Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
Informationsverarbeitung in der Netzhaut
© H. Hinghofer-Szalkay
Bruch'sche Membran: Carl W.L. Bruch
Candela: lat. Kerze
Chiasma opticum: χίασμα = Kreuzung (nach der Form des Buchstabens χ)
Chromophor: χρῶμα = Farbe, φορός = tragend
Deuteranopie: δεύτερος = der Zweite, ἁν = Verneinung, ὤψ = Auge
Glaukom: γλαυκός = hell, glänzend‚ bläulich (abgeleitet von blau-grauer Verfärbung der Iris bei chronischer Entzündung)
Goldmann-Perimeter: Hans Goldmann
Hemianopsie: ἡμι = halb,
ἀ(v) = Verneinung, ὤψ = Auge
Kohlrausch-scher Knick: Arnt Kohlrausch
Panum-Raum: Peter Panum
Photo-: φῶς / φωτός = Licht
Protanopie: πρῶτος = der Erste, ἁν = Verneinung, ὤψ = Auge
Purkinje-Effekt: Jan E. Purkinje
Retina: rete = Netz (Netzhaut)
Rhodopsin: ρόδον = Rose (rosenrot ... "Sehpurpur")
Skotom: σκὁτος = Dunkelheit
Tritanopie: τρίτος = der Dritte, ἁν = Verneinung, ὤψ = Auge
Der Anpassungsbereich an wechselnde Lichstärke
(Leuchtdichtenbereich) erstreckt sich über sechs Größenordnungen. Helladaptation erfolgt
innerhalb einer Minute, vollständige Dunkeladaptation kann über eine
halbe Stunde dauern; Zapfen adaptieren rascher als Stäbchen
(unterschiedliche Adaptationskurven).
Die (farbempfindlichen, auf hohen Lichtfluss eingerichteten) Zapfen
konzentrieren sich zur fovea centralis (Stelle des schärfsten Sehens)
hin, in der sie - dicht gepackt - die einzigen Photorezeptoren sind.
Hier entspricht jeder Rezeptorzelle eine eigene Faser im Sehnerv (kleine rezeptive Felder, hohe Auflösung). Bei niedrigem
Lichtfluss besteht zentral ein "blinder Fleck", da es hier nur Zapfen
gibt, die bei geringem Lichtfluss nicht erregt werden (Mondlicht: Lesen unmöglich).
Die (hochempfindlichen) Stäbchen
überwiegen in der Netzhautperipherie. Die Information zahlreicher
Stabchen kann auf jeweils wenige Sehnervneuronen zusammengeschaltet
werden (große rezeptive Felder), damit steigt die
Lichtempfindlichkeit - bei geringem Auflösungsvermögen.
In der Netzhautperipherie detektierte Veränderungen im Gesichtsfeld (Bewegung, Helligkeitsschwankung) veranlassen die Blickmotorik, die
Augenachsen mittels ruckartiger Okulomotorik (Sakkade) so einzustellen, dass die "Neuigkeit" auf die foveae projiziert und eine genauere (bewusste) visuelle Analyse möglich wird.
Die Netzhaut enthält verschiedene Arten von Ganglienzellen: 80% gehören zum farbempfindlichen parvozellulären System
mit kleinen rezeptiven Feldern (hohes räumliches Auflösungsvermögen) -
sie erkennen das WAS. Etwa 10% gehören zum farbunempfindlichen,
adaptationsfreudigen magnozellulären System
mit großen rezeptiven Feldern und hoher zeitlicher Auflösung - sie sind
auf Position (WO?) und Bewegung (WOHIN?) spezialisiert. 10% sind
photosensitive Ganglienzellen (Melanopsin).
Räumliches Sehen beruht auf Abweichungen (Querdisparation) der Netzhautbilder in der x-Achse (Verbindungslinie der Augen). Eine Kurve in der Umgebung, deren Punkte auf korrespondierende (deckungsgleiche) Netzhautstellen projizieren, heisst Horopter(kreis).
Die Untersuchung des Gesichtsfeldes nennt man Perimetrie.
Man kann mit ihr die Ausbreitung des Gesichtsfeldes, fleckförmige
Ausfälle (Skotome), Halbseitenausfälle
(Hemianopsien) und Farbwahrnehmungsbereiche feststellen und Störungen zuordnen
(Netzhautdefekte, Glaukom, Hypophysentumor..)
.
|
Netzhaut, Rezeptorverteilung und Lichtfluss
Photosensitive Zellen Phototransduktion Pigmentepithel Adaptation Physiologie der Retina P-, M- und koniozelluläres System Sehnervenkreuzung Räumliches Sehen
Perimetrie und Elektroretinographie
Core messages
Die Netzhaut (Retina 
) ist ein dünner (0,2 mm) vorgelagerter Teil des Gehirns, mit dem sie über den II. Hirnnerven (N. opticus)
verbunden ist. Ihre Ganglienzellen senden Impulse zum Thalamus.
Zwischen den Rezeptorzellen (Photorezeptoren: Stäbchen, Zapfen) liegen
meist mehrere Schichten von Begleitzellen für "vertikale" und
"horizontale" Verschaltungen, die aber so gut wie durchsichtig sind und
die Entstehung des Netzhautbilden kaum beeinflussen. Auch zieht ein
Netzwerk von Blutgefäßen durch die Netzhaut, was die optische
Wahrnehmung der Umwelt ebenfalls nicht stört. Eine Stelle ("blinder
Fleck") verfügt über gar keine Photorezeptoren, das Gehirn rechnet für
diese Fläche einfach die optischen Eigenschaften der Nachbarbezirke
hoch - es entsteht der Eindruck eines durchgehenden Bildes.
Die Netzhaut enthält Sehsysteme mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen und Funktionen
Rezeptorzellen in der Netzhaut
können Licht im Wellenlängenbereich zwischen 390 und 670 nm in
Änderungen ihres Membranpotentials umsetzen. Diese Sinneszellen heißen Zapfen und Stäbchen. Sie liegen in der äußersten Zellschichte der Netzhaut (>Abbildung unten), d.h. das Licht durchdringt
alle anderen, bevor es an die Außensegmente der Zapfen und Stäbchen
gelangt. Dazu kommen fotosensible Ganglienzellen in der Innenschicht der Retina.
>Abbildung: Verteilung von Rezeptorzellen auf der Netzhaut
Kombinierrt nach Osterberg G, Topography of the layer of rods
and cones in the human retina. Acta Ophthalmol 1935; 6: 1-103, und rci.rutgers.edu
Größte
Zapfendichte im Bereich der fovea centralis (>105/mm2),
größte Stäbchendichte bei 15-20°.
In der Mitte der fovea centralis (an der Stelle der foveola) weichen die Ganglienzellen der Netzhaut auseinander und geben dem (vom Fixationspunkt kommenden) zentralen Lichtstrahl den Weg frei direkt zu den Zapfen, die hier am engsten angeordnet sind.
Etwa 50% der Neurone im Sehnerv bringen Information aus dem Bereich der
fovea centralis (Kreisfläche entsprechend etwa einem Bogengrad), die
andere Hälfte aus der gesamten Netzhautperipherie
Die macula lutea (der
gelbe Fleck, "anatomische Makula") ist ein querovaler Bezirk
(Gesamtdurchmesser 5,5 mm, entspricht 18 Bogengraden) der Netzhaut, der
in rotfreiem Licht gelblich erscheint (Carotenoide). Die macula besteht
aus der fovea centralis ("Netzhautgrube", "klinische Makula", 1,5-1,9 mm Durchmesser) mit der zentralen foveola (Stelle des schärfsten Sehens, Durchmesser 0,35 mm, avaskulär, enthält nur - einzeln innervierte - Zapfen sowie Müller-Zellen), welche die kleinsten rezeptiven Felder aufweist; einem 0,5 mm breiten umgebenden Ring (Parafovea) mit einem Zapfen/Stäbchen-Verhältnis von ~1:1; und einer äußeren Randzone, der Perifovea, mit wesentlich geringerer Zapfendichte.
Der Arbeitsbereich der Sehrezeptoren - gemessen an den
Extremen der Lichtstärke - erstreckt sich von 10-7 bis zu 106 Candela, also über 13 Zehnerpotenzen.
Das
Candela - cd - ist die Einheit der Lichtstärke
(luminous intensity) und ist definiert als
Lichtstrom (Einheit Lumen
, Dimension Joule)
pro durchstrahltem Raumwinkel - Einheit Steradiant: der Raumwinkel, den vom Kugelmittelpunkt aus gesehen eine Kalotte mit der Fläche r
2 auf der Kugeloberfläche einnimmt (dadurch ist der Raumwinkel unabhängig vom Radius).
Luminanz ist ein Maß für die Helligkeit: Entspricht der Leuchtdichte - Candela / m2. Beispiel: Eine typische 15-W-Leuchtstoffröhre liefert etwa
650 Lumen und eine Leuchtdichte von 7000 cd / m2.
Über das
SI-System (Präfixe und Einheiten)
s.
dort
Die insgesamt über 120 Millionen Rezeptorzellen (6 Millionen davon Zapfen) sind unterschiedlich auf die Netzhaut verteilt
(>Abbildung):
Im Bereich der fovea centralis
(Stelle des höchsten Auflösungsvermögens, d.h. des schärfsten Sehens)
findet man nur Zapfen (dicht gepackt - etwa 140.000 pro mm
2);
die höchste Stäbchendichte liegt bei ~20° um die
fovea.
Weiters sind die Rezeptoren unterschiedlich stark zu Einheiten
zusammengeschaltet, die jeweils zu einer Ganglienzelle konvergieren
(rezeptive Felder: ~1:1 in der fovea, ~1000:1 in der
Netzhautperipherie). So gibt es >108 retinale Rezeptorzellen, aber nur <106 afferente Nervenfasern im N. opticus (~40 mm lang, ~4 mm Durchmesser).
Dass auf der Netzhaut ein umgekehrtes Bild der Umwelt entsteht, wird schon 1604 von Johannes Kepler beschrieben. Einige Jahre später entwickelt Christoph Scheiner
optische Geräte, die u.a. mittels Doppelbildern zur Klärung des
Strahlenganges im Auge beitragen ("Scheiner'sche Latte"). 1876 entdeckt
Franz Boll das Rhodopsin. Shinobu Ishihara veröffentlicht 1916 einen aus 38 Tafeln bestehenden Test zur Prüfung auf Farbenblindheit ("Ishihara-Tafeln").
In
der Netzhaut des Menschen gibt es drei Arten lichtempfindlicher Zellen
- Zapfen, Stäbchen und intrinsisch fotosensitive Ganglienzellen (ipRGCs). Diese haben unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit: S-Zapfen bei ~420, ipRGCs bei 460-480, Stäbchen (skotopisches Sehen) bei ~500, M-Zapfen bei ~530, photopisches Sehen insgesamt bei ~550, L-Zapfen bei ~560 nm.
<Abbildung: Spektrale Empfindlichkeit von Zapfen und Stäbchen
Nach einer Vorlage bei Pearson Education 2011
Jede
Sinneszellpopulation hat ein bestimmtes spektrales
Empfindlichkeitsverhalten. Stäbchen reagieren am stärksten auf Licht
von ~500 nm Wellenlänge. Blau-(S-) Zapfen haben ihr
Empfindlichkeitsmaximum um ~420, Grün- (M-) Rezeptoren ~540, Rot- (L-)
Sensoren ~570 nm
Photorezeptoren bestehen aus mehreren Teilen (<Abbildung unten):
Einem pigmentepithelnahen Außensegment (outer segment) - einem stark modifizierten Zilium - mit bis zu 1000 membranösen Scheiben (discs), an denen die visuelle Signaltransduktion stattfindet,
einem Verbindungsteil (connecting cilium),
einem metabolisch besonders aktiven Innensegment (inner segment) mit
zahlreichen Mitochondrien, welche der Energieversorgung der Zelle
dienen, und endoplasmatischem Retikulum, das Proteine nachsynthetisiert,
einer - über ein kurzes Axon mit dem Innensegment verbundene - Endzone mit synaptischen Endigungen (mit bandförmigen ribbon synapses), an denen der Transmitter an die angeschlossene(n) Bipolarzelle(n) freigesetzt wird.
Zapfen (cones) sind für hohe Lichtstärke (photopisches Sehen - gleichzeitig Farberkennen). Das Sehpigment der Zapfen sind die Photopsine - Proteine, die ein Chromophor
(einen farbgebenden Stoff) gebunden haben, und zwar 11-cis-Retinal.
Ihre Absorptionsmaxima liegen (<Abbildung)
bei ~560 nm (rot-sensitives L-Iodopsin mit
L-Photopsin; L für Long wave),
bei ~530 nm (grün-sensitives M-Iodopsin mit M-Photopsin; M für Medium wave) und
bei ~420 nm (blau-sensitives S-Iodopsin mit S-Photopsin; S für Short wave).
Insgesamt liegt das Empfindlichkeitsmaximum des photopischen (Zapfen-) Sehens bei ~550 nm ("gelb").
Stäbchen
(rods) für niedrige Lichtstärke (skotopisches Sehen - "unbunt", ohne
Farbunterscheidung) zuständig. Das Sehpigment der Stäbchen ist das Rhodopsin (>Abbildung) - ebenfalls ein Protein, das mit 11-cis-Retinal kombiniert ist; das Absorptionsmaximum liegt bei ~500 nm (exakt: 498 nm).
Opsin ist ein (aus 348 Aminosäuren bestehendes) heptahelikales
Membanprotein der Scheiben in den Außensegmenten der Photorezeptoren,
das an einer definierten Stelle (Rhodopsin: Lysin an der Position 296) den
Anhaftungspunkt für das Sehpigment
(Retinal) trägt (>Abbildung). Dessen "Flop" von der 11-cis- zur
All-trans-Konfiguration ist der einzige lichtabhängige Schritt der
Phototransduktion.
>Abbildung: Sehpigment in Stäbchen
Nach einer Vorlage in Kandel / Koester / Mack / Siegelbaum (eds), Principles of Neural Sciences, 6th ed. 2021 (McGraw Hill)
Opsin besteht aus 348 Aminosäuren und bildet einen heptahelikalen
Komplex in der Membran der Scheiben im Außensegment der Stäbchen (s. unten).
Das lichtabsorbierende Retinal bindet an Aminosäure #296 (roter Punkt).
Nimmt es durch Lichteinfluss die All-trans-Konfiguration an, triggert
das die Vorgänge der Transduktion
<Abbildung: Vergleich der Aminosäuresequenzen des Opsins
Nach einer Vorlage in Kandel / Koester / Mack / Siegelbaum (eds), Principles of Neural Sciences, 6th ed. 2021 (McGraw Hill)
Zuordnung der Farbe: Rezeptoren
können auf Grund ihrer glockenförmigen Empfindlichkeitskurve auf
unterschiedliche Lichtfrequenzen gleich stark ansprechen (z.B.
Rotrezeptoren gleich stark auf Licht mit 520 und 600 nm, maximal auf 560 nm, <Abbildung). Das Gehirn
kann das aber auseinanderhalten und "verwechselt" nicht 520 mit 600 nm: Es ordnet die Farben korrekt zu, indem es die Gesamtheit
der Information von der Netzhaut berücksichtigt (auch die
Erregungsmuster der Grün- und Blau- Rezeptoren).
Das Gehirn integriert verschiedene Reizkomponenten zu einem
durch Analyse mehrfacher Sinnesinputs "abgesicherten" Ensemble.
Zapfen wirken glutamaterg auf nachgeschaltete (On-)-Bipolarzellen der Retina ein.
Ausfall des
L-Systems bedingt Protanopie, des M-Systems Deuteranopie und des
S-Systems Tritanopie (s. unten).
Der Unterschied des spektralen Empfindlichkeitsmaximums (photopisch 550 nm, skotopisch 500 nm) erklärt
den Purkinje-Effekt:
In sehr lichtschwacher Umgebung (nur Stäbchen: skotopisches
Sehen)
empfindet man grünliche Gegenstände als
die hellsten (Empfindlichkeitsmaximum bei 500 nm - die Farbe erkennt man aber nicht, weil Zapfen bei dieser Lichtintensität nicht erregt werden).
Steigt die Beleuchtungsstärke (Zapfen werden aktiv: photopisches Sehen),
erscheinen gelbliche Objekte als die hellsten (spektrales Empfindlichkeitsmaximum des Zapfensystems bei 550 nm: Purkinje-Verschiebung um ca. 50 nm).
Das skotopische System hat ein von "gelb" zu "grün" verschobenes Empfindlichkeitsmaximum
|
Licht von ~500 nm wird bei skotopischem Sehen heller wahrgenommen als Licht anderer Wellenlängen
Diese Wellenlänge liegt zwischen dem Absorptionsmaximum der Blau- und dem der Grün-Sensoren
|
Rotes Licht (Wellenlänge ~670 nm) wird von Stäbchen
(Empfindlichkeitsmaximum bei 500 nm) kaum wahrgenommen; das Rhodopsin
bleibt weitgehend stabil, die Dunkeladaptation bleibt beim Tragen einer Rotbrille weitgehend erhalten.
Eine dritte Gruppe von Sinneszellen liegt im Gegensatz zu Zapfen und Stäbchen in der innersten Zellschichte der Netzhaut. Es sind Ganglienzellen (photosensitive Ganglienzellen, intrinsically photosensitive retinal ganglion cells ipRGC). Diese speziellen Neuronen verwenden als Sehpigment Melanopsin (Empfindlichkeitsmaximum bei 475 nm, also im Blaubereich des Spektrums). Die Signalkette geht über ein Gq-Protein, Phospholipase C, IP3 / DAG und TRP-Kanäle; diese öffnen und depolarisieren die Zelle.
Um Aktionspotentiale zu bilden, benötigen photosensitive Ganglienzellen
wesentlich (um Größenordnungen) intensiveren Lichteinfall als Zapfen.
Für den Aufbau ihrer Erregung braucht es mehrere Sekunden, bei
kontinuierlichem Lichteinfall (über Stunden) adaptieren sie aber kaum.
Sie erhalten auch Inputs von Stäbchen und Zapfen über bipolare und
amakrine Zellen.
Die Neurite der ipRGCs projizieren vorwiegend zu nicht-visuellen Gehirnarealen
und sind direkt mit dem nucleus suprachiasmaticus des Hypothalamus
verbunden. Sie hemmen die Produktion von Melatonin in der Epiphyse.
Photosensitive Ganglienzellen erfüllen Funktionen des visuellen
Systems, die unabhängig von der Bildübertragung sind: Der
suprachiasmatische Kern steuert bzw. synchronisiert zirkadiane Rhythmen
und orientiert sich dabei am Lichteinfall ins Auge (wobei kurzwelliges
Licht den stärksten Effekt hat).
Lichtempfindliche Ganglienzellen enthalten Melanopsin. Sie beteiligen sich an der Steuerung zirkadianer Rhythmen, indem sie die Aktivität des nucleus suprachiasmaticus beeinflussen
|
Mit steigender Leuchtdichte nimmt auch das Tempo der Erregungsvorgänge in den lichtempfindlichen Zellen zu: Die Verschmelzungsfrequenz
beträgt beim skotopischen (Stäbchen-, unbunten) Sehen um die 24
Lichtreize pro Sekunde, beim photopischen (Zapfen-, Farben-) Sehen - je
nach Helligkeit - bis zu 80 Bilder / s (Filmtechnik!).
>Abbildung:
Testung des Farbsehvermögens (Sehprobentafel: Beispiel)
Protanope Personen erkennen das farbcodierte Muster "35" nicht
Das
Farbsehen lässt sich als Konstruktion aus drei Farbempfindlichkeiten
darstellen: (1) rot, (2) grün, (3) blau.
Rot-(L)-Zapfen (
L für langwellig) haben die größte spektrale
Empfindlichkeit bei 564 nm (Nanometer = Millionstel Millimeter) - stärkste Lichtabsorption bei
560-570 nm.
Ein
Ausfall des Rotsinns heißt
Protanopie oder
Rotblindheit (Häufigkeit 1% der Bevölkerung), eine Schwächung
Protanomalie oder Rotschwäche (1%).
Grün-(M)-Zapfen (
M für mittlere Wellenlänge) bei 533 nm - stärkste Lichtabsorption bei
530-540 nm.
Ein Ausfall des Grünsinns heißt
Deuteranopie oder
Grünblindheit (1%), eine Schwächung
Deuteranomalie oder Grünschwäche (
5% - häufigste Farbsinnstörung).
Blau-(K)-Zapfen (
K für kurzwellig) bei 437 nm - stärkste Lichtabsorption bei
430-440 nm. K-Zapfen machen nur etwa 10% aller Zapfen aus; in der fovea centralis fehlen sie ganz.
Ein Ausfall des Blausinns heißt
Tritanopie oder
Blau-Gelb-Blindheit, eine Schwächung
Tritanomalie oder Blau-Gelb-Schwäche (beide Formen sind selten).
Angeborene Farbsinnstörungen betreffen 8% der Männer, aber nur 0,4%
der Frauen, weil die entsprechenden Gene X-chromosomal codiert sind und
daher Defekte X-chromosomal vererbt werden.
Die Testung des Farbsinns erfolgt u.a. mit
pseudoisochromatischen Tafeln
(nach Ishihara oder nach Stilling-Velhagen), die aus Punkten aus
"Verwechslungsfarben" bestehen (>Abbildung), sodass betroffene
Personen farbcodierte Zahlen oder Buchstaben - die Farbtüchtige spontan
erkennen - in diesem Muster nicht sehen können
Anomaloskopen:
Geräten, welche die Mischung spektraler Grundfarben (Rot, Grün) auf
subjektive Eindrucksgleichheit mit einer monochromatischen Bezugsfarbe
(spektrales Gelb) erlauben. Das Mischungsverhältnis, das Normalsichtige
zur Erzielung des Eindrucks "gelb" wählen, dient als Bezugsgröße.
Beispielsweise braucht eine protanomale Person mehr "Rot", um (mit
ihrem geschwächten Rotsinn) den Eindruck "gelb" zu erzielen.
Farbenmischung: Additiv (links), subtraktiv (rechts)
Anders bei der subtraktiven Farbenmischung: Wird ein Gegenstand mit einem breiten Spektrum an Wellenlängen (Sonnenlicht: "weiß") beleuchtet,
dessen Pigmente nur eine bestimmte Wellenlänge reflektieren, ist das
zurückgeworfene Licht an Wellenlängen verarmt - man sieht den
Gegenstand in seiner "Eigenfarbe". Werden Pigmente gemischt aufgebracht
(wie z.B. in der Malerei),
werden nur Wellenlängen reflektiert, die von keinem der beteiligten
Pigmente (ganz) absorbiert wird; das resultierende Farbspektrum ist
kleiner als die Ausgangsspektren (der Beleuchtung). Werden alle
Wellenlängen absorbiert, ist das Ergebnis der Eindruck "schwarz"
(Abbildung rechts).
Die Phototransduktion findet in den Außensegmenten der Sinneszellen
statt: Hier befindet sich lichtsensitives Pigment (Rhodopsin bzw.
Jodopsin), das aus zwei Komponenten besteht: Einem Chromophor (Retinal, molekulare Masse ~0,5 kDa) und einem septahelikalen Membranprotein (Opsin, molekulare Masse ~41 kDa, s. oben). 11-cis-Retinal ist ein Aldehyd des Vitamin A.
Jedes Stäbchen enthält etwa eine Milliarde Rhodopsinmoleküle.
Absorbiert nur eines davon ein Photon, führt das bereits zu einer
Abnahme des "Dunkelstroms" (Natriumeinstrom in Disks) um etwa 2% und
einer messbaren Verstärkung des Membranpotentials der Zelle
(Hyperpolarisation). Als Folge nimmt die Freisetzung des Transmitters
Glutamat an den Synapsen zu Bipolarzellen ab.
<Abbildung: Phototransduktion
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Links:
In Dunkelheit erzeugt eine konstitutiv aktive Guanylatzyklase des
Außensegments laufend cGMP. Dieses hält Kationenkanäle offen, durch die
Na+ einströmt ("Dunkelstrom") und
die Zelle auf etwa -40 mV depolarisiert. Dadurch wird der Transmitter Glutamat (tonisch) freigesetzt. Aus dem Innensegment strömt K+ durch Kanäle aus, die nicht lichtempfindlich sind.
Rechts: Bei Reizung (Belichtung) steigt das Membranpotential (bis auf etwa -80 mV), weil der
Natriumeinstrom versiegt (Aktivierung Transduzin → Abbau cGMP → Schließung
CNG-Kanal, s. nächste >Abbildung), die Glutamatfreisetzung nimmt ab
Der Mechanismus der Phototransduktion funktioniert folgendermaßen (<Abbildung):
In
Dunkelheit dringen durch CNG-Kanäle
(cyclic-nucleotide gated ion channels) der photorezeptiven Außensegmente laufend Kationen (Na+, Ca++) ein (Dunkelstrom, dark current) und depolarisieren sie
dadurch auf ~ -40mV. Durch die konstitutive Aktivität von Guanylatzyklase wird fortwährend cGMP gebildet, das an die CNG-Kanäle bindet und diese offen hält.
Glutamat wird von den Photorezeptoren im Dunkeln laufend von ihren präsynaptischen Endigungen freigesetzt.
Die durch die CNG-Kanäle eingedrungenen Ca++-Ionen werden durch einen Antiporter (NCKX) wieder aus der Zelle befördert, der Na+ gegen Ca++ und K+ austauscht (>Abbildung):
>Abbildung: Signaltransduktion in einem Stäbchen
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Rhodopsin
(Sehpurpur) ist ein lichtsensitives Rezeptorprotein in der Membran von
Scheiben (Disks) der Stäbchen. Es besteht aus dem Membranprotein Opsin
und einem lichtreaktiven Chromophor (11-cis-Retinal, rot angedeutet).
Eine konstitutiv aktive Guanylatzyklase
sorgt für die Produktion von cGMP (aus GTP), solange Dunkelheit
herrscht. cGMP hält Natriumkanäle offen, was zu einem laufenden Na+-Einstrom
(Dunkelstrom), Depolarisierung des Rezeptors und Freisetzung von
Glutamat von den synaptischen Endigungen des Stäbchens führt.
Bei Absorption
eines Photons entsteht das Isomer all-trans-Retinal. Das führt zu
Konformationsänderungen im Opsin (rosarotes Rhodopsin wird zu
blassgelbem Opsin: bleaching), Dissoziation der α-Komponente (jetzt mit GTP) des G-Proteins Transducin vom Opsin, Diffusion entlang der Disk-Membran zu einem Molekül Phosphodiesterase, das aktiviert wird.
Der Abbau von cGMP führt zu Schließung von Kationenkanälen und Stop des Einstroms für ~106 Natriumionen - die Zelle lädt sich auf, die Transmitterfreisetzung sistiert.
Absinken des [Ca
++i] (blaue Rechtecke) erhöht die Aktivität der
Guanylatzyklase und hemmt die Phosphodiesterase, was den
lichtinduzierten Abfall des [cGMP] limitiert.
NCKX, Natrium-Calcium-Kalium-Austauscher (transportiert in die Zelle eingedrungenes Ca++ wieder aus ihr hinaus)
Lichteinfall hebt das Rhodopsinmolekül auf eine höhere Energiestufe, es kommt zu Stereoisomerisation (Gestaltsveränderung) von 11-cis zu all-trans-Retinal. Über Zwischenstufen entsteht die
kurzlebige Zwischenform Metarhodopsin.
| Licht isomerisiert 11-cis- zu all-trans-Retinal, Rhodopsin wird dabei zu Metarhodopsin
|
Metarhodopsin löst sich vom Opsin und diffundiert in der Membran der Scheiben (discs) der Photorezeptoren, bis es auf G-Proteine namens Transduzin trifft: Es aktiviert Transduzin
- und zwar hunderte Moleküle davon (Signalverstärkung). Die Absorption
eines Photons aktiviert ein Molekül Metarhodopsin, und dieses kann
innerhalb einer Zehntelsekunde ~700 Transducinmoleküle aktivieren.
"Eingeschaltetes" Transduzin bildet einen Komplex mit Phosphodiesterase
und aktiviert es dadurch. Phosphodiesterase baut cGMP zu GMP
ab - das intrazelluläre [cGMP] nimmt ab. Jedes Transducinmolekül kann in weiterer Folge die Hydrolyse von cGMP um einen Faktor ~102 verstärken. Resultat ist das Schließen hunderter Natriumkanäle und die Verhinderung des Einstroms von etwa 106 Natriumionen in die Zelle.
Hat der Vorgang sein Maximum erreicht, hat ein Photon zur Hydrolyse von ~1400 cGMP-Molekülen geführt, was die [cGMP] im Zytoplasma um die aktivierte Scheibe um ~8% senkt und etwa 2% (230 von insgesamt 11.000) der in Dunkelheit offenen cGMP-Kanäle des Stäbchens schließt. Dies lässt den Dunkelstrom um 2% absinken
(entspricht dem Einstrom von einer Million weniger Natriumionen). So
erklärt sich die Empfindlichkeit dieses Systems, die an der Grenze des
physikalisch Möglichen liegt.
Das Absinken der intrazelluläre Konzentration an cGMP hat zur Folge, dass
die CNG-Kanäle nicht weiter aktiviert werden,
der
Kationeneinstrom in die Zelle versiegt,
die intrazelluläre Na+- und Ca++-Konzentration sinkt, und
das Membranpotential
von ~ -40 mV auf bis zu ~ -80 mV steigt (hyperpolarisierendes Rezeptorpotential - eine Eigenheit von Photorezeptorzellen). Das
Rezeptorpotential setzt sich elektrotonisch vom Außen- zum Innensegment
fort
Die Freisetzung von Glutamat an den Synapsen mit Bipolarzellen nimmt ab - das ist das neuronale Signal.
Schon ein einzelnes Photon kann eine meßbare Antwort an einer einzelnen Rezeptorzelle auslösen.
Um einen Sinneseindruck auszulösen, reicht eine Veränderung des
Lichtflusses um einige Dutzend Photonen (entsprechend dem
Zusammenwirken von 5-7 Photonen, die jeweils einen Photorezeptor
reizen).
Die Hyperpolarisation benötigt etwa 0,2 Sekunden bis zu
ihrer stärksten Ausprägung. Am Kontakt zu bipolaren Retina-Neuronen reduziert sich die Freisetzung des Transmitters
Glutamat.
Das erscheint paradox: Photorezeptoren sind in der Dunkelheit
depolarisiert und bei Reizung durch Licht
steigt das Membranpotential und die Transmitterfreisetzung
sinkt - bei fast allen erregbaren Zellen folgt auf einen adäquaten Reiz eine
Depolarisation. Daher wurde der Ausdruck
"umgekehrte Lichtantwort"
geprägt. (Die nachgeschalteten Horizontal- und Bipolarzellen
"verstehen" die Botschaft und reagieren mit entsprechenden Veränderung
ihrer Membranpotentiale.)
Belichtung eines Photosensors senkt über Aktivierung der Phosphodiesterase dessen intrazelluläre cGMP- und damit auch Ca++-Konzentration, die Glutamatfreisetzung nimmt ab
|
Inaktivierung:
Die Lichtreaktion der Photorezeptoren ist limitiert, um
sie für weitere Photonen wieder empfänglich zu machen. Metarhodopsin II
wird durch eine Rhodopsinkinase phosphoryliert und anschließend an ein lösliches Protein (Arrestin)
gebunden, dadurch wird die Interaktion mit Transduzin blockiert. Die
cGMP-Konzentration im Photorezeptor steigt wieder an, das
Membranpotential sinkt auf das "Dunkelpotential" von ca. -40 mV.
Lichteinfall und elektrisches Potential des Auges: Ändert
sich die Beleuchtung der Netzhaut, kommt es zu einer mehrphasigen
Veränderung (im Bereich von Zehnteln Millivolt) des vom Auge ableitbaren
Bestandspotentials (üblicherweise von Hornhaut zu Gesichtshaut
abgeleitet; Elektroretinogramm, ERG).
Das (beim Menschen braun gefärbte) Pigmentepithel (RPE: retinal pigment epithelium) hat mehrere Aufgaben:
Regeneration des entstandenen All-trans-Retinols zu 11-cis-Retinal. Das bei der Phototransduktion entstandene All-trans-Retinal wird von Zellen des Pigmentepithels zu All-trans-Retinol (Vitamin A) reduziert. Dieses ist die Vorstufe des 11-cis-Retinal und wird an die Stäbchen retourniert. Der Regenerierungszyklus dauert einige Minuten.
Phagozytose von Membranmaterial der Photorezeptoren: Die oxidative Wirkung des Lichts auf die Außensegmente der Photorezeptorzellen unterwirft sie starkem Verschleiß. Pigmentepithelzellen umgreifen diese mit fingerartigen Fortsätzen (<Abbildung) und nehmen deren Membranmaterial auf (Recycling).
>Abbildung: Pigmentepithelzelle (schematisch)
Nach Jarrett SG, Lewin A, Boulton ME. The Role of Mitochondrial Oxidative Stress in Retinal Dysfunction. In: Stratton et al. (eds.), Studies on Retinal and Choroidal Disorders, Springer 2012
Photorezeptoren und
Pigmentepithelzellen bilden eine funktionelle Einheit und sind hohem
oxidativem Stress durch Licht und Sauerstoff in arterialisiertem Blut
ausgesetzt. Melanin und Lipofuszin gehören zu den Chromophoren
(Moleküle, die Farbe verleihen) der Netzhaut, sie bilden Radikale wie
Superoxid und Wasserstoffperoxid. Dazu kommen ungesättigte Fettsäuren
aus phazozytierten Außensegmenten der Photorezeptoren.
Pigmentepithelzellen müssen hohe antioxidative Kapazität aufweisen.
Reicht diese nicht aus, drohen degenerative Veränderungen der Netzhaut
Lichtabsorption.
Pigmentepithelzellen fangen mittels ihrer Melanosomen Streulicht ein
und erhöhen dadurch einerseits die optische Qualität des
Netzhautbildes. Andererseits senken sie die oxidative Wirkung des
Lichts, das insbesondere im Makulabereich (der auch stark durchblutet
ist) konzentriert auf die Netzhaut trifft.
Metabolische Stabilisierung. Pigmentepithelzellen
verleihen antioxidativen Schutz und transportieren Ionen, die bei der
Phototransduktion zwischen intra- und extrazellulärem Kompartiment
ausgetauscht werden.
Stoffaustausch. Das Pigmentepithel versorgt Photorezeptoren
mit Nährstoffen. Die basale Membran der
Pigmentepithelzellen ist zwecks besserem Stoffaustauschs mit den Blutgefäßen der Chorioidea gefaltet (>Abbildung).
Beteiligung am Immunprivileg des Auges:
Das Pigmentepithel baut eine dichte Barriere gegenüber dem
Blutkreislauf auf und kann mit dem Immunsystem in einer Weise
kommunizieren, dass es im gesunden Auge Immunaggression verhindert und
im Erkrankungsfall die Immunabwehr aktiviert.
Lösen sich retinale Zellen vom Pigmentepithel ab (Netzhautablösung, z.B. infolge von Blutungen wie
bei diabetischer Retinopathie), gehen sie zugrunde (Erblindung).
Adaptation: Anpassung an unterschiedliche Lichtstärken
Die Anpassung an unterschiedliche
Lichtstärke beruht auf Pupillenreflex und Netzhautadaptation:
Pupillenreflex:
Dieser Mechanismus greift rasch (Zehntelsekunden).
Der Pupillendurchmesser kann zwischen ~1,5 (Miosis: Aktivität des m.
sphincter pupillae) und ~7,5 mm (Mydriasis: Aktivität des m. dilatator
pupillae) schwanken. Da Fläche = r2π,
entspricht das einem Flächenunterschied für den Lichtdurchtritt
(zwischen kompletter Miosis und Mydriasis) von 1:25.
Der Lichtstrom in das Auge kann also durch den Pupillenreflex um etwa eine
Größenordnung
modifiziert werden. (Beispiele: Beträgt der kleinste Pupillendurchmesser 2 statt 1,5 mm, reduziert sich diese Bandbreite auf einen Faktor von ~14. Hat
die Pupille einen Ausgangsdurchmesser von 4 mm, kann sie durch
Reduktion auf 1,5 mm den Lichtfluss um einen Faktor 7 reduzieren.)
Näheres zum Pupillenreflex s. dort
Retinale Adaptation: Hier wirken mehrere Mechanismen zusammen:
Nutzung von Stäbchen (
skotopisches Sehen, niedrige Lichtintensität) und Zapfen (
photopisches Sehen, Farberkennung, hohe Lichtintensität) je nach Beleuchtungsstärke, zusätzlich
neuronale Anpassung via Verschaltung über Horizontalzellen (von Zapfen- auf Stäbchensystem)
Photorezeptorzellen adaptieren über cGMP-Empfindlichkeit der
CNG-Kanäle und veränderte Ca
++-Wirkung
an Rhodopsinkinase: Die intrazelluläre Calciumkonzentration nimmt ab (cGMP-Kanäle schließen). Die volle Adaptation (von
hell auf dunkel) des skotopischen Systems (Zapfen) kann bis zu 30 Minuten in Anspruch nehmen
In dunkler Umgebung wird weniger Photopigment verbraucht, seine Konzentration ist
hoch und die Empfindlichkeit steigt
(photochemische Adaptation). Stärkere Beleuchtung führt zu Verbrauch ("Ausbleichen") von Sehfarbstoff und reduzierter Lichtempfindlichkeit. Niedriges [Ca
++i]
erhöht die Aktivität der
Guanylatzyklase und hemmt die Phosphodiesterase, was den
lichtinduzierten Abfall des [cGMP] limitiert. So passt sich das
Photorezeptorsystem an höheren Lichtfluss an, reagiert aber dennoch
auch auf geringe Helligkeitsänderungen.
Räumliche
Summation:
Die Zentralzonen rezeptiver Felder vergrößern sich (auf Kosten der
Peripherie), wodurch größere Rezeptorzahlen zusammengeschaltet werden
und die Lichtempfindlichkeit steigt (auf Kosten des Auflösungsvermögens)
Zeitliche
Summation: Verlängerung der Reizdauer macht auch schwächere Lichtreize überschwellig und damit wahrnehmbar
Bei Vitamin-A-Mangel wird
der Sehpurpur der Stäbchen nicht ausreichend gebildet, Folge ist
mangelhafte Adaptation auf niedrige Lichtintensitäten ("Nachtblindheit" =
Hemeralopie: Stäbchenapparat und damit Wahrnehmung niedriger Lichtintensitäten sind gestört).
>Abbildung: Adaptationsverhalten des menschlichen Auges
Ausgehend
vom hell-adaptierten Zustand, wird die Versuchsperson in einem dunklen
Raum mit schwachen Lichtreizen konfrontiert und bestimmt, welche
Lichtintensität gerade noch wahrgenommen wird. Die ermittelten Werte
werden als Funktion der fortlaufenden Zeit dargestellt (dunkelblauer /
roter Kurvenanteil). Der dahinterliegende frühe Adaptationsverlauf der
Zapfen (hellrosa) und der spätere der Stäbchen (grau) ist ebenfalls
dargestellt.
Helladaptation
erfolgt viel rascher (vollständig nach wenigen Minuten) als die
Dunkeladaptation (vollständig nach ~40 min). Der Zeitverlauf der
Adaptation weist einen markanten Übergang von Zapfen- auf Stäbchenfunktion auf: Zuerst
adaptiert das Zapfensystem rasch, aber nur bis zu seiner
Schwelle; dann übernimmt das Stäbchensystem - langsamer, aber
wesentlich geringere Schwellenwerte erreichend.
Der Übergang in der Adaptationskurve wird als Kohlrausch'scher Knick (K) bezeichnet
Die
Lichtempfindlichkeit des Auges kann Intensitätsunterschiede von über 10
Zehnerpotenzen tolerieren. Die unterschiedliche
Anpassungsgeschwindigkeit des (raschen) Zapfen- und des (langsameren)
Stäbchensystems macht sich im Zeitverlauf als Knick (benannt nach dem
Physiologen Arnt Kohlrausch) bemerkbar (>Abbildung).
(Adaptierte) Stäbchen sind um mehrere Zehnerpotenzen lichtempfindlicher als (adaptierte) Zapfen
|
Fallen die Stäbchen (skotopisches
System) bei funktionierendem Zapfensystem aus, dann läuft die
Adaptationskurve auf der Höhe der maximalen Zapfenadaptation aus, und
der "Kohlrausch-Knick" verschwindet. Das passiert bei retinitis pigmentosa,
einer meist genetisch bedingten Erkrankung, bei der die Stäbchen
degenerieren. Bei niedrigen Lichtintensitäten (z.B. sternenklare Nacht)
ist dann kein Sehen mehr möglich. Außerdem wird das Gesichtsfeld so eng
(fovea centralis und <5° perifoveal), dass die Orientierung im Raum
nicht mehr möglich ist - betroffene Personen gelten als erblindet.
Physiologie der Netzhaut
Die
Netzhautrezeptoren sind wie Punkte eines Rasters angeordnet; auf sie
wird ein Bild von der Umwelt projiziert. Sehschärfe und
Auflösungsvermögen sind durch die Feinheit dieses Rasters und die
Verschaltung zum Gehirn (Grad der Konvergenz, Güte der Kontrastierung) bestimmt.
Dazu kommt eine umfangreiche "Vorverarbeitung" der retinalen
Reizmuster. Eigenschaften wie Helligkeit, Farbe, Kontrast, Form,
Orientierung, Bewegung / Richtung werden nicht nur im Gehirn, sondern
schon in der Netzhaut "sortiert" (visual processing)
- und zwar parallel, also zeitgleich. Die neuronalen Schaltkreise in
der Retina halten etwa 20 Kriterien auseinander (z.B. hell vs. dunkel,
gelb vs. blau etc). Das Ergebnis dieser Analyseschritte fließt den
retinalen Ganglienzellen zu, und gelangt damit über den Sehnerv zum
Gehirn.
<Abbildung: Netzhaut
Nach einer Vorlage bei Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed., Saunders 2003
Die 2-4 µm dicke und aus 5 Schichten bestehende Bruch'sche Membran
bietet dem Ziliarkörper Verankerung und lässt Nährstoffe zwischen
Aderhaut und Pigmentepithel passieren. Mit zunehmendem Alter verdickt
sie sich und ihre Durchlässigkeit nimmt ab.
Das
Pigmentepithel
regeneriert
all-trans-Retinol zu 11-cis-Retinal und phagozytiert sequestrierte
Endstücke von Außensegmenten von Stäbchen und Zapfen. Außerdem enthält
es Melaningranula, dadurch wird die Lichtstreuung reduziert.
Die Gliazellen der Netzhaut heißen Müller-Zellen - sie nehmen z.B. Kalium auf, das bei der Aktivität neuronaler Zellen frei wird.
Amakrine und Horizontalzellen dienen der horizontalen
Informationsverarbeitung (z.B. Kontrastierung durch Aufbau von
"Hemmungshöfen")
An der Stelle des schärfsten Sehens,
der fovea centralis im gelben Fleck, ist das Auflösungsvermögen am
höchsten, weil hier die Rezeptoren (nur L- und M-Zapfen; keine S-Zapfen, keine Stäbchen) besonders eng
nebeneinander stehen (Abstand weniger als ein Erythrozytendurchmesser).
Fixierte Gegenstandspunkte werden automatisch auf die Fovea projiziert (Reflexe, kortikale Steuerung).
Die fovea centralis (Durchmesser ca. 1,5 mm) enthält etwa 140.000
Zapfen pro Quadratmillimeter (hohe Auflösung von ~1 Bogenminute), sie
ist nachtblind (keine Stäbchen: Skotopisches Zentralskotom).
Sehen am Tag bzw. in hell beleuchteter Umgebung (photopisches Sehen) ist mit der Peripherie der Netzhaut möglich, aber auch die
perifovealen Regionen enthalten Zapfen (>Abbildung ganz oben) und
erlauben Farbunterscheidung (Farbperimetrie: Rot geringstes, blau
größtes Gesichtsfeld).
Photorezeptzoren (retinale Sinneszellen) geben an den synaprischen
Kontakten zu Bipolar- und Horizontalzellen kontinuierlich Glutamat ab -
je weniger sie belichtet werden, desto mehr (s. oben). Da die Distanzen so kurz sind, bilden sie keine Aktionspotentiale (das tun nur Ganglienzellen und
einige amakrine Zellen), sondern verändern ihr Membranpotential
proportional zum Lichtfluss. Das Verhalten der Sinneszellen wirkt sich auf das von Bipolarzellen
und Horizontalzellen aus:
Die Verbindung zu Bipolarzellen erfolgt
an speziellen Synapsen (ribbon synapses). Bipolarzellen verbinden Photorezeptorzellen und Ganglienzellen in radiärer
Richtung. was in der Netzhautperipherie eine starke Konvergenz
ermöglicht (Zahlenverhältnis insgesamt 100:1). Die Verschaltung zu
retinalen Ganglienzellen erfolgt in einer Weise,
dass sich sensorische (rezeptive) Felder ergeben. Bipolarzellen
sind glutamaterg, sie aktivieren ionotrope Rezeptoren auf
Ganglienzellen: Depolarisation von Bipolarzellen führt immer zur
Depolarisation angekoppelter Ganglienzellen.
Horizontalzellen
bauen laterale Verbindungen zwischen Photorezeptoren (Zapfen und
Stäbchen) auf (<Abbildung), also in äußeren Retinagebieten. Diese Verschaltungen dienen der Interaktion benachbarter Zellen in der Netzhaut, insbesondere der Kontrastverstärkung (laterale Hermmung:
Aktivierte hemmen die Erregung benachbarter Zellen).
Horizontalzellen teilen mit Nachbarzellen nicht nur chemische Synapsen,
sie sind auch über gap junctions miteinander verbunden.
Innere
Netzhautareale enthalten auch amakrine Zellen,
von denen 30 verschiedene Typen bekannt sind. Ihre Verzweigungen
beschränken sich auf die innere plexiforme Schicht (<Abbildung
oben). Sie erhalten von Bipolarzellen exzitatorische glutamaterge
Impulse und bauen inhibitorische Netzwerke zur Kontrastverstärkung auf.
Ganglienzellen
sind die "Endabnehmer" der in der Netzhaut
aufbereiteten Information. Erst hier entstehen Aktionspotentiale, die
dann über den Sehnerven zum Gehirn geleitet werden. Ganglienzellen
fallen in zwei Kategorien: Solche, die auf Verstärkung des
Lichteinfalls in ihrem rezeptiven Bereich ansprechen (ON-Neurone) und solche, die auf sinkenden Lichtstrom reagieren (OFF-Neurone).
Auf diese Weise kann über das Auftauchen dunkler optischer Merkmale
viel empfindlicher reagiert werden als durch Absinken der Aktivität von
ON-Neuronen alleine. Insgesamt liegt die Betonung auf der
Signalisierung von Bewegungen:
Ein stehendes Bild auf der Netzhaut "verschwindet" innerhalb von
Sekunden, wird also nach kurzer Zeit nicht mehr wahrgenommen. Sowohl das parvozelluläre
als auch das magnozelluläre (P-, M-) System verfügt über On- und Off-Neurone.
Was zu Ganglienzellen konvergiert, wird (bezogen auf
die retinalen Projektionsgebiete) als jeweils ein rezeptives Feld bezeichnet. Dessen Verschaltungsstrategie bewirkt eine
weitgehende Unabhängigkeit von der absoluten
Lichtstärke. Ganglienzellen reagieren vor allem auf Kontraste
zwischen Zentrum und Peripherie ihres rezeptiven Feldes.
Rezeptive Felder
sind kreisförmig bis oval,
haben
einen zur Peripherie hin zunehmenden Durchmesser (von ~einer
Bogenminute in der fovea centralis bis zu ~4 Bogengrade - mehr als das Zweihundertfache - in der
Netzhautperipherie),
in Zapfen-abhängigen rezeptiven Feldern depolarisieren die Zellen bei Erhöhung oder
Erniedrigung der Belichtung ihres Zentrums ("On"- oder "Off"-Neurone), Stäbchen nutzen nur einen "On"-Mechanismus.
>Abbildung: Organisation der Netzhaut: Rezeptives Feld
Nach einer Vorlage bei Pearson Education 2011
Reizung von Zapfen in der Peripherie des rezeptiven Feldes hemmt (bei hohem Lichtfluss) den Signalfluss aus dem Zentrum ("On-Zentrum mit Off-Peripherie")
On-Bipolarzellen werden durch Glutamat, das Zapfen im Dunkeln vermehrt
freisetzten, gehemmt, während Off-Bipolarzellen durch Glutamat erregt werden. Der Unterschied in der Reaktion erklärt sich durch den unterschiedlichen Besatz an Glutamatrezeptoren:
On-Bipolarzellen haben metabotrope (G-Protein → Abbau von cGMP → Schließen von Kationen-Kanälen → Hyperpolarisierung),
Off-Bipolarzellen haben ionotrope AMPA / Kainat- Rezeptoren
(Depolarisierung). Glutamat wirkt hier depolarisierend.
On-Bipolarzellen drehen die Information von den
Zapfen sozusagen nochmals um, bei erhöhtem Lichtfluss steigt die
anregende Wirkung auf "On"-Ganglienzellen, mit denen sie verschaltet
sind; Off-Bipolarzellen hingegen geben den "Umkehreffekt" der Zapfen an
ihre Ganglienzellen weiter. Bipolarzellen bilden mit amakrinen und mit Ganglienzellen spezielle synaptische Verschaltungen.
Fazit: "On"-Ganglienzellen reagieren auf vermehrten Lichtfluss an
"ihren" Zapfen mit erhöhter, "Off"-Ganglienzellen mit reduzierter
Aktionspotentialfrequenz.
Bei niedrigem Lichtfluss reagiert das gesamte rezeptive Feld in
gleicher Weise, bei ausreichender Helligkeit schaltet es mittels lateraler Hemmung auf Kontrast (>Abbildung): "On-Zentrum" mit
"Off-Peripherie" - die Erregungsgröße der Ganglienzelle geht
zurück, wenn die Peripherie ihres rezeptiven Feldes stärker beleuchtet
wird. Umgekehrt bei einem "Off-Zentrum" mit "On"-Peripherie: Die Ganglienzelle erhöht ihre Aktionspotentialfrequenz, wenn die Peripherie ihres
rezeptiven Feldes stärker beleuchtet wird.
Hier spielen Amakrinzellen eine tragende Rolle: Sie etablieren laterale Verknüpfungen zwischen bipolaren und Ganglienzellen. Man kennt mehr als 20 verschiedene Typen mit unterschiedlicher synaptischer Struktur und verwendeten Transmittern.
Ganglienzellen können farbkodierend fungieren (parvozelluläres System) - ihr rezeptives Feld ist farbantagonistisch organisiert - oder helligkeitskodierend (magnozelluläres System) - diese verstärken die Helligkeitskontraste:
P-, M- und koniozelluläres System
Die Netzhaut enthält Ganglienzellen des parvozellulären Systems, des magnozellulären Systems, sowie einer heterogenen Gruppe (Zellen der Puppillenreflexbahnen; koniozelluläres System) (vgl. dort):
<Abbildung: P (parvozelluläre)- und M- (magnozelluläre) Ganglienzelle
Nach Watanabe M, Rodieck RW. Parasol and midget ganglion cells of the primate retina. J Comp Neurol 1989;289: 434-54
Jede
fünfte Ganglienzelle der Netzhaut gehört zum M-System (parasol cells): Großer
Dendritenbaum (große rezeptive Felder), hohe zeitliche Auflösung,
rasche Adaptation; sie sind sehr bewegungssensitiv, aber
farbunempfindlich.
Die kleineren
P-Zellen (midget cells) überwiegen an der Zahl. Sie haben kleine rezeptive Felder,
hohes räumliches Auflösungsvermögen, und verhalten sich farbempfindlich
Sowohl das P- als auch das M-System verfügt über ON- und OFF-Neurone (s. oben).
Zum parvozellulären System gehören ~80% der retinalen Ganglienzellen (P-Zellen oder midget cells). Seine rezeptiven Felder sind klein, sie sind farbempfindlich, adaptieren nur wenig und haben ein hohes räumliches Auflösungsvermögen. Ihre Neurone projizieren in das corpus geniculatum laterale ( s. dort), wo sie an Zellen des parvozellulären
Systems - an den dorsal gelegenen Kernschichten 3 bis 6 - enden. Das angekoppelte visuelle Verarbeitungssystem ist auf
räumliche Auflösung, Detail, Farbe und Objekterkennung spezialisiert.
P-Zellen sind farbempfindlich, lösen örtlich besser auf und adaptieren weniger als M-Zellen
|
Zum magnozellulären System gehören ~10% der retinalen Ganglienzellen, die groß sind und einen umfangreichen Dendritenapparat aufweisen (M-Zellen oder parasol cells). Seine rezeptiven Felder sind groß, sie sind farbunempfindlich, adaptieren rasch und sind zu hoher zeitlicher Auflösung fähig. Auch ihre Neurone projizieren in das corpus geniculatum laterale, sie enden an Zellen des magnozellulären
Systems, d.h. an den ventral gelegenen Kernschichten 1 und 2. Diese
Zellen senden überwiegend an obere parietale Areale und sind auf die
Analyse von Position und Bewegung spezialisiert.
M-Zellen lösen zeitlich rascher auf, sind bewegungs- und kontrastempfindlicher als P-Zellen
|
Zweischichtige Ganglienzellen
in der Netzhaut (bistratified cells) werden von bipolaren und amakrinen Zellen erreicht und
projizieren im Thalamus (corpus geniculatum laterale) auf koniozelluläre
Neuronen, die zwischen Schichten des P- und M-Systems liegen.
Sehnervenkreuzung (chiasma opticum)
Seitenkreuzung: Das Netzhautbild
der Umwelt wird in Aktionspotentialmuster umgewandelt, die über den
Sehnerv (nervus opticus vor dem chiasma, tractus opticus dahinter) ins Gehirn gelangen. Bilder des rechten Gesichtsfeldes werden in die linke
Großhirnhemisphäre geleitet und umgekehrt.
>Abbildung: Zentrale Sehbahn
Nach einer Vorlage bei clinicalgate.com
Die
Gesichtsfelder beider Augen sind getrennt dargestellt, überlappen
einander aber in Wirklichkeit zu einem hohen Anteil (Augen blicken nach
vorne, nicht zur Seite). Das ermöglicht binokuläres Sehen (Abgleich der
beiden Netzhautbilder), zerebrale Fusion und Tiefenwahrnehmung.
Bei der
(monokulären) Testung des Gesichtsfeldes (Perimetrie)
lassen sich die Leistungen der linksseitigen und rechtsseitigen Sehbahn
getrennt untersuchen
Die Sehnervenkreuzung liegt auf dem diaphragma sellae (Dach des
Türkensattels).
Hypophysenadenom:
Drückt ein Tumor (die Hypophyse liegt in der sella
turcica) auf die medianen Bündel im chiasma
opticum, sind vor allem kreuzende Fasern betroffen. Diese stammen von
den nasalen Netzhauthälften, auf welche die temporalen
Gesichtsfeldhälften abbilden. Der Gesichtsfeldausfall beginnt
bitemporal oben und kann sich zu einer kompletten bitemporalen Hemianopsie ("Scheuklappenblindheit") ausbreiten.
Kraniopharyngeom: Diese Tumoren
entstehen aus Versprengseln der Rathke-schen Tasche und drücken von
hinten-oben aus das Chiasma. Der Gesichtsfeldausfall beginnt
inferiotemporal und kann sich auf das gesamte temporale Feld ausbreiten.
Carotisaneurysma: Lateral
ist die Sehnervenkreuzung durch die a. carotis interna begrenzt.
Erweiterungen (Aneurysmen) dieser Arterie können die Fasern im Chiasma
von lateral her komprimieren und einen (zuerst halbseitigen, dann auch
kontralateralen) nasalen Gesichtsfeldausfall bewirken.
Binokularsehen und räumlicher Eindruck: Das auf die Netzhäute beider Augen projizierte Bild der Umwelt ist (aus geometrischen Gründen) meist nicht ident. Lediglich auf einer gekrümmten horizontalen Linie, dem sogenannten Horopter,
liegen diejenigen Punkte, die auf Netzhautpunkten abgebildet werden,
die von der fovea centralis (im gleichen Winkel) gleich weit entfernt sind (der
Fixationspunkt wird auf die fovea centralis projiziert). Solche deckungsgleichen Orte auf der Retina nennt man korrespondierend.
Das bedeutet definitionsgemäß, dass auf dem Horopter liegende
Gegenstandspunkte auf korrespondierende Netzhautpunkte projiziert
werden. Legt man (fiktiv) die Netzhautbilder solcher Punkte übereinander,
sind sie deckungsgleich.
Andere Umgebungspunkte bilden sich nicht auf korrespondierende
Netzhautstellen ab; sie weisen eine Abweichung in ihrer Entfernung von
der fovea centralis auf, eine sogenannte Querdisparation (binocular disparity) (quer, weil in der x-Achse gelegen - die Augen liegen nebeneinander; disparat (lat) = abgesondert, getrennt) - s. Abbildung:
<Abbildung: Horopter, Querdisparation, Panum-Raum
Nach einer Vorlage in Levine / Shefner, Fundamentals of Sensation and Perception. Brooks/Cole Publishing Co 1991
Im
Panum-Raum (Panum-Areal) gelegene Querdisparationen führen (über Fusionierung im
Gehirn) zu dreidimensionalen Eindrücken (Raumwahrnehmung), außerhalb
liegende Punkte ergeben Doppelbilder.
A und F liegen - im Gegensatz zu B - am Horopter.
Korrespondierende Netzhautpunkte: Roter Doppelpfeil (gleicher Abstand a-f)
Disparate Netzhautpunkte: Blauer Doppelpfeil (ungleicher Abstand f-b)
Die Punkte F (Fixationspunkt) und A liegen auf dem (theoretisch kreisförmigen und durch beide Augen laufenden) Horopter (plane of fixation). Ihre
Projektionspunkte auf der Netzhaut (f = fovea, a) sind links und rechts
gleich weit voneinander entfernt (korrespondierend; rote Doppelpfeile).
Um den Horopter liegt eine Zone von Gegenstandspunkten (Panum-Areal ),
bei deren Abbildung auf der Netzhaut nur eine geringe Querdisparation
auftritt, sodass das Gehirn diese Information zu einem räumlichen
Eindruck verschmelzen kann und kein Doppelbild wahrgenommen wird
("Fusionszwang" für das Gehirn, stereoskopisches Sehen).
Für alle anderen Gegenstandspunkte (z.B. B in der Abbildung) gilt: Die
Querdisparation ihrer Abbildungspunkte (b) ist so stark (vgl. blaue
Doppelpfeile), dass das Gehirn sie nicht mehr fusioniert und in der
Wahrnehmung ein Doppelbild entsteht. Für bestimmte Bereiche der
retinalen Querdisparation (Gegenstand vor oder hinter dem Horopter)
reagieren Neurone der Sehrinde auf Punkte, die vor (near cells) oder hinter dem Horopter liegen (far cells) und unterstützen so die Tieferwahrnehmung.
Die Querdisparation steht mit der Tiefenwahrnehmung
optischer Reizmuster in Zusammenhang. Dabei spielt einerseits die
Distanz des betrachteten Gegenstandes, andererseits der Augenabstand
(Interpupillardistanz, ca. 5-8 cm) eine Rolle. Künstliche
Erhöhung der Querdisparation (z.B. stereoskopische Bilder,
3D-Filme, Scherenfernrohr) verstärkt den räumlichen Eindruck.
Die optischen Hirnrindenareale V1 und V2 enthalten binokulare Neurone, die Information von korrespondierenden
Netzhautpunkten (corresponding positions) erhalten. Sie werden maximal aktiviert, wenn auf die
entsprechenden rezeptiven Felder Gegenstandspunkte projiziert werden,
die auf dem jeweils aktuellen Horopter liegen. Daneben gibt es
Neurone, die am stärksten ansprechen, wenn die Abbildung auf nicht-korrespondierende Netzhautstellen erfolgt. Offensichtlich wirken diese Neuronenpopulationen bei der räumlichen Tiefenwahrnehmung zusammen.
>Abbildung: Goldmann-Hohlkugelperimeter
Die
untersuchte Person legt das Kinn auf die Stütze (der Kopf ist dadurch
stabilisiert) und blickt mit dem untersuchten Auge (das andere ist
abgedeckt) in die Mitte der Hohlkugel. Es wird getestet, welche (auf
die weiße Fläche projizierten) optischen Reize wahrgenommen werden
(Position, Größe, Lichtstärke, Farbe). Der Untersucher sitzt auf der
Gegenseite und kontrolliert die Position der Pupille (fixiert die
untersuchte Person tatsächlich den Mittelpunkt der Hohlkugel?)
Der bei
unbewegtem Blick wahrnehmbare Teil der Umwelt wird als
Gesichtsfeld bezeichnet. Die Bestimmung des Gesichtsfeldes heißt
Perimetrie. Sie
kann im einfachsten Fall mit Fingern und Händen des Untersuchers
erfolgen. Das Hohlkugelperimeter (>Abbildung) erlaubt exakte Bestimmungen in Bezug
auf Ort, Größe, Helligkeit und Farbe eines optischen Stimulus.
<Abbildung: Perimetrieblatt
Auf einem solchen Formular wird das Ergebnis einer perimetrischen Untersuchung dokumentiert.
Das Gesichtsfeld umfasst radial 360 Grad (schwarze Zahlen; temporal =
0°, nasal = 180°). Die blauen Zahlen geben in Bogengrad den Abstand vom
Fixationspunkt (Projektion auf die fovea centralis) an.
Das normale Gesichtsfeld ist mit der dicken Linie angedeutet (~60°
nasal, ~90° temporal), das Areal des blinden Flecks mit dem grünen Oval
(temporal 10-20°)
Der "blinde Fleck" entspricht
der papilla N. optici, an der sich die Nervenfasern von den
Ganglienzellen in der Netzhaut bündeln und in den Sehnerv übergehen.
Hier gibt es keine Photorezeptoren. Der blinde Fleck liegt 10-20° nasal
zur Stelle des schärfsten Sehens (macula lutea mit fovea centralis), in der perimetrischen Untersuchung entsprechend ~15 Bogengrad temporal vom Fixationspunkt (<Abbildung).
Davon kann man sich mittels einfacher Schaubilder überzeugen, die
monokular betrachtet werden ("Verschwinden" eines schwarzen Flecks, der
bei ~15° temporal vom Fixationspunkt zu liegen kommt).
Der blinde Fleck liegt 15 Bogengrade nasal von der Stelle des schärfsten Sehens (fovea centralis)
In der perimetrischen Untersuchung liegt er folglich 15° temporal zum Fixationspunkt
|
>Abbildung: Visuelles Feld entlang der Sehbahn
Nach einer Vorlage in Kandel / Koester / Mack / Siegelbaum (eds), Principles of Neural Sciences, 6th ed. 2021 (McGraw Hill)
Innerhalb der binokulären Zone ist die Umwelt über die Netzhäute binokular repräsentiert - bis auf die "monokularen Halbmonde"
(monocular crescents). Das Bild zeigt das Ausmaß von Gesichtsfeldausfällen (dunkelgrau) bei kompletter Durchtrennung an den numerierten Stellen
Skotome (fleckförmige Ausfälle, z.B. bei Glaukom) können präzise verortet werden.
Gesichtsfeldausfälle werden oft unbewusst
kompensiert und bleiben vom Patienten lange Zeit unbemerkt. Betrifft ein Ausfall nur ein Auge, liegt die Schädigung im Bereich der Netzzhaut oder im N. opticus.
Ist die Störung ipsilateral nasal und kontralateral temporal, liegt eine Läsion des tractus opticus vor, also hinter der Sehnervenkreuzung (Abbildung).
Ist die Sehnervenkreuzung von median komprimiert (Hypophysentumor),
fallen die beiden temporalen Gesichtsfelder aus
("Scheuklappenblindheit"). Druck von lateral (Carotisaneurysma) wirkt
sich als (bi)nasale Hemianopsie aus.
Elektroretinographie
(ERG) wird angewendet, um die elektrische Summenantwort der Netzhaut
auf einen (schwachen) Lichtreiz zu ermitteln. Normalerweise kommt es
innerhalb von weniger als einer Zehntelsekunde (je intensiver der
Lichtreiz, desto rascher) zu einer ein- (schwacher Lichtreiz) bis zweiphasigen Veränderung des
(mittels Kontaktlinsenelektroden) registrierten Potentials über dem
Augapfel. Dies spiegelt die Aktivität der Zellen in der Netzhaut wider.
<Abbildung: Normales Elektroretinogramm nach hellem Lichtreiz (single flash)
Nach Niemeyer G, Das Elektroretinogramm: Nützlich und nicht kompliziert. Schweizer Fachzschr Augenärztliche Med 2004(5):7-13
A-Welle durch Aktivität der Photorezeptoren,
oszillatorische Wellen durch amakrine Zellen,
B-Welle durch Entladungen von bipolaren und Ganglienzellen verursacht
Man führt die Untersuchung bei hell- oder dunkeladaptierten Probanden
durch (photopische bzw. skotopische Bedingungen), um das Zapfen- bzw.
Stäbchensystem zu testen. Die Amplitude dieser Reaktionen kann mehr als
0,1 mV betragen (<Abbildung).
Netzhautschädigungen können sich in veränderter Lichtreaktion im ERG äußern. So zeigen Patienten, die unter retinitis pigmentosa leiden, im ERG stark abgeschwächte oder fehlende Potentialschwankungen nach Testreizen.
Das Prinzip des trichromatischen Sehens wird z.B. beim Farbdruck oder beim Farbfernsehen ausgenützt.
 Retinale Rezeptorzellen sind Zapfen für hohe Lichtstärke (photopisches Sehen) mit unterschiedlicher Farbempfindlichkeit (Photopsine), Stäbchen für geringe Lichtstärke (skotopisches Sehen) mit einem Empfindlichkeitsmaximum bei ~550 nm (Rhodopsin), und fotosensible Ganglienzellen (ipRGC) für die Steuerung zirkadianer Rhythmen über den nucleus suprachiasmaticus (Melanopsin)
Das skotopische System ist bei ~500 nm am empfindlichsten. Diese
Wellenlänge
liegt zwischen dem Absorptionsmaximum der Blau- und dem der
Grün-Sensoren, während das kollektive Empfindlichkeitsmaximum des
photopischen Systems bei ~550 nm liegt. Das bedingt den Purkinje-Effekt
Rot-(L)-Zapfen sind am empfindlichsten bei ~565 nm, ihr Ausfall heißt
Protanopie (Rotblindheit); Grün-(M)-Zapfen bei ~535 nm, ihr
Ausfall heißt Deuteranopie (Grünblindheit); Blau-(K)-Zapfen bei ~420
nm, ihr Ausfall heißt Tritanopie (Blau-Gelb-Blindheit).
Farbsinnstörungen betreffen 8% der Männer, 0,4% der Frauen (Gene
X-chromosomal codiert). Eine Testung des Farbsinns erfolgt mit
pseudoisochromatischen Tafeln (Ishihara, Stilling-Velhagen) oder
Anomaloskopen
Phototransduktion: Im Dunkeln depolarisiert Kationeneinstrom durch
CNG-Kanäle (Guanylatzyklase bildet kontinuierlich cGMP) das
Außensegment der Sinneszellen (Dunkelstrom), die Synapse zur
Nervenzelle setzt Glutamat frei. Licht verwandelt 11-cis-
zu all-trans-Retinal, Rhodopsin wird zu Metarhodopsin, dieses aktiviert
das G-Protein Transduzin, cGMP wird abgebaut, das sinkende
[cGMP] verringert den Kationeneinstrom, das Membranpotential steigt von ~-40 auf ~-80mV, was sich elektrotonisch auf die Kontaktstelle zum bipolaren Retina-Neuron auswirkt: die Glutamatfreisetzung nimmt ab
Signalverstärkung: Photorezeptoren absorbieren ~20% der eintreffenden
Photonen. Jedes absorbiertes Photon führt zum Eintritt von >106 Kationen, ~1mV Potenzialanstieg und einer meßbaren Antwort am Rezeptor (Signalverstärkung). Variationen
des Lichtflusses um einige Dutzend Photonen können bereits Sinneseindrücke verändern
Retinale Adaptation entsteht durch das Zusammenwirken mehrerer
Mechanismen: Photochemische Adaptation, unterschiedlicher Einsatz von
Stäbchen und Zapfen (adaptierte Stäbchen sind um mehrere Zehnerpotenzen
lichtempfindlicher als adaptierte Zapfen), neuronale Anpassung,
räumliche und zeitliche Summation
Fixierte Gegenstandspunkte werden auf der fovea centralis abgebildet (Auflösung ~1
Bogenminute) - diese enthält nur Zapfen (skotopisches Zentralskotom).
Die Signalübertragung auf bipolare und Ganglienzellen ergibt rezeptive
Felder, definiert als die kreisförmige bis ovale Netzhautfläche, von
der aus Einflüsse auf eine Ganglienzelle konvergieren. Der Durchmesser
rezeptiver Felder nimmt von einer
Bogenminute (fovea) bis zu ~4 Bogengrade (Netzhautperipherie) zu.
Zapfendominierte rezeptive Felder haben "On-" oder "Off"-Neurone - die
Ganglienzelle reagiert auf Kontraste zwischen Zentrum und Peripherie
ihres Feldes
On-Bipolarzellen werden durch Glutamat gehemmt (G-Protein → Abbau von cGMP → Hyperpolarisierung),
Off-Bipolarzellen angeregt
(ionotrope Glutamatrezeptoren → Depolarisierung). Stäbchen nutzen nur
einen "On"-Mechanismus. Rezeptive Felder können farbantagonistisch
(parvozelluläres System)
oder helligkeitskodierend (magnozelluläres System) organisiert sein.
Horizontalzellen bauen zur Kontrastverstärkung Querverbindungen
zwischen Photorezeptoren auf (laterale Hermmung), Amakrinzellen laterale Verknüpfungen zwischen bipolaren und
Ganglienzellen
Die Netzhaut enthält Ganglienzellen des parvozellulären (P-Zellen, ~80%
der retinalen Ganglienzellen), des magnozellulären (M-Zellen, ~10%) und
des koniozellulären Systems. Das parvozelluläre
System hat kleine, farbempfindliche, schwach adaptierende rezeptive
Felder mit hohem räumlichem Auflösungsvermögen; es projiziert auf
dorsale Kernschichten (3 bis 6) des corpus geniculatum laterale und
dient räumlicher Auflösung, Detail-, Farben- und Objekterkennung). Das magnozelluläre System hat große, nicht farbempfindliche, rasch adaptierende rezeptive Felder mit
hohem zeitlichem Auflösungsvermögen; es projiziert auf ventrale Kernschichten (1 und 2) des corpus
geniculatum laterale und dient der Analyse von Position und Bewegung
Räumliches Sehen wird u.a. durch Binokularsehen unterstützt. Die auf
die Netzhaut beider Augen projizierten Bilder der Umwelt sind
unterschiedlich. Nur auf dem Horopter (einer gekrümmten horizontalen
Linie) liegen Punkte, die auf korrespondierende Netzhautpunkte
(deckungsgleich) abgebildet werden. Alle anderen fallen auf nicht
korrespondierende Netzhautstellen (unterschiedliche Entfernung von der
fovea centralis): Sie sind querdisparat. Aus dem Ausmaß der
Querdisparation - soferne diese nicht zu stark ist (Panum-Areal um den
Horopter) - rechnet das Gehirn in räumliche Tiefe um; ist die
Querdisparation zu stark, entstehen Doppelbilder
Gesichtsfeld heißt der bei unbewegtem Blick wahrnehmbare Teil der
Umwelt; seine Bestimmung heißt Perimetrie. Mit einem Hohlkugelperimeter
werden exakte Bestimmungen in Bezug auf Ort, Größe, Helligkeit und
Farbe eines optischen Reizes vorgenommen, das Ergebnis auf einem
Perimetrieblatt aufgezeichnet. So lassen sich fleckförmige (Skotome),
Halbseiten- (nasal, temporal) und andere Ausfälle präzisieren. Der
blinde Fleck liegt 15 Bogengrade nasal von der fovea centralis (in der
perimetrischen Untersuchung 15° temporal zum Fixationspunkt)
Elektroretinographie (ERG) zeigt die elektrische Summenantwort (~0,1
mV) der Netzhaut auf einen Lichtreiz (ein- bis zweiphasige
Potentialschwankung je nach Lichtintensität) bei hell- oder
dunkeladaptierten Probanden zwecks Testung des Zapfen- bzw.
Stäbchensystems. Netzhautschädigungen können veränderte
ERG-Lichtreaktionen bedingen
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Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie
sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und
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