминокислотных остатка и у головоногих (осьминога) - 455 остатков (см.: Falk, Applebury, 1988).
Хромофорной группой зрительных пигментов позвоночных служат рети-наль-1 (альдегид витамина Ai), или ретиналь-2, или 2,3-дегидроретиналь (альдегид витамина А2) • Поскольку положение максимумов спектров поглощения зрительных пигментов, находящихся в палочках и колбочках позвоночных, широко варьирует, то удобнее классифицировать все пигменты независимо от происхождения по природе хромофора. Поэтому все ретиналь-1-содержащие зрительные пигменты принято относить к родопсинам, ретиналь-2-содержащие - к порфиропсинам. У беспозвоночных (членистоногие, головоногие моллюски), в последнее время обнаружены также в качестве хромофоров 3-оксиретиналь (Tanimura et al., 1986) и 4-дегидроретиналь (Kito et al., 1986). 3-оксиретинальсодержащие пигменты получили название "ксантопсины".
Дж. Уолд в свое время предложил классификацию зрительных пигментов, основанную на сочетании двух видов ретиналей - ретиналя-1 и ретина-ля-2 - и двух видов опсинов — палочкового и колбочкового (подробнее см.: Островский, 1971). Согласно его классификации родопсин-500 нм -это опсин палочек с ретиналем-1 в качестве хромофора, иодопсин-562 нм -это комплекс опсина колбочек с тем же ретиналем-1, порфироп-син-522 нм — это ретиналь-2, содержащий пигмент палочек, а еще неизвестный в то время, но полученный в пробирке цианопсин-620 нм - это комплекс колбочкового опсина с ретиналем-2 в качестве хромофора. Однако эта простая классификация зрительных пигментов позвоночных и беспозвоночных оказалась слишком ограниченной и в последнее время используется все реже. Хотя для пигмента красночувствительных колбочек с X = = 550-570 нм (например, у птиц или человека) продолжают использовать термин "йодопсин" (Yoshizawa, 1989), а для колбочкового пигмента -620 черепах и рыб - термин "цианопсин" (Liebman, 1972).
Расположение молекулы зрительного пигмента в фоторецепторной мембране. Топография молекулы зрительного пигмента в фоторецепторной мембране представлена на рис. 4, А, Б (см.: Findlay, 1986; Appleburry, Hargrave, 1986; Nathaus, 1987; Ovchinnikov, 1987; De Grip, 1988).
Полипептидная цепь молекулы, изгибаясь семь раз, пронизывает липид-ный матрикс мембраны. При этом образуется семь внутримембранных тяжей, каждый из которых содержит 20—28 большей частью неполярных гидрофобных аминокислот. Трансмембранные тяжи обладают в основном us-спиральной структурой. С-конец полипептидной цепи располагается на внешней цитоплазматической поверхности фоторецепторной мембраны диска палочки, N-конец обращен ("смотрит") внутрь диска. В фоторецеп-торных клетках, у которых диски незамкнуты, например в наружном сегменте колбочки, N-конец полипептидной цепи опсина обращен во внеклеточное пространство.
С каждой стороны мембраны гидрофобные тяжи связаны тремя гидрофильными петлями. Нумерация тяжей начинается с N-конца. С лизином-296 в последнем, седьмом тяже ковалентно связана хромофорная группа (ретиналь). Она расположена в гидрофобной области мембраны, почти параллельно ее поверхности (угол между ретиналем и плоскостью мембраны не более 16-20°); будучи внутри мембраны, ретиналь, по-видимому, находится довольно близко к ее цитоплазматической поверхности (см.: Ovchinnikov, 1987). Со 2-м и 15-м аспарагиновыми остатками N-концевого гидрофильного "хвоста" полипептидной цепи ковалентно связаны две олигосахаридные цепочки.
Достоверные сведения о взаимном расположении семи а-спиральных сегментов отсутствуют. Метод рентгеноструктурного анализа, с помощью которого обычно определяют трехмерную структуру белков, в этом случае применить не удалось, так как родопсин как мембранный белок исключительно гидрофобен и пока не кристаллизован. Из косвенных (не рентгено-структурных) данных предполагается, что а-спиральные сегменты родопсина расположены в мембране в два ряда, при этом гидрофобная область опсина, в которой находится ретиналь, образована всеми семью сегментами. Предполагается, что половина массы молекулы находится внутри мембраны, в ее гидрофобной области, а остальная часть равномерно распределена по обе стороны мембраны — цитоплазматической и внутридисковой.
Родопсин стал первым мембранным белком животного происхождения, Для которого была установлена такая укладка полипептидной цепи (Овчин-
Глава IV
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В ПРОМЕЖУТОЧНОМ И СРЕДНЕМ МОЗГЕ
Н.Ф. ПОДВИГИН
ней зрительной системы в главе сделан обзор современных представлений о морфофункциональных свойствах отдельных образований промежуточного и среднего мозга. Рассмотрены данные, полученные на наиболее широко используемых в лабораторной практике животных кошке и обезьяне.
Введение
Механизмы и принципы обработки зрительных сигналов, осуществляемой структурами промежуточного и среднего мозга (как и другими отделами зрительной системы), во многом обусловлены морфологическими особенностями этих структур и характеристиками их афферентных связей. Это делает необходимым рассматривать функциональные свойства отдельных структур зрительной системы в тесной взаимосвязи с особенностями их строения. Поэтому наряду с описанием существующих представлений о механизмах обработки сигналов и принципов описания изображений нейронными структурами рассматриваемых уров ОРГАНИЗАЦИЯ ЗРИТЕЛЬНЫХ ПУТЕЙ ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
В большинстве зрительных структур промежуточного и среднего мозга оканчиваются аксоны, поступающие из сетчатки, и, следовательно, пространственно-временной рисунок входных для этих структур сигналов во многом определяется свойствами ганглиозных клеток сетчатки. Поэтому в начале данного раздела главы описываются основные, значимые для дальнейшего изложения материала сведения о характеристиках ганглиозных клеток сетчатки.
В последнее время выявлен ряд типов ганглиозных клеток и показано, что в состав каждого из параллельных путей от сетчатки в мозг входят аксоны ганглиозных клеток определенных типов. Такая "разводка" связей уже изначально определяет ряд функциональных свойств структур промежуточного и среднего мозга. Типы ганглиозных клеток к их свойства описаны в главе, посвященной организации сетчатки. Мы же коснемся этого вопроса только в части, необходимой для обсуждения функции афферентных связей структур промежуточного и среднего мозга.
Наиболее часто употребляемыми являются две классификации: первая подразделяет ганглиозные клетки на а-, &-, у-, 6- и е-типы, вторая — на Х-, Y- и W-типы. При этом первая классификация основана только на морфологических различиях, вторая — на функционально-морфологических признаках нейронов. Х-, Y- и W-классификация получила более Широкое распространение, и ею пользуются, в физиологических исследованиях при рассмотрении нейронов любого уровня зрительной системы. По классификационным свойствам нейроны Y-типа соответствуют а-ней-ронам, Х-типа — (3-нейронам, W-тип объединяет более разнообразные по свойствам клетки, хотя чаше его сопоставляют с клетками 7-™па (Cleland et al., 1973, 1975а, b; Rowe, Stone, 1980b). В табл. 1 представлены некоторые характеристики различных типов нейронов зрительных структур кошки.
Таблица 1*
Свойстве нейронов Х-, Y- и W-типов у кошки
Структура
W
Свойства
Ганглиозные клетки сетчатки, НКТ, зрительная кора
Ганглиозные
клетки
сетчатки
Скорость проведе- 30-40 15-23 2-18
ния по аксону,
м/с
Скрытый период 1,0-2,4 2,5-5,9 3,8-24
ответа на стимуляцию оптического тракта (антидромно) , мс
Ганглиозные клетки сетчатки. Такое же соотношение и для других структур
Ганглиозные клетки сетчатки
Диаметр сомы 22-30 14-24 8-24
клеток на расстоянии до 20° от фовеа (по горизонтальному меридиану), мкм
Число нейронов, % 4-10 40-45 50-55
Положение на |
Меньше в |
Больше в |
В зрительной |
Ганглиозные |
сетчатке |
area centralis, |
area centra- |
полоске и |
клетки сетчатки |
|
больше на периферии |
lis |
area centralis |
|
Диаметр централь- |
0,5-2,5 |
0,1-1,3 |
0,4-2,5 |
Ганглиозные |
ной части рецеп- |
|
|
|
клетки сетчат- |
тивного поля, |
|
|
|
ки. Такое же соот |
угл. град. |
|
|
|
ношение и для других структур |
Соответствие морфологическим |
а |
t |
7 |
Ганглиозные клетки сетчатки |
♦Составлена по данным обзорных работ (Stone, Fukuda, 1974; Rodieck, 1979).
Таблица 2
Соотношение числа и толщины волокон зрительного нерва и числа нейронов НКТД у разных видов животных и у человека
Объект |
Число волокон в |
Число нейро- |
Диаметр волокон, |
Среднее зна- |
|
|
зрительном нерве |
нов в НКТд |
мкм |
чение диамет- |
|
|
|
|
|
ра |
мкм |
Ля гушка |
485 тыс. |
_ |
0,15-6,0 |
|
0,30 |
Голубь |
1-2 млн |
- |
0,1-7,0 |
|
0,75 |
Крыса |
75-120 тыс. |
13 тыс. |
0,4-4,5 |
|
0,90 |
Кролик . |
270-400 тыс. |
95 тыс. |
0,25-7,0 |
|
0,80 |
Кошка |
120-170 млн |
560 тыс. |
0,5-13,0 |
|
1,00 |
Обезьяна |
1,2-1,7 тыс. |
1 млн |
0,25-2,5 |
|
0,50 |
Человек |
1-1,2 млн |
1 млн |
0,25-i,5 |
|
0,50 |
164
Сравнительно недавно стала известной еше одна функционально значимая для структур промежуточного и среднего мозга особенность ганглиозных клеток : тела ганглиозных клеток каждого типа расположены На сетчатке кошки с определенной упорядоченностью (Wassle et al., 1975, 198la, b; Wassle, 1982; и др.). Эти исследования показали, что ганглиозные клетки, точнее, тела клеток отстоят друг от друга на определенные расстояния, и совокупности клеток каждого типа образуют достаточно строгие мозаичные структуры, которые авторы назвали растрами. Отдельные ячейки в таких растрах (определяемые расстояниями между телами соседствующих клеток) близки по форме к квадратам или шестиугольникам. Растр, образованный телами |3 (X)-нейронов, более плотно "упакован". Он состоит из "мелких" ячеек - среднее расстояние между телами /3-клеток около 150 мкм, тогда как расстояния между клетками растра, образованного a (Y)-нейронами, составляют примерно 250 мкм. Такие же растры-матрицы свойственны и другим типам ганглиозных клеток. Эти же авторы показали, что размер ячеек в растрах каждого типа клеток меняется по сетчатке, подчиняясь известному распределению плотности ганглиозных клеток различных типов по сетчатке.
Не менее строгая упорядоченность обнаружена и для on- и off-централь-ных ганглиозных нейронов а- и (3-типов. Оказалось, что on- и off-клетки (клетки с on- и off-центральными рецептивными полями-РП) для каждого типа (а и 0) имеют собственные растры, причем в ретинотопическом пространстве "узлы" этих растров (тела клеток) совмещены, поэтому тела on- и off-клеток, как правило, располагаются парами, хотя и на различной глубине слоя ганглиозных клеток (Peichl, Wassle, 1981).
Существующие различия в плотности распределения на сетчатке ганглиозных клеток разного типа находят свое отражение в такой функционально важной характеристике нейронных структур зрительной системы, как степень перекрытия РП. Показано (Peichl, Wassle, 1979), что в каждой точке сетчатки перекрываются до 3-6 РП нейронов а(У)-типа, 7-20 полей /3(Х)-типа и до 60 РП нейронов у(W) -типа. Количественные характеристики плотности упаковок каждого типа клеток в растрах, а также данные о степени перекрытия РП этих нейронов позволяют рассчитать (Подвигин и др., 1986) пространственное разрешение, обеспечиваемое каждым типом клеток, его изменение с эксцентриситетом да описать корреляцию этих данных с результатами поведенческих экспериментов.
Существующая упорядоченность афферентных связей промежуточного и среднего мозга обнаруживает себя и при анализе ретинотопики волокон зрительного нерва и оптического тракта (см.: Polyak, 1957). Показано (Torrealba et al., 1982), что в 'каждом оптическом тракте существует множественное проекционное представительство сетчаток обоих глаз и аксоны, образующие каждое из этих представительств, направляются в определенные подкорковые структуры и в их определенные слои. Имеются данные, свидетельствующие, что и для зрительного нерва высших позвоночных характерно топическое соответствие между положением волокна в нерве и координатами его РП в поле Зрения животного (Aebersold, Kyhnt, 1979). Такая ретинотопическая упорядоченность в оптическом тракте и зрительном нерве дает основания полагать, что и в вышележащих структурах находит свое отражение описанная выше мозаичная организация слоя ганглиозных клеток сетчатки. Некоторые данные, подтверждающие такое предположение, приводятся далее.
I В дополнение к приведенным данным в табл. 2 представлены сведения о количестве и значениях диаметров аксонов в зрительном нерве Некоторых экспериментальных животных и человека. Таблица составлена по результатам исследований ряда авторов (Bruesch, Агеу, 1942;
16S
'■■ I ■■
Средний мозг
Chang, Chang, 1961; Блинков, Глезер, 1964; Hughes, Wassle, 1976; и др.). Для сравнения приведены также сведения о числе клеток в основной зрительной структуре промежуточного мозга — дорсальном ядре наружного коленчатого тела.
Итак, приведенные выше данные показывают, что, кроме ретиното-пической упорядоченности, в афферентных параллельных связях сетчатки со зрительными структурами промежуточного и среднего мозга (рис. 1) существует более тонкая пространственная упорядоченность, обусловленная растровым расположением в сетчатке отдельных типов ганглиоз-ных клеток, раздельными растрами-матрицами
для on- и off-клеток
каждого типа и, наконец, существующими закономерностями изменения размера и степени перекрытия РП нейронов различных типов в зависимости от их эксцентриситета на сетчатке. В силу этого сама пространственная организация выходных элементов сетчатки, как и структура ее связей с вышележащими образованиями мозга, может определять ряд условий и ограничений, которые необходимо учитывать при описании функциональных свойств рассматриваемых далее структур промежуточного и среднего мозга.
Следует заметить, что хотя существование параллельных путей передачи сигналов от сетчатки в мозг было описано много лет тому назад, функциональное значение этого феномена, кардинального, на наш взгляд, для понимания функционирования зрительной системы в целом, остается практически не изученным.