Fotorecezione
Dr. Paola Perin
Dipartimento di Scienze Fisiologiche-Farmacologiche
Cellulari-Molecolari – Università di Pavia
Cosa e’ la luce
• Luce visibile: radiazioni elettromagnetiche con l tra 400 e 700
nm
• I raggi luminosi viaggiano in linea retta nel vuoto o in un mezzo
isotropo
• Alla superficie di contatto tra due mezzi si puo’ avere:
– Rifrazione (mezzi trasparenti)
– Riflessione (mezzi opachi)
– Assorbimento (dipende dalla struttura chimicofisica)
Ma noi cosa vediamo?
Luce riflessa o
prodotta dall’oggetto
Intensita’ di illuminazione
Quantita’ di luce
che entra nell’occhio
• La visibilita’ di un oggetto
dipende dall’intensita’ dei
raggi luminosi che ne
escono
• La luminosita’ di un oggetto
dipende:
– Dalle sue caratteristiche
intrinseche
– Dalla illuminazione che
riceve
• Variazioni su 10 ordini di
grandezza
Oggetti chiari, oggetti scuri
•
•
•
•
•
Le onde EM interagiscono con le
nuvole elettroniche delle molecole
degli oggetti
Fotoni di determinate l vengono
assorbiti e/o emessi quando
provocano/derivano da transizioni
elettroniche
Sostanze diverse assorbono luce di
diverse l
Illuminando un oggetto con una luce
bianca, l’oggetto riflettera’ solo la
luce che non assorbe (quindi una
sostanza che assorbe la luce a brevi
l apparira’ rossa)
Un oggetto che assorbe tutta la luce
che riceve appare nero
Contrasto oggetti-sfondo
• Caratteristiche del segnale visivo che vengono percepite:
– Contrasti di luminosita’
– Movimento coerente
– Differenze di colore
• L’immagine visiva NON e’ una fotografia ma un segnale molto piu’
elaborato!
Il globo oculare
• Tessuti trasparenti per facilitare
il passaggio della luce
• Fondo scuro per evitare luce
riflessa (degrada la qualita’
dell’immagine)
• Diaframma regolabile per
dosare la luce
• Lente con rifrazione variabile
• Sistema di pulizia della
superficie (lacrime)
• Meccanismi di posizionamento
(muscoli extraoculari)
• Segnale in uscita: nervo ottico
Formazione dell’immagine
retinica
• Il sistema di lenti
dell’occhio forma una
immagine invertita e
rimpicciolita degli oggetti
sulla retina
• Il funzionamento e’
simile alle lenti di una
macchina fotografica
• Distanza focale del
cristallino a riposo: 17
mm
La retina
• La retina e’ un foglio che ricopre la superficie posteriore dell’occhio
• Punto di uscita del nervo ottico: punto cieco
• Regione di massima acuita’: fovea
Anatomia della retina
Luce
•
La retina contiene tre strati di
cellule:
1. Fotorecettori
2. Cellule bipolari
3. Cellule gangliari
•
L’epitelio pigmentato assorbe la
luce che ha attraversato I
fotorecettori
•
Le cellule orizzontali e amacrine
modulano il segnale visivo
trasmesso dai fotorecettori
•
Gli assoni delle cellule gangliari
formano il nervo ottico
Coni e bastoncelli
• I fotorecettori della retina si
dividono in coni e bastoncelli
• I bastoncelli sono piu’ sensibili
dei coni alla luce ma piu’ lenti
e (nei mammiferi) non
distinguono le l
• Nei primati i coni sono di tre
tipi:
– Blu (short l)
– Verdi (medium l)
– Rossi (long l)
Visione tricromatica
•
•
•
I coni blu hanno una sensibilita’
inferiore a quella dei coni verdi
e rossi
Il confronto tra lo stimolo che
arriva ai tre tipi di coni consente
di differenziare I vari colori
Diverse miscele di l danno la
stessa sensazione
La percezione del colore
• L’attivazione di un tipo di cono
non da’ di per se’ la
percezione del colore
• Attivando in uguale misura
tutti I coni si ottiene grigio o
bianco
• Il colore risulta dal contrasto
tra I segnali dei tre coni
• Il sistema RGB si basa sui tre
colori primari dei coni
• Il sistema Lab si basa sui tre
gradienti primari della retina
(luminanza-rosso/verdegiallo/blu)
Anomalie della visione cromatica
• Protanopia: assenza di
pigmento rosso
• Deuteranopia: assenza di
pigmento verde
• Tritanopia: assenza di
pigmento blu
• I numeri di Ishihara vengono
usati come test per le
anomalie della visione
cromatica
Proporzioni relative dei
fotorecettori
•
1 retina:
•120 x 106 bastoncelli
•6 x 106 coni
•
Schermo di questo computer:
•106 pixel
• Le proporzioni relative di coni
e bastoncelli variano nelle
regioni della retina
• Nella fovea non ci sono
bastoncelli
• coni S: 3-5% dei coni foveali,
15% dei coni ai lati della fovea
e 8% nelle altre regioni
• coni M e L: difficili da
distinguere - proporzioni
variabili anche tra individui di
una stessa specie
La fovea
• La fovea e’ la regione della
retina con maggiore acuita’
visiva e migliore percezione
dei colori
• La fovea pero’ non funziona
quando l’illuminazione e’
scarsa!
• A livello della fovea ci sono
solo fotorecettori - gli strati
superiori sono spostati di
lato
Istologia dei fotorecettori
Segmento esterno
Segmento esterno
Segmento interno
Segmento interno
Terminale sinaptico
(sferula)
Terminale sinaptico
(pedicello)
La fototrasduzione
•
•
•
•
•
•
•
•
I dischi del segmento esterno contengono
la proteina rodopsina (108
copie/bastoncello)
Recettore a serpentina 7TM accoppiato
ad una proteina G
Retinale (derivato dalla vitamina A)
legato alla rodopsina in forma 11-cis
cis-retinale + fotone di luce visibile =
trans-retinale (35 fs)
cambiamento conformazionale della
rodopsina.
– Rodopsina
– (altri intermedi metastabili)
– Metarodopsina II
– Opsina+retinale (alcuni ms)
Circa il 50% dei fotoni che attraversano
un fotorecettore vengono assorbiti
L’efficienza della trasduzione e’ del 67%
1/3 dei fotoni vengono segnalati con una
risposta del recettore
La cascata della fototrasduzione
•
•
Al buio, nei fotorecettori e’ fortemente attiva una guanilato ciclasi, che produce
tonicamente cGMP
Il cGMP mantiene aperti i canali CNG che portano una corrente cationica
•
•
La metarodopsina II attiva la trasducina (proteina G trimera, Gt)
Gta stimola una GMP ciclico fosfodiesterasi (cGMP-PDE)
La luce riduce la concentrazione di cGMP e CHIUDE I canali ionici CNG
La corrente al buio
Buio
Luce
Stimolo (luce)
Segmento
esterno
Corrente attraverso
la membrana del
segmento esterno
Potenziale di membrana
•
•
•
•
•
Al buio I fotorecettori sono depolarizzati (Vz=-35/-40 mV) per la presenza di una
corrente entrante stazionaria (corrente al buio)
La luce chiude la corrente entrante e iperpolarizza i fotorecettori (-70 mV)
La PDE e’ un’enzima molto attivo (reazione limitata dalla diffusione del cGMP)
L’attivazione di 1 molecola di rodopsina idrolizza fino a 105 molecole di cGMP
Quando tutti i canali sono chiusi la risposta non puo’ piu’ aumentare
(saturazione)
I canali cGMP-sensibili
Canali cGMPsensibili
• Canali cationici nonselettivi localizzati
nel segmento esterno
• La corrente stazionaria portata da questi
canali innalza la [Na+] citoplasmatica dei
fotorecettori
Corrente al buio
Canali selettivi
per il K+
Na/K-ATPasi
• Nel segmento interno una Na/K-ATPasi
elimina il Na+ e aumenta il K+
citoplasmatici
• Canali selettivi per il K nel segmento
interno chiudono il circuito
L’adattamento alla luce
• Entrambi i fotorecettori adattano alla luce in pochi minuti
• I coni adattano piu’ in fretta dei bastoncelli e per intensita’
luminose piu’ elevate
Adattamento della fototrasduzione nel
segmento esterno
Il Ca2+ inibisce la guanilato ciclasi
Il Ca2+ viene rimosso continuamente
da uno scambiatore Na+/K+-Ca2+
Il Ca2+ inibisce la rodopsina chinasi
che inattiva la metarodopsina II
[Ca2+] elevata
(0.5 mm)
Riduzione di [Ca2+] = aumento di [cGMP]
L’affinita’ dei canali CNG al cGMP
e’ diminuita da Ca/ CaM
I canali CNG sono permeabili al Ca2+
Uno stimolo luminoso prolungato riduce la [Ca2+]
Adattamento della fototrasduzione nel
segmento esterno
• Adattamento varia la sensibilita’ della risposta
– Bastoncello adattato al buio: 1 fotone chiude il 5% dei canali
CNG in 1s
– Saturazione dei bastoncelli: 10000 fotoni/s
– Nei coni non si ha quasi mai saturazione completa
– Dopo adattamento: canali CNG > aperti ma <sensibili
– Legge di Weber
• Adattamento varia anche la cinetica della risposta
– Rodopsina chinasi inattiva la rodopsina in alcuni ms
– Metarodopsina II stabile per vari secondi
Adattamento
Intensita’ percepite
Aumento di luminosita’
Adattamento della
sensibilita’
Differenze nella trasduzione nei
coni e nei bastoncelli
Bastoncelli:
• maggiore superficie fotosensibile
• maggiore amplificazione
• Interazione rodopsina-trasducina piu’ rapida
• Canali CNGA1/CNGB1a
Coni:
• Canali CNGA3/CNGB3
• Isoforme diverse di:
– Pigmento
– trasducina
– PDE
La risposta dei coni e’ piu’ rapida
– arrestina
(50-55 Hz invece di 10-12) ma meno
• Maggiore [RGS9]
sensibile
I pigmenti fotosensibili
• Sia I coni che I bastoncelli
usano l’isomerizzazione del
retinale
• Nei coni le proteine sono dette
conopsine o iodopsine e
sono simili alla rodopsina ma
con proprieta’ spettrali diverse
• Le opsine verde e rossa sono
molto simili tra loro:
duplicazione genica
relativamente recente
(primati)
Potenziale di recettore
Segmento
esterno
Terminale sinaptico
• L’assorbimento di uno o piu’
fotoni nel segmento esterno
produce iperpolarizzazione
• Le dimensioni dei fotorecettori
(70-100 mm) consentono la
propagazione passiva dei
segnali di potenziale dal
segmento esterno a quello
interno e al terminale
sinaptico
• I fotorecettori non generano
potenziali d’azione ma solo
potenziali di recettore locali
Segregazione del Ca2+
•
Segmento
esterno
Segmento esterno:
•Ca2+ implicato nell’adattamento della
cascata di fototrasduzione
•Ingresso: CNG
•Uscita: NCKX
•
Terminale sinaptico
Terminale sinaptico:
•Ca2+ implicato nel rilascio sinaptico di
neurotrasmettitore
•Ingresso: canali voltaggio-dipendenti
(+CNG nei coni)
•Uscita: PMCA
Terminale sinaptico
•
•
•
•
•
•
Contiene vescicole di glutamato legate ad un nastro sinaptico di natura proteica
Sinapsi chimica con canali per il Ca2+ attivati dalla depolarizzazione
Canali di tipo L: Cav1.3 nei coni, Cav1.4 nei bastoncelli
Rilascia tonicamente trasmettitore al buio (-35 /-40 mV)
La luce riduce il rilascio di neurotrasmettitore (iperpolarizzazione)
Nei coni una parte del rilascio e’ voltaggio-indipendente
Le sinapsi dei bastoncelli
Sferule dello strato plessiforme esterno
Sinapsi a triade: 1 elemento presinaptico (bastoncello) contatta due elementi
postsinaptici (cellula orizzontale, giallo, e cellula bipolare, rosso)
Le sinapsi dei coni
Pedicelli dello strato plessiforme esterno
Due tipi di contatti con le cellule bipolari:
Contatti invaginanti (rosso) e contatti appiattiti (blu)
Sinapsi tra fotorecettori
• I terminali di fotorecettori
adiacenti sono collegati da
sinapsi elettriche (gap
junctions)
• I coni blu non hanno questo
tipo di sinapsi
• A cosa servono questi
contatti?
• Ipotesi: il segnale dei coni e’
piu’ veloce, quello dei
bastoncelli piu’ sensibile:
accoppiamento da’ alle cellule
bipolari un segnale veloce e
sensibile
Le cellule bipolari
• Il segnale luminoso viene
comunicato attraverso il
terminale sinaptico dal
fotorecettore alle cellule
bipolari
• Per I bastoncelli si ha una
notevole convergenza (15-30
bastoncelli/cellula bipolare)
• Il trasmettitore rilasciato e’ il
glutamato
• Il glutamato viene rilasciato al
buio e il suo rilascio viene
ridotto dalla luce
Cellule ON e OFF
•
•
•
•
Se si illuminano i fotorecettori
direttamente in contatto con una
cellula bipolare questa puo’ dare
due diverse risposte:
– Risposta OFF: la cellula si
iperpolarizza
– Risposta ON: la cellula si
depolarizza!!
Le cellule bipolari OFF hanno un
recettore eccitatorio per il
glutamato
Le cellule bipolari ON hanno un
recettore INIBITORIO per il
glutamato
Nei mammiferi tutte le cellule
bipolari accoppiate ai bastoncelli
sono ON
Recettori per il glutamato
•
•
•
•
Cellule orizzontali: recettori AMPA/kainato
Cellule bipolari-OFF: recettori di tipo AMPA/kainato
Cellule bipolari-ON recettori metabotropici inibitori (mGluR6)
Non e’ chiaro quale sia il secondo messaggero utilizzato dalle CB-ON
Le cellule bipolari
•
•
•
•
•
•
•
Postsinaptiche ai fotorecettori
Presinaptiche alle cellule gangliari e
amacrine
Possono generare potenziali d’azione
dovuti al Ca2+
Sia le sinapsi con I fotorecettori che con
le cellule gangliari sono sinapsi a nastro
glutamatergiche
Le cellule bipolari (CB) formano sinapsi
glutamatergiche con le cellule gangliari
(CG)
La sinapsi con le cellule gangliari e’
fasica (depressione post-stimolo)
Le cellule gangliari hanno solo recettori
eccitatori
La via diretta
• Il circuito piu’ semplice nella
retina contiene:
– uno o piu’ fotorecettori
– Una o piu’ CB
– Una CG
• In questo circuito lo stimolo
efficace e’ una luce (o
un’ombra) che colpisce una
regione ristretta della retina
• L’entita’ della convergenza e’
estremamente variabile
Tipi di cellule bipolari
• Nei primati ci sono 10 tipi di
CB
• Le cellule nane (midget cells)
della fovea non hanno
convergenza: ricevono input
da 1 solo cono e trasmettono
output a 1 cellula gangliare
• Massima discriminazione
spaziale
Campi recettoriali
• Un singolo cono
risponde alla luce su
una piccola frazione di
retina
Contrasto centro-periferia
• Una CB che raccoglie le risposte
di piu’ fotorecettori dovrebbe
avere meno sensibilita’ spaziale
• Quindi illuminando una regione
via via piu’ estesa della retina si
dovrebbe avere una risposta via
via maggiore della CB
• In realta’ le CB hanno una
risposta bifasica (centro-periferia)
La sinapsi dei fotorecettori
• I fotorecettori rilasciano
glutamato a riposo
• La luce iperpolarizza I
recettori…
• Depolarizza le CB-ON dei
bastoncelli e dei coni…
• Iperpolarizza le CB-OFF dei
coni…
• Iperpolarizza le cellule
orizzontali
Le cellule orizzontali
Illuminando un fotorecettore vengono iperpolarizzate
le cellule orizzontali che esso contatta
•
•
•
•
•
Cellule inibitorie (GABAergiche o glicinergiche)
Assone corto o inesistente
Arborizzazione dendritica estesa nel piano dello strato plessiforme esterno
Ricevono input eccitatorio dai fotorecettori
Accoppiate tra loro con gap junctions (chiuse dai recettori D1 dopaminergici)
La via indiretta
• I fotorecettori che contattano
direttamente una CB (in blu)
producono la risposta
principale (centro) ON o OFF
• I fotorecettori (in bianco) che
contattano le cellule
orizzontali connesse alla via
diretta (in ocra) inibiscono I
fotorecettori della via diretta e
quindi hanno un effetto
contrario sulla CB (eccitatori
su CB-OFF e inibitori su CBON)
• Si genera cosi’ opposizione
centro-periferia
Campi recettoriali delle cellule
gangliari
La visione a colori
• I meccanismi di opposizione
centro-periferia funzionano
per la luminanza del segnale
acromatico ma anche per I
colori
• Due tipi di opposizione
cromatica:
– Rosso-verde
– Blu-giallo
Da dove viene il giallo?
• Il giallo deriva dalla
fusione dei segnali
dai coni verdi e rossi
• I coni blu hanno vie
distinte fino al SNC
• I coni rossi e verdi
no (evoluzione piu’
recente)
La sinapsi dello strato
plessiforme interno
•
•
•
•
•
•
•
CG solo postsinaptiche
CB, cellule amacrine hanno
sinapsi bidirezionali
La via diretta CB-CG viene
pesantemente modulata
Per I bastoncelli non c’e’ una via
diretta nei primati
Cellule bipolari: 10 tipi diversi
Cellule gangliari: 20 tipi diversi
Cellule amacrine: 30 tipi diversi
•
•
Via diretta: sinapsi CB-CG
Via indiretta: sinapsi CB-cellule amacrine
La sinapsi dello strato
plessiforme interno
•
•
•
•
Architettura molto complessa
Ruolo delle cellule amacrine
spesso ancora poco chiaro e
variabile a seconda della specie
Nel coniglio, una classe di
cellule amacrine fornisce
segnali su oggetti in movimento
Nel gatto, l’elaborazione del
movimento avviene nel SNC
Neurotrasmettitori nella retina
• La via diretta fotorecettoreCB-CG e’ glutamatergica
• L’output primario delle cellule
orizzontali e’ GABAergico
• Altri fotorecettori e modulatori
sono stati osservati, per molti
dei quali non e’ ancora nota la
funzione
Differenze tra specie
• La retina dei vertebrati non mammiferi e’ solitamente adattata per la
visione diurna (problema di saturazione)
• La retina dei roditori e dei carnivori e’ adattata per la visione notturna
(predominanza dei bastoncelli, problema di sensitivita’)
• La retina della tupaia e’ composta quasi esclusivamente da coni
• I primati sono adattati per la visione del colore e I dettagli fini
Le cellule gangliari
•
•
•
•
•
•
•
•
1 milione di cellule gangliari/125 milioni
di fotorecettori
Generano spikes
Unico output della retina
Le CG-P (b) ricevono segnali lenti e
tonici da campi recettoriali molto piccoli
(80%)
Le CG-M (a) ricevono segnali rapidi e
fasici da ampie regioni retiniche (<10%)
Altre cellule sono classificate come nona, non-b
I campi recettoriali di entrambe le classi
ricoprono tutta la retina e sono piu’
piccoli nella fovea
Tutte le classi di CG possono essere ON
o OFF
Cellule gangliari beta
• Trasformano in scarica di
potenziali d’azione il
potenziale graduale delle CB
• Moderata convergenza
• Opponenza di luminanza o
cromatica
• Segnale: contrasto tra punti
adiacenti (selettivita’ ai bordi)
Cellule gangliari alfa
• La CG alfa ricostruita riceve
input da 150 CB, 250 cellule
amacrine IIB e > 1000 cellule
amacrine di altro tipo
• Ciascuna CB riceve input
diretti da 10-15 coni
• Le CG alfa riflettono
l’illuminazione generale di
ampie regioni della retina
CG sensibili al movimento
• Alcune CG rispondono
soltanto a stimoli puntiformi
che si muovono in una data
direzione!!
• Non e’ chiaro se esistano
nell’uomo
• Responsabili di questo
comportamento sono le
cellule amacrine starburst
Le cellule amacrine
• 30 tipi diversi
• CA glicinergiche: solitamente campo
ristretto
• CA GABAergiche: solitamente campo
esteso
• CA starburst rilasciano sia GABA che
ACh: danno selettivita’ direzionale alle
CG
Le cellule amacrine CA-II
•
•
•
•
Non esiste una via diretta ON dai
bastoncelli alle cellule gangliari
CA-II (glicinergiche) accoppiano le
cellule bipolari CB-ON dei
bastoncelli con la via diretta ON dai
coni (gap junctions) e con la via
OFF dei coni (glicina)
nei primati la visione data dai soli
bastoncelli si ha raramente – in
assenza di coni si e’ legalmente
ciechi, mentre in assenza di
bastoncelli si hanno solo problemi di
visione notturna
L’accoppiamento elettrico dato dalle
cellule CA-II viene modulato da
cellule amacrine dopaminergiche