Посещений:
ФИЛЬТРАЦИЯ ЗРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ СИНАПСАМИ

Биполярные клетки

A Synaptic Mechanism for Temporal Filtering of Visual Signals
Tom Baden, Anton Nikolaev , Federico Esposti, Elena Dreosti, Benjamin Odermatt, Leon Lagnado
PLoS Biol 12(10): e1001972. doi:10.1371/journal.pbio.1001972

The visual system transmits information about fast and slow changes in light intensity through separate neural pathways. We used in vivo imaging to investigate how bipolar cells transmit these signals to the inner retina. We found that the volume of the synaptic terminal is an intrinsic property that contributes to different temporal filters. Individual cells transmit through multiple terminals varying in size, but smaller terminals generate faster and larger calcium transients to trigger vesicle release with higher initial gain, followed by more profound adaptation. Smaller terminals transmitted higher stimulus frequencies more effectively. Modeling global calcium dynamics triggering vesicle release indicated that variations in the volume of presynaptic compartments contribute directly to all these differences in response dynamics. These results indicate how one neuron can transmit different temporal components in the visual signal through synaptic terminals of varying geometries with different adaptational properties


Рисунки и оригинал статьи

Сетчатка анализирует видимый мир посредством серии пространственно временных фильтров, которые образуют параллельные репрезентации для передачи в головной мозг [1]-[4]. Анатомическая организация этих каналов устанавливается во внутреннем plexiform слое (IPL), который организован в 5-6 самостоятельных пластов, содержащих дендриты от 20 разного типа ретинальных ганглиолярных клеток (RGC) [2]. В каждом пласте биполярные клетки (BCs) с разными фильтрующими свойствами создают возбуждающие синаптические соединения с определенными субнаборами RGCs [5]. Напр., "преходящие" RGCs, как полагают, получают возбуждающие импульсы от BCs с характеристиками зональной фокусировки (bandpass), тогда как "постоянные" RGCs получают импульсы от BCs, действующие как фильтры с размытыми краями (low-pass) [6].
Давним вопросом является, как множественные пространственно-временные фильтры строятся, используя ограниченные количества нейронов, отвечающих за определенный регион зрительного поля [7]-[9]. Ответ может лежать в реконструировании фундаментальных нервных элементов посредством чего зрительный сигнал передается во внутреннюю сетчатку: хотя индивидуальные BCs обладают разными свойствами, их продукция передается через значительно более многочисленные и гетерогенные компоненты нервная дуга (circuits)-синапсы [10]. В самом деле недавние исследования показали, что разные синапсы одних и тех же BC передают зрительный сигнал с разной кинетикой из-за локальных взаимодействий с разного типа ингибирующими амакринными клетками [11]. Возникает вопрос, отражает ли гетерогенная передача зрительного сигнала прирожденную изменчивость между разными синаптическими компартментами из BC. Поэтому мы сконцентрировались на объёме терминала, который, как ожидалось, влияет на амплитуду и кинетику сигнала пресинаптического кальция, контролирующего нейротрансмиссию [12].
Чтобы наблюдать активность множественных синапсов BC, мы использовали экспрессию флуоресцентных белков у рыбок данио, сообщающих о слиянии синаптических пузырьков или о сигналах пресинаптического кальция, управляющих слиянием [13],[14]. Мы продемонстрировали, что терминалы BC разных размеров обнаруживают тенденцию трансформировать зрительный сигнал разными способами. В целом, более мелкие терминалы генерируют скоротечные кальциевые сигналы, которые крупнее и быстрее, приводят к более высокому инициальному ответному результату на увеличение в временного контраста более выраженной адаптацией. Малые терминалы также передают высокие частоты более эффективно. Такие различия в выходных результатах (outputs) малых и крупных синаптических окончаний (terminals) наблюдаются также в индивидуальных клетках, которые, следовательно, обладают прирожденной способностью к фильтрации зрительной информации посредством каналов с разными пропускной способностью (gains), временными фильтрами и адаптивными свойствами.

Discussion


Многие BCs передают зрительный сигнал посредством множественных синаптических окончаний (terminals), расположенных в разных пластах IPL (Figure 1). Используя комбинацию получения изображений in vivo, электрофизиологические срезы и моделирование мы установили, что вариации в размерах этих окончаний приводят к тому, что сигнал одиночного нейрона трансформируется посредством разных временных фильтров, когда он передается во внутреннюю часть сетчатки (Figures 1-4). Механистическая связь - это сигналы кальция, которые контролируют синаптическую передачу: более мелкие окончания генерируют более крупные и быстрые переходы кальция (Figures 1-5), увеличивая силу (gain) синаптической передачи, позволяя передавать сигналы более высоких частот (Figures 7 and8). Разнообразие в свойствах синаптической передачи распространяются на зависимые от времени изменения в gain: более мелкие окончания адаптируются более полно после увеличения контраста стимулов (Figure 6). Эти вариации синаптических свойств д. увеличивать количества каналов обработки информации, которые могут оперировать параллельно посредством ограниченного числа нейронов, упакованных в данном регионе сети сетчатки [55],[56]. Эти результаты дополняют недавние доказательства дивергенции зрительных каналов в индивидуальных BCs, полученные с помощью прямой электрической стимуляции этих нейронов при мониторинге эффектов во множественных ганглиолярных клетках [4],[11],[57].

Different Temporal Channels through Individual Bipolar Cells


Разные временные изменения в зрительной системе впервые были выявлены при записи реакций "transient" и "sustained" ганглиолярных клеток сетчатки [4]. Эти временные каналы частично отражают преобразования во внутренней части сетчатки, где ингибирование с помощью обратной связи и латеральное ингибирование от амакринных клеток, действующих непосредственно на окончания BC, чтобы изменить величину (gain) и выбор времени синаптической продукции [11], [19], [58]. Мы описали фундаментальное и внутренне присущее свойство, которое вносит дальнейший вклад в разнообразие сигналов, которые передают BCs - геометрию синаптического компартмента[11], [55], [56].
В будущем было бы важно оценить степень, с которой RGCs настроены на разные частоты получаемых сигналов от окончаний BC разных размеров. Такое исследование было бы технически затруднительным, нуждающимся в детальной анатомической реконструкции IPL связей. Тем не менее, Figure 1D предоставляет первые доказательства того, что RGCs с дендритами в разных слоях IPL должны в среднем получать возбуждающие стимулы от окончаний BC разных размеров. Напр., слой 6 в IPL содержит наивысшую плотность крупных окончаний, это позволяет предсказать, что RGCs испускающие дендриты в этот слой будут обнаруживать характеристики пропускания низких частот. Напроив слой 5 имеет маленькие окончания, это предполагает, что RGCs, собирающие сигналы из этого слоя будут настроены на высокие частоты.

Extrinsic Factors Affecting the Frequency Response of Bipolar Cell Synapses


Представленная нами модель описывает базовое механистическое понимание влияния объема окончаний на динамику кальция и высвобождение синаптических пузырьков из BCs. Более сложная модель передачи сигналов от BCs не должна касаться нейронов в изоляции, но должна также учитывать локальные связи, в которых задействованы окончания. В частности, мы не учитывали эффекты прямой ингибирующей обратной связи от амакринных клеток [11], [19], [58]. Необходимо, однако отметит, что когда GABAergic компонент этой обратной связи был блокирован, то зависимая от размера величина высвобождения сохранялась (Figure 2), показывая. что негативная обратная связь не является причиной подобной корреляции.
Временная настройка BCs также отражает процессы в наружной части сетчатки, особенно в колбочках [59], входящие сигналы с разной контактной морфологией действуют на дендритные глютаматовые рецепторы с разной кинетикой восстановления от десенсибилизации [3], [60], [61]. Обнаруживаемая общая картина, где амакринные клетки модулируют трансмиссию компонентов разных частот входящей зрительной информации, действуя на фоне, по крайней мере, двух прирожденных свойств, варьирующих у разных BCs: настройка входящих на дендриты сигналов, суммируемых телом клетки и фильтр, детерминирующий динамику кальция в синаптических окончаниях, обеспечивающих выходной сигнал (Figure 3G) [62]. Ключом новой идеи, предложенной нами, является, что этот синаптический фильтр варьирует между разными выходными импульсами из-за изменчивости в прирождённых свойствах синаптического компартмента - его объема.

The Synaptic Compartment of Bipolar Cells as a Computational Unit


Давно известно, что зрительная система разделяет сигналы, кодирующие разные аспекты стимулов для трансмиссии по разным путям или "каналам." Наиболее фундаментальными из этих параллельных репрезентаций является разделение сигналов ON и OFF, которое возникает в разных типах BC [63]. Разделение сигналов, отличающихся скоростью передачи, в transient и sustained пути также начинается в BCs [6]. Более 10 типов морфологически отличных BCs может быть распознано у сетчатке позвоночных и, по-видимому, более 20 у рыбок данио [64], [65], но мы всё ещё не понимаем до конца, как это сказывается на их свойствах реакции. Общепринятое мнение предполагает, что один тип BC передает один тип сигнала, но недавние работы показали, что более плодотворно обратиться к синаптическим окончаниям, как фундаментальным единицам сигнальной трансмиссии, которые делают возможной дивергенцию разных сигналов с одного нейрона [11].
Согласно этой идее, предполагается, что разные синаптические исходящие сигналы (outputs) из нейронов функционально изолированы др. от др., по крайней мере, до некоторой степени. Обусловливает ли это геометрия ветвления окончаний? Одновременные измерения сигналов кальция в присоединенных окончаниях продемонстрировали положительный ответ: соединенные отростки представляют существенный барьер для диффузии, позволяющий предавать сигналы кальция с разными амплитудами и кинетикой, остающиеся локальными для индивидуальных окончаний (Figure 3). Такая изоляция пресинаптических сигналов кальция д. также позволять независимую модуляцию разных синаптических компартментов с помощью амакринных клеток. Потенциальное количество и разнообразие этих синаптических трансформаций становится даже выше, чем если предположить, что индивидуальные амакринные клетки осуществляют негативную обратную связь посредством многих нейритов с отличающимися биофизическими и синаптическими свойствами [66]. Такая пресинаптическая гетерогенность ранее наблюдалась для сенсорных путей у насекомых, включая слуховые афферентные пути у сверчков [67] и обонятельные рецепторные нейроны Drosophila[68].