Visuelle Phototransduktion, Depolarisation von Neuronen ohne Licht: Warum?

Als ich mich mit der visuellen Phototransduktion befasste , war ich überrascht zu erfahren, dass Photorezeptorzellen tatsächlich depolarisiert sind, wenn es KEINE Erregung gibt (kein Licht, dh wenn Sie nichts sehen, schwarz) und hyperpolarisiert sind, wenn es Licht gibt (ich hatte das Gegenteil erwartet).

Das hat mich zum Nachdenken gebracht...

Lassen Sie die Ansammlung von Neuronen, die sich innerhalb des Auges befinden, als IEN (Inside-Eye-Neuronen) bezeichnet werden, und in ähnlicher Weise wird die Ansammlung von Neuronen, die direkt mit dem Auge verbunden sind, aber außerhalb davon liegen , als OEN (Outside-Eye-Neuronen ) bezeichnet ).

Lassen Sie die Ansammlung von Neuronen , die direkt Input von der Netzhaut erhalten , als RN (retinale Neuronen) bezeichnet werden. Ich gehe davon aus, dass RN < IEN (Teilmenge von - korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege).

Und schließlich soll die Sammlung von Neuronen, die direkt mit OENs verknüpft sind, aber Teil von IEN sind, als XN bezeichnet werden (eXporter-Neuronen, in dem Sinne, dass sie visuelle Informationen aus dem Auge an die „Zuhörer“ außerhalb davon exportieren).

Der Weg des visuellen Reizes wäre dann also RN -> [...] -> XN -> OEN .

Wenn meine Augen vollständig herausspringen würden, gehe ich davon aus, dass dies in Bezug auf OENs den gleichen Effekt hätte wie XNs , die überhaupt keine anregenden / hemmenden Informationen weitergeben. Da das, was ich wahrnehmen würde, reines Schwarz wäre, scheint dies zu implizieren, dass XNs auch überhaupt nicht aktiviert werden, wenn wir tatsächlich Schwarz sehen (z. B. unsere Augen in einem sehr dunklen Raum schließen).

Wenn wir also Schwarz wahrnehmen => RNs werden depolarisiert => sie setzen kontinuierlich Glutamat frei => XNs erregen/hemmen OENs überhaupt nicht (scheint auch zu implizieren, dass RNs XNs nicht schneiden ). Es ist diese Umkehrung, die mich fasziniert – warum müssen RNs kontinuierlich erregt werden , damit XNs KEINE Informationen übertragen können? In diesem Sinne denke ich an das Auge, als wäre es ein großes NICHT-Tor .

Antworten (1)

Kurze Antwort
Der Grund für den depolarisierten Zustand von Photorezeptoren im Dunkeln ist meines Wissens unbekannt. Es hat seine Wurzeln wahrscheinlich tief in der Evolution des Auges.

Hintergrund
Tatsächlich sind Fotorezeptoren im Dunkeln ständig aktiv. Durch offene Kanäle fließt ein stetiger Strom (hauptsächlich Na+-Ionen). Dieser Strom wird als Dunkelstrom bezeichnet und depolarisiert teilweise die Photorezeptorzelle. Der depolarisierte Photorezeptor setzt Neurotransmitter (Glutamat) an sekundäre Neuronen frei. Bei Bestrahlung der Photorezeptoren werden Rhodopsinmoleküle in die aktive Form isomerisiert und die Photorezeptorkaskade (Abb. 1) wird initiiert. Dies schließt schließlich die Kationenkanäle in der Membran des Photorezeptors und stoppt den Dunkelstrom. Dies führt zu einer Hyperpolarisierung der Zellmembran und einer Hemmung der Glutamatfreisetzung an das Neuron zweiter Ordnung (Abb. 1).

Allerdings weiß ich nicht, warum die Phototransduktion genau so organisiert ist. Es ist viel über die Evolution der Phototransduktion bekannt ( z . B. Lamb et al ., 2016) , aber warum der Dunkelstrom existiert, ist meines Wissens unbekannt. Ich vermute, dass es sich wahrscheinlich um ein evolutionäres Relikt handelt. Die Evolution muss schließlich mit bereits vorhandenen Merkmalen arbeiten, um neue Strukturen zu erzeugen oder sie zu verändern. Aus einfachen lichtempfindlichen Flecken entwickelten sich die komplexen Augen, die bei heutigen Wirbeltieren beobachtet werden. Die Evolution nutzte dabei das, was da war, und das war zufällig ein energetisch ungünstiges 'NICHT'-Tor.

Phototransduktion
Abb. 1. Phototransduktion in Photorezeptoren. Quelle: Kolb, (2012)

Referenz
- Kolb, Webvision. The Organization of the Retina and Visual System (2012)
Lamb et al ., Molec Biol Evol (2016); 33 (8): 2064–87

Vielen Dank für Ihre ausführliche Antwort. Beim Lesen fiel mir noch eine weitere mögliche Erklärung ein, die das NICHT-Gatter-Verhalten tatsächlich energetisch günstig machen könnte: Bei einem NICHT-Gatter verbraucht immer das eine oder das andere (primäre/sekundäre Neuronen) Energie - die Alternative würde dazu führen, dass beide gleichzeitig Energie verbrauchen gleichzeitig, wenn es hell ist. Vielleicht ermöglicht ein NICHT-Gatter also insgesamt, weniger Energie zu verbrauchen.
Und noch eine Idee: Auch wenn der Gesamtenergieverbrauch beim NICHT-Gate-Verhalten etwas größer ist, könnte die Evolution tatsächlich einen anderen Trick gespielt haben - der Energieverbrauch ist immer noch geringer, wenn Licht vorhanden ist - aber im Gegensatz zu Dunkelheit bedeutet Licht auch wesentlichen visuellen Inhalt zu verarbeiten. Kurz gesagt, es könnte wichtiger sein, weniger Energie im Licht zu verbrauchen (um den Rest zu den sekundären Neuronen zu "umleiten", die den visuellen Inhalt verarbeiten), als keine Energie im Dunkeln zu verbrauchen .