علوم اعصاب پروس؛ بینایی: چشم

Overview

THE HUMAN VISUAL SYSTEM IS EXTRAORDINARY in the quantity and quality of information it supplies about the world. A glance is sufficient to describe the location, size, shape, color, and texture of objects and, if the objects are moving, their direction and speed. Equally remarkable is the fact that viewers can discern visual information over a wide range of stimulus intensities, from the faint light of stars at night to bright sunlight. This chapter and the next one describe the molecular, cellular, and higher order mechanisms that allow us to see. The first steps in the process of seeing involve transmission and refraction of light by the optics of the eye, the transduction of light energy into electrical signals by photoreceptors, and the refinement of these signals by synaptic interactions within the neural circuits of the retina.

مرور کلی

سیستم بینایی انسان از نظر کمیت و کیفیت اطلاعاتی که در مورد جهان ارائه می‌دهد، فوق‌العاده است. یک نگاه برای توصیف مکان، اندازه، شکل، رنگ و بافت اشیاء و در صورت حرکت اشیاء، جهت و سرعت آنها کافی است. به همان اندازه قابل توجه است که بینندگان می‌توانند اطلاعات بصری را در طیف وسیعی از شدت محرک‌ها، از نور ضعیف ستارگان در شب گرفته تا نور شدید خورشید، تشخیص دهند. این فصل و فصل بعدی مکانیسم‌های مولکولی، سلولی و مرتبه بالاتر را که به ما امکان دیدن می‌دهند، شرح می‌دهند. اولین مراحل در فرآیند دیدن شامل انتقال و شکست نور توسط اپتیک چشم، تبدیل انرژی نور به سیگنال‌های الکتریکی توسط گیرنده‌های نوری و پالایش این سیگنال‌ها توسط تعاملات سیناپسی در مدارهای عصبی شبکیه است.

Anatomy of the Eye

The eye is a fluid filled sphere enclosed by three layers of tissue (Figure 11.1). The innermost layer of the eye, the retina, contains neurons that are sensitive to light and transmit visual signals to central targets. The immediately adjacent layer of tissue includes three distinct but continuous structures collectively referred to as the uveal tract. The largest component of the uveal tract is the choroid, which is composed of a rich capillary bed that nourishes the retinal photoreceptors; a major feature is a high concentration of the light-absorbing pigment melanin in what is called the pigment epithelium (discussed later in the chapter). Extending from the choroid near the front of the eye is the ciliary body, a ring of tissue that encircles the lens and consists of two parts: a muscular component that adjusts the refractive power of the lens, and a vascular component (the socalled ciliary processes) that produces the fluid that fills the front of the eye. The most anterior component of the uveal tract is the iris, the colored portion of the eye that can be seen through the cornea. It contains two sets of muscles with opposing actions, which allow the size of the pupil (the opening in its center) to be adjusted under neural control. The sclera forms the outermost tissue layer of the eye and is composed of a tough, white, fibrous tissue. At the front of the eye, however, this opaque outer layer is transformed into the cornea, a highly specialized transparent tissue that permits light rays to enter the eye.

آناتومی چشم

چشم یک کره پر از مایع است که توسط سه لایه بافت احاطه شده است (شکل 11.1). داخلی‌ترین لایه چشم، شبکیه، حاوی نورون‌هایی است که به نور حساس هستند و سیگنال‌های بصری را به اهداف مرکزی منتقل می‌کنند. لایه بافتی مجاور شامل سه ساختار مجزا اما پیوسته است که در مجموع به عنوان مجرای یووه‌آ شناخته می‌شوند. بزرگترین جزء مجرای یووه‌آ، مشیمیه است که از یک بستر مویرگی غنی تشکیل شده است که گیرنده‌های نوری شبکیه را تغذیه می‌کند. یکی از ویژگی‌های اصلی آن، غلظت بالای رنگدانه ملانین جاذب نور در چیزی است که اپیتلیوم رنگدانه نامیده می‌شود (که بعداً در این فصل مورد بحث قرار می‌گیرد). جسم مژگانی، حلقه‌ای از بافت که عدسی را احاطه کرده و از دو بخش تشکیل شده است: یک جزء عضلانی که قدرت انکساری عدسی را تنظیم می‌کند و یک جزء عروقی (به اصطلاح زوائد مژگانی) که مایعی را تولید می‌کند که جلوی چشم را پر می‌کند. قدامی‌ترین جزء مجرای یووه‌آ، عنبیه است، قسمت رنگی چشم که از طریق قرنیه دیده می‌شود. عنبیه شامل دو مجموعه عضله با عملکرد متضاد است که اجازه می‌دهد اندازه مردمک (دهانه در مرکز آن) تحت کنترل عصبی تنظیم شود. صلبیه، خارجی‌ترین لایه بافتی چشم را تشکیل می‌دهد و از یک بافت فیبری سفید و سفت تشکیل شده است. با این حال، در جلوی چشم، این لایه بیرونی مات به قرنیه تبدیل می‌شود، یک بافت شفاف بسیار تخصصی که اجازه ورود پرتوهای نور به چشم را می‌دهد.

Once beyond the cornea, light rays pass through two distinct fluid environments before striking the retina. In the anterior chamber, just behind the cornea and in front of the lens, is the aqueous humor, a clear, watery liquid that supplies nutrients to both of these structures. Aqueous humor is produced by the ciliary processes in the posterior chamber (the region between the lens and the iris) and flows into the anterior chamber through the pupil. The amount of fluid produced by the ciliary processes is substantial: the entire volume of fluid in the anterior chamber is replaced about 12 times a day. Thus, the rate of aqueous humor production must be balanced by a comparable rate of drainage from the anterior chamber in order to ensure a constant intraocular pressure. A meshwork of cells lying at the junction of the iris and the cornea is responsible for aqueous drainage. Failure of this drainage causes glaucoma, a disorder in which high levels of intraocular pressure reduce the blood supply to the eye and eventually damage retinal neurons.

پرتوهای نور پس از عبور از قرنیه، قبل از برخورد به شبکیه، از دو محیط سیال مجزا عبور می‌کنند. در اتاق قدامی، درست پشت قرنیه و جلوی عدسی، زلالیه، مایعی شفاف و آبکی وجود دارد که مواد مغذی را برای هر دوی این ساختارها تأمین می‌کند. زلالیه توسط زوائد مژگانی در اتاق خلفی (ناحیه بین عدسی و عنبیه) تولید می‌شود و از طریق مردمک به داخل اتاق قدامی جریان می‌یابد. مقدار مایع تولید شده توسط زوائد مژگانی قابل توجه است: کل حجم مایع در اتاق قدامی حدود ۱۲ بار در روز تعویض می‌شود. بنابراین، برای اطمینان از فشار داخل چشمی ثابت، میزان تولید زلالیه باید با میزان قابل توجهی از تخلیه از اتاق قدامی متعادل شود. شبکه‌ای از سلول‌ها که در محل اتصال عنبیه و قرنیه قرار دارند، مسئول تخلیه مایع هستند. عدم تخلیه این مایع باعث گلوکوم می‌شود، اختلالی که در آن سطوح بالای فشار داخل چشم، خون‌رسانی به چشم را کاهش می‌دهد و در نهایت به نورون‌های شبکیه آسیب می‌رساند.

FIGURE 11.1  Anatomy of the human eye.

شکل ۱۱.۱ آناتومی چشم انسان.

The space between the back of the lens and the surface of the retina is filled with a thick, gelatinous substance called the vitreous humor, which accounts for about 80% of the volume of the eye. In addition to maintaining the shape of the eye, the vitreous humor contains phagocytic cells that remove blood and other debris that might otherwise interfere with light transmission. The housekeeping abilities of the vitreous humor are limited, however, as many middle aged and elderly individuals with vitreal “floaters” will attest. Floaters are collections of debris too large for phagocytic consumption that therefore remain, casting annoying shadows on the retina. Floaters typically arise when the aging vitreous membrane pulls away from the overly long eyeball of myopic individuals (Box 11A).

فضای بین پشت عدسی و سطح شبکیه با ماده‌ای ضخیم و ژلاتینی به نام زجاجیه پر شده است که حدود ۸۰٪ از حجم چشم را تشکیل می‌دهد. زجاجیه علاوه بر حفظ شکل چشم، حاوی سلول‌های فاگوسیتیک است که خون و سایر بقایایی را که در غیر این صورت ممکن است در انتقال نور اختلال ایجاد کنند، حذف می‌کنند. با این حال، همانطور که بسیاری از افراد میانسال و مسن مبتلا به “مگس‌پران” زجاجیه گواهی می‌دهند، توانایی‌های خانه‌داری زجاجیه محدود است. مگس‌پران‌ها مجموعه‌ای از بقایایی هستند که برای مصرف فاگوسیتیک بسیار بزرگ هستند و بنابراین باقی می‌مانند و سایه‌های آزاردهنده‌ای روی شبکیه می‌اندازند. مگس‌پران‌ها معمولاً زمانی ایجاد می‌شوند که غشای زجاجیه پیر از کره چشم بیش از حد بلند افراد نزدیک‌بین فاصله می‌گیرد (کادر ۱۱A).

Image Formation on the Retina

Normal vision requires that the optical media of the eye be transparent, and both the cornea and the lens are remarkable examples, achieving a level of transparency that rivals that found in inorganic materials such as glass. Not surprisingly, alterations in the composition of the cornea or the lens can significantly reduce their transparency and have serious consequences for visual perception. Indeed, opacities in the lens known as cataracts account for roughly half the cases of blindness in the world, and almost everyone over the age of 70 experiences some loss of transparency in the lens that ultimately degrades the quality of vision. Fortunately, successful surgical treatments for cataracts can restore vision in most cases.

تشکیل تصویر روی شبکیه

بینایی طبیعی مستلزم آن است که محیط نوری چشم شفاف باشد و قرنیه و عدسی هر دو نمونه‌های قابل توجهی هستند که به سطحی از شفافیت دست می‌یابند که با شفافیت موجود در مواد معدنی مانند شیشه رقابت می‌کند. جای تعجب نیست که تغییرات در ترکیب قرنیه یا عدسی می‌تواند شفافیت آنها را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و عواقب جدی برای ادراک بصری داشته باشد. در واقع، کدورت‌های عدسی که به عنوان آب مروارید شناخته می‌شوند، تقریباً نیمی از موارد نابینایی در جهان را تشکیل می‌دهند و تقریباً همه افراد بالای 70 سال، مقداری از شفافیت عدسی را از دست می‌دهند که در نهایت کیفیت بینایی را کاهش می‌دهد. خوشبختانه، درمان‌های جراحی موفقیت‌آمیز برای آب مروارید می‌تواند در بیشتر موارد بینایی را بازگرداند.

In addition to efficiently transmitting light energy, the primary function of the optical components of the eye is to generate a focused image on the surface of the retina. The cornea and lens are primarily responsible for the refraction (bending) of light necessary for focused images on retina (Figure 11.2). The cornea contributes most of the necessary refraction, as can be appreciated by considering the hazy, out-of-focus images experienced when swimming underwater. Water, unlike air, has a refractive index close to that of the cornea; as a result, immersion in water virtually eliminates the refraction that normally occurs at the air cornea interface; thus, the image is no longer focused on the retina. The lens has considerably less refractive power than the cornea; however, the refraction supplied by the lens is adjustable, allowing the observer to bring objects at various distances into sharp focus.

علاوه بر انتقال کارآمد انرژی نور، عملکرد اصلی اجزای نوری چشم، ایجاد یک تصویر متمرکز بر روی سطح شبکیه است. قرنیه و عدسی در درجه اول مسئول شکست (خم شدن) نور لازم برای تصاویر متمرکز بر روی شبکیه هستند (شکل 11.2). قرنیه بیشترین شکست لازم را ایجاد می‌کند، همانطور که می‌توان با در نظر گرفتن تصاویر مبهم و خارج از فوکوس که هنگام شنا در زیر آب تجربه می‌شوند، درک کرد. آب، برخلاف هوا، ضریب شکستی نزدیک به قرنیه دارد. در نتیجه، غوطه‌وری در آب عملاً شکستی را که معمولاً در سطح مشترک قرنیه و هوا رخ می‌دهد، از بین می‌برد. بنابراین، تصویر دیگر روی شبکیه متمرکز نمی‌شود. عدسی قدرت شکست قابل توجهی کمتری نسبت به قرنیه دارد. با این حال، شکست ایجاد شده توسط عدسی قابل تنظیم است و به ناظر اجازه می‌دهد تا اشیاء را در فواصل مختلف در فوکوس دقیق قرار دهد.

Dynamic changes in the shape of the lens are referred to as accommodation. When viewing distant objects, the lens is made relatively thin and flat and has the least refractive power. For near vision, the lens becomes thicker and rounder and has the most refractive power (see Figure 11.2). These changes arise from the tension of the ciliary muscle that surrounds the lens. The lens is held in place by radially arranged connective tissue bands called zonule fibers that are attached to the ciliary muscle. The shape of the lens is determined by two opposing forces: the elasticity of the lens, which tends to keep it rounded up (removed from the eye, the lens becomes spheroidal); and the tension exerted by the zonule fibers, which tends to flatten it. When viewing distant objects, the force exerted by the zonule fibers is greater than the elasticity of the lens, and the lens assumes the flatter shape appropriate for distance viewing. Focusing on closer objects requires relaxing the tension in the zonule fibers, allowing the inherent elasticity of the lens to increase its curvature. This relaxation is accomplished by the sphincter like contraction of the ciliary muscle. Because the ciliary muscle forms a ring around the lens, when the muscle contracts, the attachment points of the zonule fibers move toward the central axis of the eye, thus reducing the tension on the lens.

تغییرات دینامیکی در شکل عدسی، تطابق نامیده می‌شود. هنگام مشاهده اشیاء دور، عدسی نسبتاً نازک و صاف می‌شود و کمترین قدرت انکساری را دارد. برای دید نزدیک، عدسی ضخیم‌تر و گردتر می‌شود و بیشترین قدرت انکساری را دارد (شکل 11.2 را ببینید). این تغییرات ناشی از کشش عضله مژگانی است که عدسی را احاطه کرده است. عدسی توسط نوارهای بافت همبند به نام الیاف زونول که به صورت شعاعی مرتب شده‌اند و به عضله مژگانی متصل هستند، در جای خود نگه داشته می‌شود. شکل عدسی توسط دو نیروی متضاد تعیین می‌شود: خاصیت ارتجاعی عدسی، که تمایل دارد آن را گرد نگه دارد (با جدا شدن از چشم، عدسی کروی می‌شود)؛ و کشش اعمال شده توسط الیاف زونول، که تمایل دارد آن را صاف کند. هنگام مشاهده اشیاء دور، نیروی اعمال شده توسط الیاف زونول بیشتر از خاصیت ارتجاعی عدسی است و عدسی شکل مسطح‌تری را که برای مشاهده فاصله مناسب است، به خود می‌گیرد. تمرکز روی اشیاء نزدیک‌تر نیاز به کاهش کشش در الیاف زونول دارد و به خاصیت ارتجاعی ذاتی عدسی اجازه می‌دهد تا انحنای آن را افزایش دهد. این شل شدن توسط انقباض اسفنکتر مانند عضله مژگانی انجام می‌شود. از آنجا که عضله مژگانی حلقه‌ای را در اطراف عدسی تشکیل می‌دهد، وقتی عضله منقبض می‌شود، نقاط اتصال فیبرهای زنول به سمت محور مرکزی چشم حرکت می‌کنند و در نتیجه کشش روی عدسی کاهش می‌یابد.

FIGURE 11.2 Accommodation in the human eye. The diagram shows the anterior part of the eye in the unaccommodated (left) and accommodated (right) states. Accommodation for focusing on near objects involves contraction of the ciliary muscle, which reduces tension in the zonule fibers and allows the elasticity of the lens to increase its curvature (white arrows).

شکل ۱۱.۲ تطابق در چشم انسان. نمودار، قسمت قدامی چشم را در حالت‌های تطابق نیافته (چپ) و تطابق یافته (راست) نشان می‌دهد. تطابق برای تمرکز روی اشیاء نزدیک شامل انقباض عضله مژگانی است که تنش در فیبرهای زنول را کاهش می‌دهد و به خاصیت ارتجاعی عدسی اجازه می‌دهد تا انحنای خود را افزایش دهد (فلش‌های سفید).

BOX 11A ☐ Myopia and Other Refractive Errors

Discrepancies of the various physical components of the eye causetion to have some form of refractive error, called ametropia. People who are unable to bring distant objects into clear focus are said to be nearsighted, or myopic (Figure B). Myopia can be caused by a corneal surface that is too curved or by an eyeball that is too long. In either case, with the lens as flat as it can be, the image of distant objects focuses in front of, rather than on, the retina.

کادر ۱۱ الف ☐ نزدیک‌بینی و سایر عیوب انکساری

اختلاف در اجزای فیزیکی مختلف چشم باعث ایجاد نوعی عیوب انکساری به نام آمتروپی می‌شود. افرادی که قادر به فوکوس واضح روی اشیاء دور نیستند، نزدیک‌بین یا میوپیک نامیده می‌شوند (شکل B). نزدیک‌بینی می‌تواند ناشی از انحنای بیش از حد سطح قرنیه یا طول بیش از حد کره چشم باشد. در هر دو حالت، با صاف بودن عدسی، تصویر اشیاء دور به جای روی شبکیه، در جلوی آن متمرکز می‌شود.

People who are unable to focus on near objects are said to be farsighted, or hyperopic. An eyeball that is too short or a refracting system that is too weak can cause hyperopia (Figure C). Even with the lens in its most roundedup state, the image is out of focus on the retinal surface (focusing at some point behind it). Both myopia and hyperopia are correctable by appropriate lenses concave (minus) and convex (plus), respectively or by the increasingly popular technique of corneal surgery (laserassisted in situ keratomileusis or Lasik for short).

افرادی که قادر به تمرکز روی اشیاء نزدیک نیستند، دوربین یا هایپروپیک نامیده می‌شوند. کره چشم خیلی کوتاه یا سیستم انکساری خیلی ضعیف می‌تواند باعث هایپروپی شود (شکل C). حتی با وجود عدسی در گردترین حالت خود، تصویر روی سطح شبکیه فوکوس نمی‌شود (در نقطه‌ای پشت آن متمرکز می‌شود). هم نزدیک‌بینی و هم هایپروپی به ترتیب با لنزهای مقعر (منفی) و محدب (مثبت) مناسب یا با تکنیک رو به رشد جراحی قرنیه (کراتومیلوزیس درجا با کمک لیزر یا به اختصار لیزیک) قابل اصلاح هستند.

Myopia is by far the most common ametropia; it affects an estimated 50% of the United States population. Given the large number of people who need glasses, contact lenses, or surgery to correct this refractive error, one naturally wonders how nearsighted people coped before spectacles were invented only a few centuries ago. From what is now known about myopia, most people’s vision may have been considerably better in ancient times. The basis for this assertion is the surprising finding that the growth of the eyeball is strongly influenced by focused light falling on the retina. This phenomenon was first described in monkeys reared with their lids sutured (the same approach used to demonstrate the effects of visual deprivation on cortical connections in the visual system; see Chapter 25), a procedure that deprives the eye of focused retinal images. Animals growing to maturity under these conditions show an elongation of the eyeball. The effect of focused light deprivation appears to be a local one, since the abnormal growth of the eye occurs in experimental animals even if the optic nerve is cut. Indeed, if only a portion of the retinal surface is deprived of focused light, then only that region of the eyeball grows abnormally. Although the mechanism of light mediated control of eye growth is not understood, many experts believe that the modern prevalence of myopia may be due to some aspect of modern civilization-perhaps learning to read and write at an early age that interferes with the normal feedback control of vision on eye development, leading to abnormal elongation of the eyeball.

نزدیک‌بینی شایع‌ترین نوع آمتروپی است؛ تخمین زده می‌شود که ۵۰٪ از جمعیت ایالات متحده را تحت تأثیر قرار می‌دهد. با توجه به تعداد زیاد افرادی که برای اصلاح این خطای انکساری به عینک، لنزهای تماسی یا جراحی نیاز دارند، طبیعتاً این سوال پیش می‌آید که افراد نزدیک‌بین قبل از اختراع عینک تنها چند قرن پیش چگونه با این مشکل کنار می‌آمدند. از آنچه اکنون در مورد نزدیک‌بینی می‌دانیم، ممکن است بینایی اکثر مردم در دوران باستان به طور قابل توجهی بهتر بوده باشد. اساس این ادعا، این یافته شگفت‌انگیز است که رشد کره چشم به شدت تحت تأثیر نور متمرکزی است که بر روی شبکیه می‌تابد. این پدیده ابتدا در میمون‌هایی که با پلک‌های بخیه زده شده پرورش داده می‌شدند، توصیف شد (همان رویکردی که برای نشان دادن اثرات محرومیت از بینایی بر اتصالات قشری در سیستم بینایی استفاده می‌شود؛ به فصل ۲۵ مراجعه کنید)، روشی که چشم را از تصاویر شبکیه‌ای متمرکز محروم می‌کند. حیواناتی که تحت این شرایط به بلوغ می‌رسند، افزایش طول کره چشم را نشان می‌دهند. به نظر می‌رسد اثر محرومیت از نور متمرکز، موضعی باشد، زیرا رشد غیرطبیعی چشم در حیوانات آزمایشگاهی حتی اگر عصب بینایی قطع شود، رخ می‌دهد. در واقع، اگر تنها بخشی از سطح شبکیه از نور متمرکز محروم شود، فقط آن ناحیه از کره چشم به طور غیرطبیعی رشد می‌کند. اگرچه مکانیسم کنترل رشد چشم توسط نور هنوز مشخص نیست، بسیاری از کارشناسان معتقدند که شیوع امروزی نزدیک‌بینی ممکن است به دلیل برخی از جنبه‌های تمدن مدرن باشد – شاید یادگیری خواندن و نوشتن در سنین پایین که با کنترل بازخورد طبیعی بینایی بر رشد چشم تداخل دارد و منجر به افزایش غیرطبیعی طول کره چشم می‌شود.

Even people with normal (emmetropic) vision as young adults eventually experience difficulty focusing on near objects. One of the many consequences of aging is that the lens loses its elasticity: as a result, the maximum curvature the lens can achieve when the ciliary muscle contracts is gradually reduced. The near point (the closest point that can be brought into clear focus) thus recedes, and objects (such this book) must be held farther and farther away from the eye in order to focus them on the retina. At some point, usually during early middle age, the accommodative ability of the eye is so reduced that near vision tasks such as reading become difficult or impossible (Figure D). This condition is referred to as presbyopia. Presybyopia can be corrected by convex lenses for nearvision tasks, or by bifocal lenses if myopia (a circumstance that requires a negative correction) is also present. Replacement with an artificial lens after cataract removal also solves this problem.

حتی افرادی که در سنین جوانی دید طبیعی (امتروپیک) دارند، در نهایت در تمرکز روی اشیاء نزدیک دچار مشکل می‌شوند. یکی از پیامدهای متعدد پیری این است که عدسی خاصیت ارتجاعی خود را از دست می‌دهد: در نتیجه، حداکثر انحنایی که عدسی می‌تواند هنگام انقباض عضله مژگانی به دست آورد، به تدریج کاهش می‌یابد. بنابراین نقطه نزدیک (نزدیک‌ترین نقطه‌ای که می‌توان آن را به وضوح دید) عقب می‌رود و اشیاء (مانند این کتاب) باید دورتر و دورتر از چشم نگه داشته شوند تا روی شبکیه متمرکز شوند. در مقطعی، معمولاً در اوایل میانسالی، توانایی تطابق چشم آنقدر کاهش می‌یابد که انجام کارهای نزدیک‌بینی مانند خواندن دشوار یا غیرممکن می‌شود (شکل D). این وضعیت پیرچشمی نامیده می‌شود. پیرچشمی را می‌توان با لنزهای محدب برای کارهای نزدیک‌بینی یا با لنزهای دوکانونی در صورت وجود نزدیک‌بینی (وضعیتی که نیاز به اصلاح منفی دارد) اصلاح کرد. جایگزینی با لنز مصنوعی پس از برداشتن آب مروارید نیز این مشکل را حل می‌کند.

Refractive errors. (A) In the normal eye, with ciliary muscles relaxed, an image of a distant object is focused on the retina. (B) In myopia, light rays are focused in front of the retina. (C) In hyperopia, images are focused at a point beyond the retina.

خطاهای انکساری. (الف) در چشم طبیعی، با شل شدن عضلات مژگانی، تصویر یک جسم دور روی شبکیه متمرکز می‌شود. (ب) در نزدیک‌بینی، پرتوهای نور در جلوی شبکیه متمرکز می‌شوند. (ج) در دوربینی، تصاویر در نقطه‌ای فراتر از شبکیه متمرکز می‌شوند.

(D) Changes in the ability of the lens to round up (accommodate) with age. The graph also shows how the near point (the closest point to the eye that can be brought into focus) changes. Accommodation, which is an optical measurement of the refractive power of the lens, is given in diopters. (After Westheimer, 1974.)

(د) تغییرات در توانایی عدسی برای گرد کردن (تطبیق) با افزایش سن. نمودار همچنین نشان می‌دهد که چگونه نقطه نزدیک (نزدیک‌ترین نقطه به چشم که می‌تواند در فوکوس قرار گیرد) تغییر می‌کند. تطبيق، که یک اندازه‌گیری نوری از قدرت انکساری عدسی است، بر حسب دیوپتر ارائه می‌شود. (به نقل از وستهایمر، ۱۹۷۴.)

Adjustments in the size of the pupil also contribute to the clarity of images formed on the retina. Like the images formed by other optical instruments, those generated by the eye are affected by spherical and chromatic aberrations, which tend to blur the retinal image. Since these aberrations are greatest for light rays that pass farthest from the center of the lens, narrowing the pupil reduces both spherical and chromatic aberration, just as closing the iris diaphragm on a camera lens improves the sharpness of a photographic image. Reducing the size of the pupil also increases the depth of field that is, the distance within. which objects are seen without blurring. However, a small pupil also limits the amount of light that reaches the retina, and under conditions of dim illumination, visual acuity becomes limited by the number of available photons rather than by optical aberrations. An adjustable pupil thus provides an effective means of reducing optical aberrations, while maximizing depth of field to the extent that different levels of illumination permit. The size of the pupil is controlled by innervation from both sympathetic and parasympathetic divisions of the visceral motor system, which in turn are modulated by several brainstem centers (see Chapters 20 and 21).

تنظیم اندازه مردمک نیز به وضوح تصاویر تشکیل شده روی شبکیه کمک می‌کند. مانند تصاویر تشکیل شده توسط سایر ابزارهای نوری، تصاویر تولید شده توسط چشم تحت تأثیر انحرافات کروی و رنگی قرار می‌گیرند که تمایل به تار کردن تصویر شبکیه دارند. از آنجایی که این انحرافات برای پرتوهای نوری که از مرکز لنز دورتر عبور می‌کنند، بیشترین مقدار را دارند، باریک کردن مردمک، انحرافات کروی و رنگی را کاهش می‌دهد، همانطور که بستن دیافراگم عنبیه روی لنز دوربین، وضوح تصویر عکاسی را بهبود می‌بخشد. کاهش اندازه مردمک همچنین عمق میدان، یعنی فاصله‌ای که اشیاء بدون تار شدن دیده می‌شوند را افزایش می‌دهد. با این حال، یک مردمک کوچک همچنین میزان نوری را که به شبکیه می‌رسد محدود می‌کند و در شرایط روشنایی کم، حدت بینایی به جای انحرافات نوری، توسط تعداد فوتون‌های موجود محدود می‌شود. بنابراین، یک مردمک قابل تنظیم وسیله‌ای مؤثر برای کاهش انحرافات نوری فراهم می‌کند، در حالی که عمق میدان را تا حدی که سطوح مختلف روشنایی اجازه می‌دهد، به حداکثر می‌رساند. اندازه مردمک چشم توسط عصب‌دهی از بخش‌های سمپاتیک و پاراسمپاتیک سیستم حرکتی احشایی کنترل می‌شود که به نوبه خود توسط چندین مرکز ساقه مغز تنظیم می‌شوند (به فصل‌های 20 و 21 مراجعه کنید).

The Retinal Surface

Using an ophthalmoscope, the surface of the retina, called the fundus, can be visualized through the pupil (Figure 11.3). Numerous blood vessels, both arteries and veins, fan out over the inner surface of the retina. These blood vessels arise from the ophthalmic artery and vein, which enter or leave the eye through a whitish circular area known as the optic disk, or optic papilla. The optic disk is also where retinal axons leave the eye to reach targets in the thalamus and midbrain via the optic nerve. This region of the retina contains no photoreceptors and, because it is insensitive to light, produces the perceptual phenomenon known as the “blind spot.” It is logical to suppose that a visual field defect, or scotoma, would be seen. A scotoma, however, often goes unnoticed. In fact, all of us have a physiological scotoma, i.e., the blind spot. To find the blind spot of right eye cover the left eye and fixate on a small mark made on left side of a sheet of paper. Then, without breaking fixation on the mark, move the tip of a pencil slowly toward it from the right side of the page. At some point about the middle of the sheet, the tip (indeed, the whole end) of the pencil will disappear. With both eyes open, information about the corresponding region of visual space is available from the temporal retina of the other eye. But this does not explain why the blind spot remains undetected with one eye closed. When the world is viewed monocularly, the visual system simply “fills in” the missing part of the scene. To observe filling in, notice what happens when the pencil lies across the optic disk representation, at about 5-8° in diameter remarkably, it looks complete. 

سطح شبکیه

با استفاده از افتالموسکوپ، سطح شبکیه که فوندوس نامیده می‌شود، می‌تواند از طریق مردمک چشم قابل مشاهده باشد (شکل 11.3). رگ‌های خونی متعددی، چه شریان‌ها و چه وریدها، روی سطح داخلی شبکیه پخش شده‌اند. این رگ‌های خونی از شریان و ورید چشمی منشأ می‌گیرند که از طریق یک ناحیه دایره‌ای سفید رنگ به نام دیسک بینایی یا پاپیلای بینایی وارد چشم می‌شوند یا از آن خارج می‌شوند. دیسک بینایی همچنین جایی است که آکسون‌های شبکیه از چشم خارج می‌شوند تا از طریق عصب بینایی به اهدافی در تالاموس و مغز میانی برسند. این ناحیه از شبکیه حاوی هیچ گیرنده نوری نیست و به دلیل عدم حساسیت به نور، پدیده ادراکی معروف به “نقطه کور” را ایجاد می‌کند. منطقی است که فرض کنیم یک نقص میدان بینایی یا اسکوتوم دیده می‌شود. با این حال، اسکوتوم اغلب مورد توجه قرار نمی‌گیرد. در واقع، همه ما یک اسکوتوم فیزیولوژیکی داریم، یعنی نقطه کور. برای پیدا کردن نقطه کور چشم راست، چشم چپ را بپوشانید و روی یک علامت کوچک که در سمت چپ یک ورق کاغذ ایجاد شده است، تمرکز کنید. سپس، بدون اینکه تمرکز خود را روی علامت قطع کنید، نوک مداد را به آرامی از سمت راست صفحه به سمت آن حرکت دهید. در نقطه‌ای تقریباً در وسط ورق، نوک (در واقع، کل انتهای) مداد ناپدید می‌شود. با باز بودن هر دو چشم، اطلاعات مربوط به ناحیه مربوطه از فضای بصری از شبکیه گیجگاهی چشم دیگر در دسترس است. اما این توضیح نمی‌دهد که چرا نقطه کور با یک چشم بسته ناشناخته می‌ماند. وقتی جهان به صورت تک چشمی دیده می‌شود، سیستم بینایی به سادگی قسمت گمشده صحنه را “پر” می‌کند. برای مشاهده پر کردن، توجه کنید که وقتی مداد در مقابل دیسک بینایی قرار می‌گیرد، چه اتفاقی می‌افتد، به طرز چشمگیری، کامل به نظر می‌رسد.

FIGURE 11.3 The inner surface of the retina, viewed with an ophthalmoscope. The optic disk is the region where the ganglion cell axons leave the retina to form the optic nerve; it is also characterized by the entrance and exit, respectively, of the ophthalmic arteries and veins that supply the retina. The macula lutea can be seen at the center of the optical axis (the optic disk lies nasally); the macula is the region of the retina that has the highest visual acuity. The fovea is a depression, or pit, about 1.5 mm in diameter that lies at the center of the macula. (Courtesy of National Eye Institute, National Insitutes of Health.)

شکل۱۱.۳ سطح داخلی شبکیه، مشاهده شده با افتالموسکوپ. دیسک بینایی ناحیه‌ای است که آکسون‌های سلول‌های گانگلیونی از شبکیه خارج می‌شوند تا عصب بینایی را تشکیل دهند. همچنین با ورود و خروج به ترتیب شریان‌ها و وریدهای چشمی که شبکیه را تغذیه می‌کنند، مشخص می‌شود. ماکولا لوتئا را می‌توان در مرکز محور نوری مشاهده کرد (دیسک بینایی در قسمت بینی قرار دارد)؛ ماکولا ناحیه‌ای از شبکیه است که بالاترین حدت بینایی را دارد. فووآ یک فرورفتگی یا گودال با قطر حدود 1.5 میلی‌متر است که در مرکز ماکولا قرار دارد. (با احترام از موسسه ملی چشم، موسسات ملی بهداشت.)

In addition to being a conspicuous retinal landmark, the appearance of the optic disk provides a useful gauge of intracranial pressure. The subarachnoid space surrounding the optic nerve is continuous with that of the brain; as a result, increases in intracranial pressure a sign of serious neurological problems such as space-occupying lesions or brain swelling due to trauma can be detected as a protuberance of the optic disk.

علاوه بر اینکه دیسک بینایی یک نقطه عطف قابل توجه در شبکیه است، ظاهر آن معیار مفیدی برای اندازه‌گیری فشار داخل جمجمه فراهم می‌کند. فضای زیر عنکبوتیه اطراف عصب بینایی با فضای مغز در ارتباط است؛ در نتیجه، افزایش فشار داخل جمجمه، که نشانه‌ای از مشکلات جدی عصبی مانند ضایعات فضاگیر یا تورم مغز ناشی از ضربه است، می‌تواند به صورت برآمدگی دیسک بینایی تشخیص داده شود.

Another prominent feature of the fundus is the maculalutea, a circular region containing yellow pigment (xanthophyll) roughly 3 mm in diameter that is located near the center of the retina. The macula is the region of the retina that supports high visual acuity (the ability to resolve fine details). Acuity is greatest at the center of the macula, a small depression or pit in the retina called the fovea. The pigment xanthophyll has a protective role, filtering ultraviolet wavelengths that could be harmful to the photoreceptors. Damage to this region of the retina, as occurs in agerelated macular degeneration, has a devastating impact on visual perception (Clinical Applications).

یکی دیگر از ویژگی‌های برجسته فوندوس، ماکولا لوتئا است، ناحیه‌ای دایره‌ای حاوی رنگدانه زرد (گزانتوفیل) با قطر تقریباً ۳ میلی‌متر که در نزدیکی مرکز شبکیه قرار دارد. ماکولا ناحیه‌ای از شبکیه است که از حدت بینایی بالا (توانایی تشخیص جزئیات دقیق) پشتیبانی می‌کند. حدت بینایی در مرکز ماکولا، یک فرورفتگی یا گودال کوچک در شبکیه به نام فووآ، بیشترین مقدار را دارد. رنگدانه زانتوفیل نقش محافظتی دارد و طول موج‌های فرابنفش را که می‌توانند برای گیرنده‌های نوری مضر باشند، فیلتر می‌کند. آسیب به این ناحیه از شبکیه، همانطور که در دژنراسیون ماکولا وابسته به سن رخ می‌دهد، تأثیر مخربی بر ادراک بصری دارد (کاربردهای بالینی).

CLINICAL APPLICATIONS

Macular Degeneration

An estimated 6 million people in the United States suffer from a condition known agerelated macular degeneration (AMD), which causes a progressive loss of central vision. Because central vision is critical for sight, diseases that affect the macula (see Figure 11.1) severely limit a person’s ability to perform visual tasks. Indeed, in the United States, AMD is the most common cause of vision loss in people over age 55, and its incidence is rising as the population ages.

کاربردهای بالینی

دژنراسیون ماکولا

تخمین زده می‌شود که 6 میلیون نفر در ایالات متحده از بیماری شناخته شده به نام دژنراسیون ماکولا وابسته به سن (AMD) رنج می‌برند که باعث از دست دادن تدریجی دید مرکزی می‌شود. از آنجا که دید مرکزی برای بینایی حیاتی است، بیماری‌هایی که ماکولا را تحت تأثیر قرار می‌دهند (شکل 11.1 را ببینید) توانایی فرد را در انجام کارهای بصری به شدت محدود می‌کنند. در واقع، در ایالات متحده، AMD شایع‌ترین علت از دست دادن بینایی در افراد بالای 55 سال است و میزان بروز آن با افزایش سن جمعیت در حال افزایش است.

The underlying problem, which remains poorly understood, is degeneration of the photoreceptors. Usually, patients first notice a blurring of central vision when performing tasks such as reading. Images may also appear distorted. A chart known as the Amsler grid is used as a simple test for early signs of AMD. By focusing on a marked spot in the middle of the grid (which resembles a piece of graph paper), the patient can assess whether the parallel and perpendicular lines on the grid appear blurred or distorted. Blurred central vision often progresses to having blind spots within central vision, and in most cases both eyes are eventually involved.

مشکل اساسی که هنوز به خوبی درک نشده است، تخریب گیرنده‌های نوری است. معمولاً بیماران ابتدا هنگام انجام کارهایی مانند خواندن متوجه تاری دید مرکزی می‌شوند. تصاویر همچنین ممکن است تحریف شده به نظر برسند. نموداری که به عنوان شبکه آمسلر شناخته می‌شود، به عنوان یک آزمایش ساده برای علائم اولیه AMD استفاده می‌شود. با تمرکز روی یک نقطه مشخص در وسط شبکه (که شبیه یک تکه کاغذ شطرنجی است)، بیمار می‌تواند ارزیابی کند که آیا خطوط موازی و عمود بر روی شبکه تار یا تحریف شده به نظر می‌رسند یا خیر. تاری دید مرکزی اغلب به ایجاد نقاط کور در دید مرکزی منجر می‌شود و در بیشتر موارد در نهایت هر دو چشم درگیر می‌شوند.

Although the risk of developing AMD clearly increases with age, the causes of the disease are not known. Various studies have implicated hereditary factors, cardiovascular disease, environmental factors such as smoking and light exposure, and nutritional causes. Indeed, it may be that all these contribute to the risk of developing AMD.

اگرچه خطر ابتلا به AMD به وضوح با افزایش سن افزایش می‌یابد، اما علل این بیماری مشخص نیست. مطالعات مختلف عوامل ارثی، بیماری‌های قلبی عروقی، عوامل محیطی مانند سیگار کشیدن و قرار گرفتن در معرض نور و علل تغذیه‌ای را دخیل دانسته‌اند. در واقع، ممکن است همه اینها در خطر ابتلا به AMD نقش داشته باشند.

In descriptive terms, macular degeneration is broadly divided into two types. In the exudative-neovascular form, or “wet” AMD, which accounts for 10% of all cases, abnormal blood vessel growth occurs under the macula. These blood vessels leak fluid and blood into the retina and cause damage to the photoreceptors. Wet AMD tends to progress rapidly and can cause severe damage; rapid loss of central vision may occur over just a few months. The treatment for this form of the disease is laser therapy. By transferring thermal energy, the laser beam destroys the leaky blood vessels under the macula, thus slowing the rate of vision loss. A dis- advantage of this approach is that the high thermal energy delivered by the beam also destroys nearby healthy tissue. An improvement in the laser treatment of AMD involves a light-activated drug target abnormal blood vessels. Once the drug is administered, relatively low-energy laser pulses aimed at the abnormal blood vessels are delivered to stimulate the drug, which in turn destroys the abnormal blood vessels with minimal damage to the surrounding tissue.

از نظر توصیفی، دژنراسیون ماکولا به طور کلی به دو نوع تقسیم می‌شود. در نوع اگزوداتیو-نئوواسکولار یا AMD “مرطوب” که 10٪ از کل موارد را تشکیل می‌دهد، رشد رگ‌های خونی غیرطبیعی در زیر ماکولا رخ می‌دهد. این رگ‌های خونی مایع و خون را به شبکیه نشت می‌دهند و باعث آسیب به گیرنده‌های نوری می‌شوند. AMD مرطوب تمایل به پیشرفت سریع دارد و می‌تواند باعث آسیب شدید شود. از دست دادن سریع دید مرکزی ممکن است تنها در عرض چند ماه رخ دهد. درمان این نوع بیماری لیزر درمانی است. با انتقال انرژی حرارتی، پرتو لیزر رگ‌های خونی نشت کننده زیر ماکولا را از بین می‌برد و در نتیجه سرعت از دست دادن بینایی را کاهش می‌دهد. یکی از معایب این رویکرد این است که انرژی حرارتی بالای منتقل شده توسط پرتو، بافت سالم مجاور را نیز از بین می‌برد. پیشرفت در درمان لیزری AMD شامل دارویی است که با نور فعال می‌شود و رگ‌های خونی غیرطبیعی را هدف قرار می‌دهد. پس از تجویز دارو، پالس‌های لیزر نسبتاً کم انرژی که به سمت رگ‌های خونی غیرطبیعی هدایت می‌شوند، برای تحریک دارو ارسال می‌شوند که به نوبه خود رگ‌های خونی غیرطبیعی را با حداقل آسیب به بافت اطراف از بین می‌برد.

The remaining 90% of AMD cases are the nonexudative, or “dry,” form. These patients experience a gradual disappearance of the retinal pigment epithelium, resulting in circumscribed areas of atrophy. Since photoreceptor loss follows the disappearance of the pigment epithelium, the affected retinal areas have little or no visual function. Vision loss from dry AMD occurs more gradually, typically over the course of many years. These patients usually retain some central vision, although the loss can be severe enough to compromise performance of tasks that require seeing details. Unfortunately, the present time there is no treatment for dry AMD. A radical and quite fascinating new approach that offers some promise entails surgically repositioning the retina away from the abnormal area.

۹۰٪ موارد باقی‌مانده AMD، نوع غیر اگزوداتیو یا “خشک” هستند. این بیماران ناپدید شدن تدریجی اپیتلیوم رنگدانه شبکیه را تجربه می‌کنند که منجر به نواحی آتروفی شده و محدود می‌شود. از آنجایی که از بین رفتن گیرنده‌های نوری پس از ناپدید شدن اپیتلیوم رنگدانه رخ می‌دهد، نواحی شبکیه آسیب‌دیده عملکرد بینایی کمی دارند یا اصلاً عملکرد بینایی ندارند. از دست دادن بینایی ناشی از AMD خشک به تدریج و معمولاً در طول سال‌های متمادی رخ می‌دهد. این بیماران معمولاً مقداری از بینایی مرکزی خود را حفظ می‌کنند، اگرچه این از دست دادن بینایی می‌تواند به اندازه‌ای شدید باشد که انجام وظایفی که نیاز به دیدن جزئیات دارند را به خطر بیندازد. متأسفانه، در حال حاضر هیچ درمانی برای AMD خشک وجود ندارد. یک رویکرد جدید رادیکال و کاملاً جذاب که نویدبخش است، مستلزم جابجایی جراحی شبکیه از ناحیه غیرطبیعی است.

Occasionally, macular degeneration occurs in much younger individuals. Many of these cases are caused by a number of distinct genetic mutations, each with its own clinical manifestations. The most common form of juvenile macular degeneration is known as Stargardt disease, which is inherited as an autosomal recessive. Patients are usually diagnosed before they reach the age of 20. Although the progression of vision loss is variable, most of these patients are legally blind by age 50. Mutations that cause Stargardt disease have been identified in the ABCR gene, which codes for a protein that transports retinoids across the photoreceptor membrane. It may be that the abnormal gene encodes dysfunctional proteins, thereby disrupting the visual cycle of photopigment regeneration (see Figure 11.6). Interestingly, the ABCR gene is expressed only in rods, suggesting that the cones may have their own visual cycle enzymes.

گاهی اوقات، دژنراسیون ماکولا در افراد بسیار جوان‌تر رخ می‌دهد. بسیاری از این موارد ناشی از تعدادی جهش ژنتیکی متمایز است که هر کدام تظاهرات بالینی خاص خود را دارند. شایع‌ترین شکل دژنراسیون ماکولا در نوجوانان، بیماری استارگارت نام دارد که به صورت اتوزومال مغلوب به ارث می‌رسد. بیماران معمولاً قبل از رسیدن به سن 20 سالگی تشخیص داده می‌شوند. اگرچه پیشرفت از دست دادن بینایی متغیر است، اما اکثر این بیماران تا سن 50 سالگی از نظر قانونی نابینا هستند. جهش‌هایی که باعث بیماری استارگارت می‌شوند در ژن ABCR شناسایی شده‌اند که پروتئینی را کد می‌کند که رتینوئیدها را از طریق غشای گیرنده نوری منتقل می‌کند. ممکن است این ژن غیرطبیعی، پروتئین‌های ناکارآمد را کد کند و در نتیجه چرخه بینایی بازسازی رنگدانه‌های نوری را مختل کند (شکل 11.6 را ببینید). جالب توجه است که ژن ABCR فقط در سلول‌های استوانه‌ای بیان می‌شود، که نشان می‌دهد سلول‌های مخروطی ممکن است آنزیم‌های چرخه بینایی خود را داشته باشند.

In sporadic forms of AMD, DNA sequence variation in two genes involved in the complement cascade factor B and factor H have been identified as risk factors, thereby implicating the complement cascade as a potential therapeutic target for some forms of AMD.

در اشکال پراکنده AMD، تغییر توالی DNA در دو ژن دخیل در آبشار کمپلمان – فاکتور B و فاکتور H  به عنوان عوامل خطر شناسایی شده‌اند، در نتیجه آبشار کمپلمان به عنوان یک هدف درمانی بالقوه برای برخی از اشکال AMD مطرح می‌شود.

Note: The Foundation Fighting Blindness of Hunt Valley, MD, maintains a web site that provides updated information about many forms of retinal degeneration (www.blindness.org). RetNet provides updated information, including references to original articles, on genes and mutations associated with retinal diseases (www.sph.uth.tmc.edu/RetNet).

توجه: بنیاد مبارزه با نابینایی هانت ولی، مریلند، وب‌سایتی دارد که اطلاعات به‌روز شده‌ای در مورد بسیاری از اشکال دژنراسیون شبکیه ارائه می‌دهد (www.blindness.org). RetNet اطلاعات به‌روز شده‌ای، از جمله ارجاع به مقالات اصلی، در مورد ژن‌ها و جهش‌های مرتبط با بیماری‌های شبکیه ارائه می‌دهد (www.sph.uth.tmc.edu/RetNet).

FIGURE 11.4 Development of the human eye. (A) The retina develops as an outpocketing from the neural tube, called the optic vesicle. (B) The optic vesicle invaginates to form the optic cup. (C,D) The inner wall of the optic cup becomes the neural retina, while the outer wall becomes the pigment epithelium. (A-C from Hilfer and Yang, 1980; D courtesy of K. Tosney.)

شکل ۱۱.۴ رشد چشم انسان. (الف) شبکیه به صورت یک برآمدگی از لوله عصبی به نام کیسه بینایی رشد می‌کند. (ب) کیسه بینایی به داخل فرو می‌رود تا جام بینایی را تشکیل دهد. (ج، د) دیواره داخلی جام بینایی به شبکیه عصبی تبدیل می‌شود، در حالی که دیواره خارجی به اپیتلیوم رنگدانه‌ای تبدیل می‌شود. (الف-ج از هیلفر و یانگ، ۱۹۸۰؛ د با اجازه کی. توسنی.)

Retinal Circuitry

Despite its peripheral location, the retina, which is the neural portion of the eye, is actually part of the central nervous system. During development, the retina forms as an outpocketing of the diencephalon called the optic vesicle (Figure 11.4). Consistent with its status as a full fledged part of the central nervous system, the retina exhibits complex neural circuitry that converts the graded electrical activity of specialized photosensitive neurons the photoreceptors into action potentials that travel to central targets via axons in the optic nerve. Although it has the same types of functional elements and neurotransmitters found in other parts of the central nervous system, the retina comprises fewer broad classes of neurons, and these are arranged in a manner that has been less difficult to unravel than the circuits in other areas of the brain.

مدار شبکیه

شبکیه، که بخش عصبی چشم است، با وجود موقعیت محیطی خود، در واقع بخشی از سیستم عصبی مرکزی است. در طول رشد، شبکیه به عنوان یک برآمدگی از دیانسفالون به نام وزیکول بینایی تشکیل می‌شود (شکل 11.4). شبکیه، مطابق با جایگاه خود به عنوان یک بخش کامل از سیستم عصبی مرکزی، مدار عصبی پیچیده‌ای را نشان می‌دهد که فعالیت الکتریکی درجه‌بندی شده نورون‌های حساس به نور تخصصی – گیرنده‌های نوری – را به پتانسیل‌های عملی تبدیل می‌کند که از طریق آکسون‌ها در عصب بینایی به اهداف مرکزی منتقل می‌شوند. اگرچه شبکیه همان نوع عناصر عملکردی و انتقال‌دهنده‌های عصبی موجود در سایر بخش‌های سیستم عصبی مرکزی را دارد، اما از دسته‌های گسترده کمتری از نورون‌ها تشکیل شده است و این نورون‌ها به گونه‌ای چیده شده‌اند که رمزگشایی آنها نسبت به مدارهای سایر نواحی مغز آسان‌تر بوده است.

There are five basic classes of neurons in the retina: photoreceptors, bipolar cells, ganglion cells, horizontal cells, and amacrine cells. The cell bodies and processes of these neurons are stacked in alternating layers, with the cell bodies located in the inner nuclear, outer nuclear, and ganglion cell layers, and the processes and synaptic contacts located in the inner plexiform and outer plexiform layers (Figure 11.5A,B). The photoreceptors comprise two types, rods and cones (Figure 11.5B,C). Both types have an outer segment adjacent to the pigment epithelium that contains membranous disks with light-sensitive photopigment, and an inner segment that contains the cell nucleus and gives rise to synaptic terminals that contact bipolar or horizontal cells.

پنج دسته اصلی نورون در شبکیه وجود دارد: گیرنده‌های نوری، سلول‌های دوقطبی، سلول‌های گانگلیونی، سلول‌های افقی و سلول‌های آماکرین. جسم سلولی و زوائد این نورون‌ها در لایه‌های متناوب روی هم قرار گرفته‌اند، به طوری که اجسام سلولی در لایه‌های هسته‌ای داخلی، هسته‌ای خارجی و سلول‌های گانگلیونی و زوائد و تماس‌های سیناپسی در لایه‌های شبکه‌ای داخلی و شبکه‌ای خارجی قرار دارند (شکل 11.5A، B). گیرنده‌های نوری شامل دو نوع هستند: میله‌ای و مخروطی (شکل 11.5B، C). هر دو نوع دارای یک بخش بیرونی در مجاورت اپیتلیوم رنگدانه‌ای هستند که حاوی دیسک‌های غشایی با رنگدانه نوری حساس به نور است و یک بخش داخلی که حاوی هسته سلول است و پایانه‌های سیناپسی را ایجاد می‌کند که با سلول‌های دوقطبی یا افقی تماس دارند.

A three-neuron chain photoreceptor cell to bipolar cell to ganglion cell is the most direct path of information flow from photoreceptors to the optic nerve. Absorption of light by the photopigment in the outer segment of the photoreceptors initiates a cascade of events that changes the membrane potential of the receptor, and therefore the amount of neurotransmitter released by the photoreceptor terminals. (This process, called phototransduction, is discussed later in the chapter.) The synapses between photoreceptor terminals and bipolar cells (and horizontal cells) occur in the outer plexiform layer, the cell bodies of photoreceptors making up the outer nuclear layer, and the cell bodies of bipolar cells making up the inner nuclear layer. The short axonal processes of bipolar cells make synaptic contacts in turn on the dendritic processes of ganglion cells in the inner plexiform layer. The much larger axons of the ganglion cells form the optic nerve and carry information about retinal stimulation to the rest of the central nervous system.

یک سلول گیرنده نوری زنجیره‌ای سه نورونی به سلول دوقطبی و سپس به سلول گانگلیونی – مستقیم‌ترین مسیر جریان اطلاعات از گیرنده‌های نوری به عصب بینایی است. جذب نور توسط رنگدانه نوری در بخش بیرونی گیرنده‌های نوری، آبشاری از رویدادها را آغاز می‌کند که پتانسیل غشای گیرنده و بنابراین مقدار انتقال‌دهنده عصبی آزاد شده توسط پایانه‌های گیرنده نوری را تغییر می‌دهد. (این فرآیند که انتقال نوری نامیده می‌شود، بعداً در این فصل مورد بحث قرار می‌گیرد.) سیناپس‌های بین پایانه‌های گیرنده نوری و سلول‌های دوقطبی (و سلول‌های افقی) در لایه شبکه‌ای بیرونی، اجسام سلولی گیرنده‌های نوری که لایه هسته‌ای بیرونی را تشکیل می‌دهند و اجسام سلولی سلول‌های دوقطبی که لایه هسته‌ای داخلی را تشکیل می‌دهند، رخ می‌دهند. زوائد آکسونی کوتاه سلول‌های دوقطبی به نوبه خود با زوائد دندریتی سلول‌های گانگلیونی در لایه شبکه‌ای داخلی تماس‌های سیناپسی برقرار می‌کنند. آکسون‌های بسیار بزرگتر سلول‌های گانگلیونی، عصب بینایی را تشکیل می‌دهند و اطلاعات مربوط به تحریک شبکیه را به بقیه سیستم عصبی مرکزی منتقل می‌کنند.

The two other types of neurons in the retina, horizontal cells and amacrine cells, have their cell bodies in the inner nuclear layer and have processes that are limited to the outer and inner plexiform layers, respectively (see Figure 11.5B). The processes of horizontal cells enable lateral interactions between photoreceptors and bipolar cells that maintain the visual system’s sensitivity to contrast, over a wide range of light intensities, or luminance. The processes of amacrine cells are postsynaptic to bipolar cell terminals and presynaptic to the dendrites of ganglion cells. Different subclasses of amacrine cells are thought to make distinct contributions to visual function. For example, one amacrine cell type has an obligatory role in the pathway that transmits information from rod photoreceptors to retinal ganglion cells. Another type is critical for generating the direction selective responses exhibited by a specialized subset of ganglion cells.

دو نوع دیگر نورون در شبکیه، سلول‌های افقی و سلول‌های آماکرین، جسم سلولی خود را در لایه هسته‌ای داخلی دارند و دارای زوائدی هستند که به ترتیب به لایه‌های بیرونی و داخلی شبکه‌ای محدود می‌شوند (شکل 11.5B را ببینید). زوائد سلول‌های افقی، تعاملات جانبی بین گیرنده‌های نوری و سلول‌های دوقطبی را ممکن می‌سازند که حساسیت سیستم بینایی به کنتراست را در طیف وسیعی از شدت نور یا روشنایی حفظ می‌کنند. زوائد سلول‌های آماکرین پس سیناپسی با پایانه‌های سلول‌های دوقطبی و پیش سیناپسی با دندریت‌های سلول‌های گانگلیونی هستند. تصور می‌شود زیررده‌های مختلف سلول‌های آماکرین سهم متمایزی در عملکرد بینایی دارند. به عنوان مثال، یک نوع سلول آماکرین نقش اجباری در مسیری دارد که اطلاعات را از گیرنده‌های نوری میله‌ای به سلول‌های گانگلیونی شبکیه منتقل می‌کند. نوع دیگر برای ایجاد پاسخ‌های جهت گزین که توسط یک زیرمجموعه تخصصی از سلول‌های گانگلیونی نشان داده می‌شود، حیاتی است.

The variety of amacrine cell subtypes illustrates the more general rule that, even with only five basic classes of retinal neurons, there can be considerable diversity within a given cell class. This diversity is also a hallmark of retinal ganglion cells and the basis for pathways that convey different sorts of information to central targets in a parallel manner, a topic that we consider in more detail in Chapter 12.

تنوع زیرگروه‌های سلول‌های آماکرین، این قانون کلی‌تر را نشان می‌دهد که حتی با وجود تنها پنج دسته اصلی از نورون‌های شبکیه، می‌توان تنوع قابل توجهی در یک دسته سلولی مشخص داشت. این تنوع همچنین از ویژگی‌های بارز سلول‌های گانگلیونی شبکیه و اساس مسیرهایی است که انواع مختلف اطلاعات را به صورت موازی به اهداف مرکزی منتقل می‌کنند، موضوعی که در فصل 12 با جزئیات بیشتری به آن خواهیم پرداخت.

FIGURE 11.5 Structure of the retina. (A) Section of the retina showing overall arrangement of retinal layers. (B) Diagram of the basic circuitry of the retina. A three-neuron chain photoreceptor, bipolar cell, and ganglion cell provides the most direct route for transmitting visual information to the brain. Horizontal cells and amacrine cells mediate lateral interactions in the outer and inner plexiform layers, respectively. The terms inner and outer designate relative distances from the center of the eye (inner, near the center of the eye; outer, away from the center, or toward the pigment epithelium). (C) Structural differences between rods and cones. Although generally similar in structure, rods and cones differ in their size and shape, as well as in the arrangement of the membranous disks in their outer segments.

شکل ۱۱.۵ ساختار شبکیه. (الف) برشی از شبکیه که چیدمان کلی لایه‌های شبکیه را نشان می‌دهد. (ب) نمودار مدار پایه شبکیه. یک گیرنده نوری زنجیره‌ای متشکل از سه نورون، سلول دوقطبی و سلول گانگلیونی – مستقیم‌ترین مسیر را برای انتقال اطلاعات بصری به مغز فراهم می‌کند. سلول‌های افقی و سلول‌های آماکرین به ترتیب واسطه تعاملات جانبی در لایه‌های شبکه‌ای بیرونی و داخلی هستند. اصطلاحات داخلی و خارجی فواصل نسبی از مرکز چشم را مشخص می‌کنند (داخلی، نزدیک مرکز چشم؛ خارجی، دور از مرکز یا به سمت اپیتلیوم رنگدانه). (ج) تفاوت‌های ساختاری بین میله‌ها و مخروط‌ها. اگرچه میله‌ها و مخروط‌ها به طور کلی از نظر ساختار مشابه هستند، اما از نظر اندازه و شکل و همچنین در چیدمان دیسک‌های غشایی در بخش‌های بیرونی خود متفاوت هستند.

The Pigment Epithelium

The spatial arrangement of retinal layers at first seems counterintuitive: light rays must pass through various non light sensitive elements of the retina as well as the retinal vasculature before reaching the outer segments of the photoreceptors where photons are absorbed (see Figure 11.5A,B). The reason for this curious feature of retinal organization is the special relationship that exists among the outer segments of the photoreceptors and the pigment epithelium. The cells that make up the retinal pigment epithelium have long processes that extend into the photoreceptor layer, surrounding the tips of the outer segments of each photoreceptor (Figure 11.6A).

اپیتلیوم رنگدانه‌ای

ترتیب فضایی لایه‌های شبکیه در ابتدا متناقض به نظر می‌رسد: پرتوهای نور باید قبل از رسیدن به بخش‌های بیرونی گیرنده‌های نوری که فوتون‌ها در آنجا جذب می‌شوند، از عناصر مختلف غیر حساس به نور شبکیه و همچنین عروق شبکیه عبور کنند (شکل 11.5A و B را ببینید). دلیل این ویژگی عجیب سازماندهی شبکیه، رابطه ویژه‌ای است که بین بخش‌های بیرونی گیرنده‌های نوری و اپیتلیوم رنگدانه‌ای وجود دارد. سلول‌هایی که اپیتلیوم رنگدانه‌ای شبکیه را تشکیل می‌دهند، دارای زوائد بلندی هستند که به لایه گیرنده نوری امتداد یافته و نوک بخش‌های بیرونی هر گیرنده نوری را احاطه می‌کنند (شکل 11.6A).

FIGURE 11.6 Removal of photoreceptor disks by the pigment epithelium. (A) The tips of the outer segments of photoreceptors are embedded in pigment epithelium. Epithelial cell processes extend down between the outer segments. (B) The life span of photoreceptor disks is seen in the movement of radioactively labeled amino acids injected into the inner segment and incorporated into disks. The labeled disks migrate from the inner to the outer portion of the outer segment over a 12 day period. (C) Expended disks are shed from the outer segment and phagocytosed. Photopigment from the disks enters the pigment epithelium, where it will be biochemically cycled back to “newborn” photoreceptor disks. (A after Oyster, 1999; B,C after Young, 1971.)

شکل ۱۱.۶ حذف دیسک‌های گیرنده نوری توسط اپیتلیوم رنگدانه‌ای. (الف) نوک بخش‌های بیرونی گیرنده‌های نوری در اپیتلیوم رنگدانه‌ای فرو رفته‌اند. زوائد سلول‌های اپیتلیال بین بخش‌های بیرونی امتداد می‌یابند. (ب) طول عمر دیسک‌های گیرنده نوری در حرکت اسیدهای آمینه نشاندار شده با رادیواکتیو که به بخش داخلی تزریق شده و در دیسک‌ها گنجانده شده‌اند، مشاهده می‌شود. دیسک‌های نشاندار شده طی یک دوره 12 روزه از قسمت داخلی به قسمت خارجی بخش خارجی مهاجرت می‌کنند. (ج) دیسک‌های فرسوده از بخش خارجی جدا شده و فاگوسیتوز می‌شوند. رنگدانه نوری از دیسک‌ها وارد اپیتلیوم رنگدانه‌ای می‌شود، جایی که از نظر بیوشیمیایی به دیسک‌های گیرنده نوری “نوزاد” بازگردانده می‌شود. (الف برگرفته از اویستر، 1999؛ ب، ج برگرفته از یانگ، 1971.)

The pigment epithelium plays two roles that are critical to the function of retinal photoreceptors. First, the membranous disks in the outer segment, which house the light sensitive photopigment and other proteins involved in phototransduction, have a life span of only about 12 days. New outer segment disks are continuously being formed near the base of the outer segment, while the oldest disks are removed (Figure 11.6B). During their life span, disks move progressively from the base of the outer segment to the tip, where the pigment epithelium plays an essential role in removing the expended receptor disks. This shedding involves the “pinching off” of a clump of receptor disks by the outer segment membrane of the photoreceptor. This enclosed clump of disks is then phagocytosed by the pigment epithelium (Figure 11.6C). The epithelium’s second role is to regenerate photopigment molecules after they have been exposed to light. Photopigment is cycled continuously between the outer segment of the photoreceptor and the pigment epithelium.

اپیتلیوم رنگدانه‌ای دو نقش حیاتی برای عملکرد گیرنده‌های نوری شبکیه ایفا می‌کند. اول، دیسک‌های غشایی در بخش بیرونی، که محل قرارگیری رنگدانه نوری حساس به نور و سایر پروتئین‌های دخیل در انتقال نوری هستند، تنها حدود ۱۲ روز عمر می‌کنند. دیسک‌های جدید بخش بیرونی به طور مداوم در نزدیکی پایه بخش بیرونی تشکیل می‌شوند، در حالی که قدیمی‌ترین دیسک‌ها حذف می‌شوند (شکل ۱۱.۶B). در طول عمر خود، دیسک‌ها به تدریج از پایه بخش بیرونی به سمت نوک حرکت می‌کنند، جایی که اپیتلیوم رنگدانه‌ای نقش اساسی در حذف دیسک‌های گیرنده فرسوده ایفا می‌کند. این ریزش شامل “جدا شدن” یک دسته از دیسک‌های گیرنده توسط غشای بخش بیرونی گیرنده نوری است. سپس این دسته محصور از دیسک‌ها توسط اپیتلیوم رنگدانه‌ای فاگوسیتوز می‌شود (شکل ۱۱.۶C). نقش دوم اپیتلیوم، بازسازی مولکول‌های رنگدانه نوری پس از قرار گرفتن در معرض نور است. رنگدانه نوری به طور مداوم بین بخش بیرونی گیرنده نوری و اپیتلیوم رنگدانه در گردش است.

These considerations, along with the fact that the capillaries in the choroid underlying the pigment epithelium are the primary source of nourishment for retinal photoreceptors, presumably explain why rods and cones are found in the outermost rather than the innermost layer of the retina. Indeed, disruptions in this normal relationship between the pigment epithelium and retinal photoreceptors have severe consequences for vision (Box 11B).

این ملاحظات، همراه با این واقعیت که مویرگ‌های موجود در مشیمیه که زیر اپیتلیوم رنگدانه‌ای قرار دارند، منبع اصلی تغذیه گیرنده‌های نوری شبکیه هستند، احتمالاً توضیح می‌دهند که چرا سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی در بیرونی‌ترین لایه شبکیه و نه در درونی‌ترین لایه آن یافت می‌شوند. در واقع، اختلال در این رابطه طبیعی بین اپیتلیوم رنگدانه‌ای و گیرنده‌های نوری شبکیه، عواقب شدیدی برای بینایی دارد (کادر 11B).

Phototransduction

In most sensory systems, activation of a receptor by the appropriate stimulus causes the cell membrane to depolarize, ultimately stimulating an action potential and transmitter release onto the neurons it contacts. In the retina, however, photoreceptors do not exhibit action potentials; rather, light activation causes a graded change in membrane potential and a corresponding change in the rate of transmitter release onto postsynaptic neurons. Indeed, much of the processing within the retina is mediated by graded potentials, largely because action potentials are not required to transmit information over the relatively short distances involved.

انتقال نوری

در اکثر سیستم‌های حسی، فعال شدن یک گیرنده توسط محرک مناسب باعث دپلاریزه شدن غشای سلولی می‌شود و در نهایت یک پتانسیل عمل و آزادسازی فرستنده را بر روی نورون‌هایی که با آن تماس می‌گیرند، تحریک می‌کند. با این حال، در شبکیه، گیرنده‌های نوری پتانسیل عمل نشان نمی‌دهند؛ بلکه فعال شدن نور باعث تغییر تدریجی در پتانسیل غشاء و تغییر متناظر در میزان آزادسازی فرستنده بر روی نورون‌های پس سیناپسی می‌شود. در واقع، بسیاری از پردازش‌ها در شبکیه توسط پتانسیل‌های تدریجی انجام می‌شود، عمدتاً به این دلیل که پتانسیل‌های عمل برای انتقال اطلاعات در فواصل نسبتاً کوتاه مورد نیاز نیستند.

BOX 11B Retinitis Pigmentosa

Retinitis pigmentosa (RP) refers to a heterogeneous group of heredi progressive vision loss due to a gradual degeneration of photoreceptors. An estimated 100,000 people in the United States have RP. In spite of the name, in- flammation is not a prominent part of the disease process; instead, the photoreceptor cells appear to die by apoptosis (determined by the presence of DNA fragmentation).

جعبه ۱۱ب رتینیت پیگمنتوزا

رتینیت پیگمنتوزا (RP) به گروه ناهمگنی از کاهش بینایی ارثی پیشرونده به دلیل تخریب تدریجی گیرنده‌های نوری اشاره دارد. تخمین زده می‌شود که ۱۰۰۰۰۰ نفر در ایالات متحده به RP مبتلا هستند. برخلاف نام آن، التهاب بخش برجسته‌ای از روند بیماری نیست؛ در عوض، به نظر می‌رسد سلول‌های گیرنده نوری از طریق آپوپتوز (که با وجود قطعه قطعه شدن DNA مشخص می‌شود) می‌میرند.

Classification of this group of disorders under one rubric is based on the clinical features commonly observed. The hallmarks of RP are night blindness, a reduction of peripheral vision, narrowing of the retinal vessels, and the migration of pigment from disrupted retinal pigment epithelium into the retina, forming clumps of various sizes, often next to retinal blood vessels.

طبقه‌بندی این گروه از اختلالات تحت یک عنوان، بر اساس ویژگی‌های بالینی رایج مشاهده شده است. نشانه‌های بارز RP عبارتند از شب‌کوری، کاهش دید محیطی، تنگ شدن رگ‌های شبکیه و مهاجرت رنگدانه از اپیتلیوم رنگدانه‌ای شبکیه مختل شده به شبکیه که توده‌هایی با اندازه‌های مختلف، اغلب در کنار رگ‌های خونی شبکیه، تشکیل می‌دهند.

Typically, patients first notice difficulty seeing at night due to the loss of rod photoreceptors; the remaining cone photoreceptors then become the mainstay of visual function. Over many years, the cones also degenerate, leading to a progressive loss of vision. In most RP patients, visual field defects begin in the midperiphery, between 30° and 50° from the point of foveal fixation. The defective regions gradually enlarge, leaving islands of vision in the periphery and a constricted central field a condition known as tunnel vision. When the visual field contracts to 20° or less and/or central vision is 20/200 or worse, the person is considered to be legally blind.

معمولاً بیماران ابتدا به دلیل از دست دادن گیرنده‌های نوری میله‌ای، متوجه مشکل در دید در شب می‌شوند. سپس گیرنده‌های نوری مخروطی باقی‌مانده به تکیه‌گاه اصلی عملکرد بینایی تبدیل می‌شوند. در طول سال‌های متمادی، مخروط‌ها نیز تحلیل می‌روند و منجر به از دست دادن تدریجی بینایی می‌شوند. در بیشتر بیماران RP، نقص میدان بینایی از ناحیه میانی پیرامون، بین 30 تا 50 درجه از نقطه تثبیت فووآ شروع می‌شود. نواحی معیوب به تدریج بزرگ می‌شوند و جزایر بینایی در حاشیه و میدان مرکزی محدود شده ایجاد می‌کنند، وضعیتی که به عنوان دید تونلی شناخته می‌شود. هنگامی که میدان بینایی به 20 درجه یا کمتر کاهش می‌یابد و/یا دید مرکزی 20/200 یا بدتر می‌شود، فرد از نظر قانونی نابینا در نظر گرفته می‌شود.

Inheritance patterns indicate that RP can be transmitted in an X linked (XLRP), autosomal dominant (ADRP), or recessive (ARRP) manner.

الگوهای وراثتی نشان می‌دهند که RP می‌تواند به صورت وابسته به X (XLRP)، اتوزومال غالب (ADRP) یا مغلوب (ARRP) منتقل شود.

In the United States, the percentage of these genetic types is estimated to be 9%, 16%, and 41%, respectively. When only one member of a pedigree has RP, the case is classified as “simplex,” which accounts for about a third of all cases.

در ایالات متحده، درصد این انواع ژنتیکی به ترتیب 9٪، 16٪ و 41٪ تخمین زده می‌شود. هنگامی که فقط یک عضو از یک شجره‌نامه RP داشته باشد، مورد به عنوان “سیمپلکس” طبقه‌بندی می‌شود که حدود یک سوم از کل موارد را تشکیل می‌دهد.

Among the three genetic types of RP, ADRP is the mildest. These patients often retain good central vision until they are 60 years of age or older. In contrast, patients with the XLRP form of the disease are usually legally blind by 30 to 40 years of age. However, the severity and age of onset of the symptoms varies greatly among patients with the same type of RP, and even within the same family (when, presumably, all the affected members have the same genetic mutation).

در میان سه نوع ژنتیکی RP، ADRP خفیف‌ترین نوع است. این بیماران اغلب تا 60 سالگی یا بیشتر، بینایی مرکزی خوبی را حفظ می‌کنند. در مقابل، بیماران مبتلا به نوع XLRP این بیماری معمولاً از نظر قانونی در سن 30 تا 40 سالگی نابینا می‌شوند. با این حال، شدت و سن شروع علائم در بین بیماران با همان نوع RP و حتی در یک خانواده (زمانی که احتمالاً همه اعضای مبتلا جهش ژنتیکی یکسانی دارند) بسیار متفاوت است.

To date, RP-inducing mutations of 30 genes have been identified. Many of these genes encode photoreceptor specific proteins, several being associated with phototransduction in the rods. Among the latter are genes for rhodopsin, subunits of the cGMP phosphodiesterase, and the cGMPgated channel. Multiple mutations have been found in each of these cloned genes. For example, in the case of the rhodopsin gene, 90 different mutations have been identified among ADRP patients.

تا به امروز، جهش‌های القاکننده‌ی RP در 30 ژن شناسایی شده‌اند. بسیاری از این ژن‌ها پروتئین‌های خاص گیرنده‌ی نوری را رمزگذاری می‌کنند که چندین مورد از آن‌ها با انتقال نوری در سلول‌های استوانه‌ای مرتبط هستند. در میان ژن‌های اخیر، ژن‌های رودوپسین، زیر واحدهای فسفودی‌استراز cGMP و کانال cGMPgated وجود دارد. جهش‌های متعددی در هر یک از این ژن‌های کلون شده یافت شده است. به عنوان مثال، در مورد ژن رودوپسین، 90 جهش مختلف در بین بیماران ADRP شناسایی شده است.

The heterogeneity of RP at all levels, from genetic mutations to clinical symptoms, has important implications for understanding its pathogenesis and for designing therapies. Given the complex molecular etiology of RP, it is unlikely that a single cellular mechanism will explain all cases. Regardless of the specific mutation or causal sequence, the vision loss that is most critical is the result of gradual degeneration of cones. But in many cases, the RP-causing mutation affects proteins that are not even expressed in the cones the prime example is the rod-specific visual pigment rhodopsin and the loss of cones may be an indirect result of a rod-specific mutation. Identifying the cellular mechanisms that directly cause cone degeneration should lead to a better understanding of this pathology.

ناهمگونی RP در تمام سطوح، از جهش‌های ژنتیکی گرفته تا علائم بالینی، پیامدهای مهمی برای درک پاتوژنز آن و طراحی درمان‌ها دارد. با توجه به علت‌شناسی مولکولی پیچیده‌ی RP، بعید است که یک مکانیسم سلولی واحد بتواند همه موارد را توضیح دهد. صرف نظر از جهش خاص یا توالی سببی، از دست دادن بینایی که از همه مهم‌تر است، نتیجه‌ی انحطاط تدریجی سلول‌های مخروطی است. اما در بسیاری از موارد، جهش ایجادکننده RP بر پروتئین‌هایی تأثیر می‌گذارد که حتی در مخروط‌ها بیان نمی‌شوند. مثال بارز آن، رنگدانه بینایی مخصوص سلول‌های استوانه‌ای، رودوپسین، است و از بین رفتن مخروط‌ها ممکن است نتیجه غیرمستقیم جهش مخصوص سلول‌های استوانه‌ای باشد. شناسایی مکانیسم‌های سلولی که مستقیماً باعث تخریب مخروط‌ها می‌شوند، باید به درک بهتر این آسیب‌شناسی منجر شود.

Characteristic appearance of the retina in patients with retinitis pigmentosa. Note the dark clumps of pigment that are the hallmark of this disorder. (Photo © 2006 C. Hamel.)

ظاهر مشخصه شبکیه در بیماران مبتلا به رتینیت پیگمنتوزا. به توده‌های تیره رنگدانه که مشخصه این اختلال هستند توجه کنید. (عکس © 2006 C. Hamel.)

Note: The Foundation Fighting Blindness of Hunt Valley, MĎ, maintains a website that provides updated information about many forms of retinal degeneration (www.blindness. org). RetNet provides updated information, including references to original articles, on genes and mutations associated with retinal diseases (www. sph.uth.tmc.edu/RetNet).

توجه: بنیاد مبارزه با نابینایی هانت ولی، میسیسیپی، وب‌سایتی دارد که اطلاعات به‌روزی در مورد انواع مختلف دژنراسیون شبکیه ارائه می‌دهد (www.blindness.org). RetNet اطلاعات به‌روزی، از جمله ارجاع به مقالات اصلی، در مورد ژن‌ها و جهش‌های مرتبط با بیماری‌های شبکیه ارائه می‌دهد (www.sph.uth.tmc.edu/RetNet).

Perhaps even more surprising is that shining light on a photoreceptor, either a rod or a cone, leads to membrane
hyperpolarization rather than depolarization (Figure 11.7). In the dark, the receptor is in a depolarized state, with a membrane potential of roughly -40 mV (including those portions of the cell that release transmitters). Progressive increases in the intensity of illumination cause the potential across the receptor membrane to become more negative, a response that saturates when the membrane potential reaches about -65 mV. Although the direction of the potential change may seem odd, the only logical requirement for subsequent visual processing is a consistent relationship between luminance changes and the rate of transmitter release from the photoreceptor terminals. As in other nerve cells, transmitter release from the synaptic terminals of the photoreceptor is dependent on voltagesensitive Ca²⁺ channels in the terminal membrane. Thus, in the dark, when photoreceptors are relatively depolarized, the number of open Ca²⁺ channels in the synaptic terminal is high, and the rate of transmitter release is correspondingly great; in the light, when receptors are hyperpolarized, the number of open Ca²⁺ channels is reduced, and the rate of transmitter release is also reduced. The reason for this unusual arrangement compared with that in other sensory receptor cells is not known, but it may have to do with the challenge of responding to both increases and decreases of luminance (see below). 

شاید حتی تعجب‌آورتر این باشد که تاباندن نور به یک گیرنده نوری، چه میله‌ای و چه مخروطی، منجر به بیش‌قطبی شدن غشاء می‌شود نه دپلاریزاسیون (شکل 11.7). در تاریکی، گیرنده در حالت دپلاریزه قرار دارد و پتانسیل غشاء آن تقریباً 40- میلی‌ولت است (شامل آن بخش‌هایی از سلول که فرستنده‌ها را آزاد می‌کنند). افزایش تدریجی شدت روشنایی باعث می‌شود که پتانسیل در سراسر غشای گیرنده منفی‌تر شود، پاسخی که وقتی پتانسیل غشاء به حدود 65- میلی‌ولت می‌رسد، اشباع می‌شود. اگرچه جهت تغییر پتانسیل ممکن است عجیب به نظر برسد، تنها الزام منطقی برای پردازش بصری بعدی، رابطه‌ای ثابت بین تغییرات روشنایی و میزان آزاد شدن فرستنده از پایانه‌های گیرنده نوری است. مانند سایر سلول‌های عصبی، آزاد شدن فرستنده از پایانه‌های سیناپسی گیرنده نوری به کانال‌های ⁺Ca² حساس به ولتاژ در غشای انتهایی وابسته است. بنابراین، در تاریکی، هنگامی که گیرنده‌های نوری نسبتاً دپلاریزه می‌شوند، تعداد کانال‌های ⁺Ca² باز در پایانه سیناپسی زیاد است و میزان آزاد شدن فرستنده نیز به همان نسبت زیاد است. در نور، وقتی گیرنده‌ها بیش‌قطبی می‌شوند، تعداد کانال‌های باز⁺Ca² کاهش می‌یابد و سرعت آزادسازی فرستنده نیز کم می‌شود. دلیل این آرایش غیرمعمول در مقایسه با سایر سلول‌های گیرنده حسی مشخص نیست، اما ممکن است به چالش پاسخ به افزایش و کاهش روشنایی مربوط باشد (به زیر مراجعه کنید).

FIGURE 11.7 Hyperpolarization of a photoreceptor. This intracellular recording is from a single cone stimulated with different amounts of light (the cone has been taken from a turtle retina, which accounts for the relatively long time course of the response). Each trace represents the response to a brief flash that was varied in intensity. At the highest light levels, the response amplitude saturates (at about -65 mV). The hyperpolarizing response is characteristic of vertebrate photoreceptors. (After Baylor, 1987.)

شکل ۱۱.۷ هایپرپلاریزاسیون یک گیرنده نوری. این ثبت درون سلولی از یک مخروط منفرد تحریک شده با مقادیر مختلف نور است (مخروط از شبکیه لاک‌پشت گرفته شده است که دوره زمانی نسبتاً طولانی پاسخ را توضیح می‌دهد). هر رد، پاسخ به یک فلاش کوتاه را نشان می‌دهد که شدت آن متغیر بوده است. در بالاترین سطوح نور، دامنه پاسخ اشباع می‌شود (در حدود -۶۵ میلی‌ولت). پاسخ هایپرپلاریزاسیون مشخصه گیرنده‌های نوری مهره‌داران است. (بعد از بیلور، ۱۹۸۷.)

FIGURE 11.8 Cyclic GMP gated channels and light-induced changes in the electrical activity of photoreceptors. This simplified diagram shows a rod, but the same scheme applies to cones. (A) In the dark, cGMP levels in the outer segment membrane are high; cGMP binds to the Nat permeable channels in the membrane, keeping them open and allowing sodium and other cations to enter, thus depolarizing the cell. (B) Absorption of photons leads to a decrease in cGMP levels, closing the cation channels and resulting in receptor hyperpolarization.

شکل ۱۱.۸ کانال‌های دریچه‌دار حلقوی GMP و تغییرات ناشی از نور در فعالیت الکتریکی گیرنده‌های نوری. این نمودار ساده‌شده یک میله را نشان می‌دهد، اما همین طرح برای مخروط‌ها نیز صدق می‌کند. (الف) در تاریکی، سطح cGMP در غشای بخش بیرونی بالا است؛ cGMP به کانال‌های نفوذپذیر به Nat در غشا متصل می‌شود و آنها را باز نگه می‌دارد و به سدیم و سایر کاتیون‌ها اجازه ورود می‌دهد و در نتیجه سلول را دپلاریزه می‌کند. (ب) جذب فوتون‌ها منجر به کاهش سطح cGMP، بسته شدن کانال‌های کاتیونی و در نتیجه هایپرپلاریزاسیون گیرنده می‌شود.

In the dark, cations (both Nat and Ca²⁺) flow into the outer segment through membrane channels that are gated by the nucleotide cyclic guanosine monophosphate (cGMP) similar to other second messenger systems (see Chapter 7). This inward current is opposed by an outward current that is mediated by potassium selective channels in the inner segment. Thus, the depolarized state of the photoreceptor in the dark reflects the net contribution of Nat and Ca²⁺ influx, which acts to depolarize the cell, and K⁺ efflux, which acts to hyper polarize the cell (Figure 11.8A). Absorption of light by the photoreceptor reduces the concentration of cGMP in the outer segment, leading in turn to a closure of the cGMP gated channels in the outer segment membrane and, consequently, a reduction in the inward flow of Nat and Ca²⁺. As a result, positive charge (carried by K⁺) flows out of the cell more rapidly than positive charge (carried by Nat and Ca²⁺) flows in, and the cell becomes hyperpolarized (Figure 11.8B).

در تاریکی، کاتیون‌ها (هم Nat و هم⁺Ca²) از طریق کانال‌های غشایی که توسط نوکلئوتید مونوفسفات گوانوزین حلقوی (cGMP) مانند سایر سیستم‌های پیام‌رسان ثانویه (به فصل 7 مراجعه کنید) مسدود شده‌اند، به بخش بیرونی جریان می‌یابند. این جریان رو به داخل با یک جریان رو به خارج که توسط کانال‌های انتخابی پتاسیم در بخش داخلی واسطه‌گری می‌شود، مخالف است. بنابراین، حالت دپلاریزه گیرنده نوری در تاریکی، سهم خالص ورود Nat و⁺Ca²، که باعث دپلاریزه شدن سلول می‌شود، و خروج⁺K، که باعث بیش‌قطبی شدن سلول می‌شود را منعکس می‌کند (شکل 11.8A). جذب نور توسط گیرنده نوری، غلظت cGMP را در بخش بیرونی کاهش می‌دهد و به نوبه خود منجر به بسته شدن کانال‌های دروازه‌دار cGMP در غشای بخش بیرونی و در نتیجه، کاهش جریان رو به داخل Nat و⁺Ca² می‌شود. در نتیجه، بار مثبت (که توسط ⁺Kحمل می‌شود) سریع‌تر از بار مثبت (که توسط Nat و⁺Ca² حمل می‌شود) از سلول خارج می‌شود و سلول دچار هایپرپلاریزاسیون می‌شود (شکل 11.8B).

The series of biochemical changes that ultimately leads to a reduction in cGMP levels begins when a photon is absorbed by the photopigment in the receptor disks. The photopigment contains the light absorbing chromophore retinal (an aldehyde of vitamin A) coupled to one of several possible proteins called opsins. The different opsins tune the molecule’s absorption of light to a particular region of the light spectrum; indeed, it is the differing protein components of the photopigments in rods and cones that allow the functional specialization of these two receptor types.

مجموعه‌ای از تغییرات بیوشیمیایی که در نهایت منجر به کاهش سطح cGMP می‌شود، زمانی آغاز می‌شود که یک فوتون توسط رنگدانه نوری در دیسک‌های گیرنده جذب می‌شود. رنگدانه نوری حاوی کروموفور شبکیه‌ای جاذب نور (آلدهیدی از ویتامین A) است که به یکی از چندین پروتئین ممکن به نام اوپسین متصل است. اوپسین‌های مختلف، جذب نور مولکول را به ناحیه خاصی از طیف نور تنظیم می‌کنند؛ در واقع، اجزای پروتئینی متفاوت رنگدانه‌های نوری در میله‌ها و مخروط‌ها هستند که امکان تخصص عملکردی این دو نوع گیرنده را فراهم می‌کنند.

Most of what is known about the molecular events of phototransduction has been gleaned from experiments in rods, in which the photopigment is rhodopsin. The seven transmembrane domains of the opsin molecule traverse the membrane of the disks in the outer segment, forming a pocket in which the retinal molecule resides (Figure 11.9A). When retinal absorbs a photon of light, one of the double bonds between the carbon atoms in the retinal molecule breaks, and its configuration changes from the 11 cis isomer to alltrans retinal (Figure 11.9B); this change triggers a series of alterations in the opsin component of the molecule. The changes in opsin lead, in turn, to the activation of an intracellular messenger called transducin, which activates a phosphodiesterase (PDE) that hydrolyzes cGMP.

بیشتر اطلاعات موجود در مورد وقایع مولکولی انتقال نوری از آزمایش‌ها روی سلول‌های استوانه‌ای به دست آمده است که در آن‌ها رنگدانه نوری، رودوپسین است. هفت دامنه غشایی مولکول اوپسین از غشای دیسک‌ها در بخش بیرونی عبور می‌کنند و حفره‌ای را تشکیل می‌دهند که مولکول رتینال در آن قرار دارد (شکل 11.9A). هنگامی که رتینال یک فوتون نور را جذب می‌کند، یکی از پیوندهای دوگانه بین اتم‌های کربن در مولکول رتینال می‌شکند و پیکربندی آن از ایزومر 11 سیس به رتینال آل ترانس تغییر می‌کند (شکل 11.9B)؛ این تغییر باعث ایجاد مجموعه‌ای از تغییرات در جزء اوپسین مولکول می‌شود. تغییرات در اوپسین به نوبه خود منجر به فعال شدن یک پیام‌رسان درون سلولی به نام ترانسدوسین می‌شود که فسفودی‌استراز (PDE) را فعال می‌کند که cGMP را هیدرولیز می‌کند.

FIGURE 11.9 Phototransduction in rod photoreceptors. (A) Rhodopsin resides in the disk membrane of the photoreceptor outer segment. The seven transmembrane domains of the opsin molecule enclose the light sensitive retinal molecule. (B) Absorption of a photon of light by retinal leads to a change in configuration from the 11 cis to the all trans isomer. (C) The second messenger cascade of phototransduction. The change in the retinal isomer activates transducin, which in turn activates a phosphodiesterase (PDE). The PDE then hydrolyzes cGMP, reducing its concentration in the outer segment and leading to the closure of channels in the outer segment membrane. (A,B after Oyster, 1999; A after Stryer, 1986; B after Stryer, 1987.)

شکل ۱۱.۹ انتقال نوری در گیرنده‌های نوری استوانه‌ای. (الف) رودوپسین در غشای دیسکی بخش بیرونی گیرنده نوری قرار دارد. هفت دامنه غشایی مولکول اوپسین، مولکول شبکیه حساس به نور را احاطه کرده‌اند. (ب) جذب یک فوتون نور توسط شبکیه منجر به تغییر پیکربندی از ایزومر 11 سیس به ایزومر تمام ترانس می‌شود. (ج) آبشار پیام‌رسان دوم انتقال نوری. تغییر در ایزومر شبکیه، ترانسدوسین را فعال می‌کند که به نوبه خود فسفودی‌استراز (PDE) را فعال می‌کند. PDE سپس cGMP را هیدرولیز می‌کند و غلظت آن را در بخش بیرونی کاهش می‌دهد و منجر به بسته شدن کانال‌ها در غشای بخش بیرونی می‌شود. (A,B پس از Oyster، 1999؛ A پس از Stryer، 1986؛ B پس از Stryer، 1987.)

All of these events take place within the disk membrane. The hydrolysis by PDE at the disk membrane lowers cGMP concentration throughout the outer segment, thus reducing the number of cGMP molecules available to bind to the channels in the surface of the outer segment membrane and leading in turn to channel closure (Figure 11.9C).

همه این رویدادها در غشای دیسک اتفاق می‌افتند. هیدرولیز توسط PDE در غشای دیسک، غلظت cGMP را در سراسر بخش بیرونی کاهش می‌دهد، بنابراین تعداد مولکول‌های cGMP موجود برای اتصال به کانال‌ها در سطح غشای بخش بیرونی را کاهش می‌دهد و به نوبه خود منجر به بسته شدن کانال می‌شود (شکل 11.9C).

One of the important features of this complex biochemical cascade initiated by photon capture is that it provides enormous signal amplification. A single light-activated rhodopsin molecule can activate as many as 800 transducin molecules roughly 8% of the transducin molecules on the disk surface. Although each transducin molecule activates only one PDE molecule, each PDE is capable of catalyzing the breakdown of as many as 6 cGMP molecules. As a result, the absorption of a single photon by a rhodopsin molecule results in the closure of approximately 200 ion channels, or about 2% of the number of channels in each rod that are open in the dark. This number of channel closures causes a net change in the membrane potential of about 1 mV.

یکی از ویژگی‌های مهم این آبشار بیوشیمیایی پیچیده که با جذب فوتون آغاز می‌شود، این است که تقویت سیگنال عظیمی را فراهم می‌کند. یک مولکول رودوپسین فعال‌شده با نور می‌تواند تا ۸۰۰ مولکول ترانسدوسین را فعال کند، تقریباً ۸٪ از مولکول‌های ترانسدوسین روی سطح دیسک. اگرچه هر مولکول ترانسدوسین تنها یک مولکول PDE را فعال می‌کند، اما هر PDE قادر به کاتالیز تجزیه تا ۶ مولکول cGMP است. در نتیجه، جذب یک فوتون توسط یک مولکول رودوپسین منجر به بسته شدن تقریباً ۲۰۰ کانال یونی یا حدود ۲٪ از تعداد کانال‌های موجود در هر میله‌ای می‌شود که در تاریکی باز هستند. این تعداد بسته شدن کانال باعث تغییر خالص در پتانسیل غشاء در حدود ۱ میلی‌ولت می‌شود.

Once initiated, additional mechanisms limit the duration of this amplifying cascade and restore the various molecules to their inactivated states. Activated rhodopsin is rapidly phosphorylated by rhodopsin kinase, which permits the protein arrestin to bind to rhodopsin. Bound arrestin blocks the ability of activated rhodopsin to activate transducin, thus effectively truncating the phototransduction cascade.

پس از شروع، مکانیسم‌های اضافی مدت زمان این آبشار تقویت‌کننده را محدود کرده و مولکول‌های مختلف را به حالت غیرفعال خود بازمی‌گردانند. رودوپسین فعال شده به سرعت توسط رودوپسین کیناز فسفریله می‌شود، که به پروتئین ارستین اجازه می‌دهد تا به رودوپسین متصل شود. ارستین متصل، توانایی رودوپسین فعال شده را برای فعال کردن ترانسدوسین مسدود می‌کند، بنابراین به طور مؤثر آبشار انتقال نوری را کوتاه می‌کند.

The restoration of retinal to a form capable of signaling photon capture is a complex process known as the retinoid cycle (Figure 11.10A). The all-trans retinal dissociates from opsin and diffuses into the cytosol of the outer segment; there it is converted to all trans retinol and transported into the pigment epithelium via a chaperone protein, inter photoreceptor retinoid binding protein (IRBP; see Figure 11.10A), where appropriate enzymes ultimately convert it to 11 cis retinal. After being transported back into the outer segment via IRBP, 11 cis retinal recombines with opsin in the receptor disks. The retinoid cycle is critically important for maintaining the light sensitivity of photoreceptors. Even under intense illumination, the rate of retinal regeneration is sufficient to maintain a significant number of active photopigment molecules.

بازگرداندن رتینال به شکلی که قادر به سیگنال‌دهی جذب فوتون باشد، فرآیندی پیچیده است که به عنوان چرخه رتینوئید شناخته می‌شود (شکل 11.10A). رتینال تمام ترانس از اوپسین جدا شده و به سیتوزول بخش بیرونی منتشر می‌شود؛ در آنجا به رتینول تمام ترانس تبدیل شده و از طریق یک پروتئین چاپرون، پروتئین متصل شونده به رتینوئید بین گیرنده نوری (IRBP؛ به شکل 11.10A مراجعه کنید)، به اپیتلیوم رنگدانه منتقل می‌شود، جایی که آنزیم‌های مناسب در نهایت آن را به رتینال 11 سیس تبدیل می‌کنند. پس از انتقال مجدد به بخش بیرونی از طریق IRBP، رتینال 11-سیس با اوپسین در دیسک‌های گیرنده نوترکیب می‌شود. چرخه رتینوئید برای حفظ حساسیت نوری گیرنده‌های نوری بسیار مهم است. حتی تحت روشنایی شدید، سرعت بازسازی شبکیه برای حفظ تعداد قابل توجهی از مولکول‌های رنگدانه نوری فعال کافی است.

FIGURE 11.10 The retinoid cycle and photoadaptation. (A) Following photoisomerization, all trans retinal is converted into all trans retinol and is transported by the chaperone protein IRBP into the pigment epithelium. There, in a series of steps, it is converted to 11 cis retinal and transported back to the outer segment (again via IRBP), where it recombines with opsin. (B) Photoreceptor adaptation. Calcium in the outer segment inhibits the activity of guanylate cyclase and rhodopsin kinase, and reduces the affinity of cGMP gated channels for cGMP. Light-induced closure of channels in the outer segment membrane leads to a reduction in Ca²⁺ concentration and a reduction in Ca²⁺ mediated inhibition of these elements of the cascade. As a result, the photoreceptor’s sensitivity to photon capture is reduced.

شکل ۱۱.۱۰ چرخه رتینوئید و سازگاری نوری. (الف) پس از ایزومریزاسیون نوری، تمام ترانس رتینال به تمام ترانس رتینول تبدیل می‌شود و توسط پروتئین چاپرون IRBP به اپیتلیوم رنگدانه منتقل می‌شود. در آنجا، طی یک سری مراحل، به 11 سیس رتینال تبدیل شده و دوباره به بخش بیرونی منتقل می‌شود (دوباره از طریق IRBP)، جایی که با اوپسین نوترکیب می‌شود. (ب) سازگاری گیرنده نوری. کلسیم در بخش بیرونی فعالیت گوانیلات سیکلاز و رودوپسین کیناز را مهار می‌کند و میل ترکیبی کانال‌های دریچه‌دار cGMP را برای cGMP کاهش می‌دهد. بسته شدن کانال‌ها در غشای بخش بیرونی توسط نور منجر به کاهش غلظت ⁺Ca² و کاهش مهار واسطه⁺Ca² این عناصر آبشار می‌شود. در نتیجه، حساسیت گیرنده نوری به جذب فوتون کاهش می‌یابد.

The magnitude of the phototransduction amplification varies with the prevailing level of illumination, a phenomenon known as light adaptation. Photoreceptors are most sensitive to light at lower levels of illumination. As levels of illumination increase, sensitivity decreases, preventing the receptors from saturating and thereby greatly extending the range of light intensities over which they operate. The concentration of Ca²⁺ in the outer segment appears to play a key role in the light induced modulation of photoreceptor sensitivity. The CG MP gated channels in the outer segment are permeable to both Na⁺ and Ca²⁺ (Figure 11.10B); thus, light induced closure of these channels leads to a net decrease. in the internal Ca²⁺ concentration. This decrease triggers a number of changes in the phototransduction cascade, all of which tend to reduce the sensitivity of the receptor to light. For example, the decrease in Ca²⁺ increases the activity of guanylate cyclase, the cGMP synthesizing enzyme, leading to increased cGMP levels. The decrease in Ca²⁺ also increases the activity of rhodopsin kinase, permitting more arrestin to bind to rhodopsin. Finally, the decrease in Ca²⁺ increases the affinity of the cGMP-gated channels for cGMP, reducing the impact of the light induced reduction of cGMP levels. The regulatory effects of Ca²⁺ on the phototransduction cascade are only one part of the mechanism that adapts retinal sensitivity to background levels of illumination; another important contribution comes from neural interactions between horizontal cells and photoreceptor terminals, as discussed later in the chapter.

میزان تقویت انتقال نوری با سطح غالب روشنایی تغییر می‌کند، پدیده‌ای که به عنوان سازگاری با نور شناخته می‌شود. گیرنده‌های نوری در سطوح پایین‌تر روشنایی بیشترین حساسیت را به نور دارند. با افزایش سطح روشنایی، حساسیت کاهش می‌یابد و از اشباع گیرنده‌ها جلوگیری می‌کند و در نتیجه دامنه شدت نوری که در آن عمل می‌کنند را تا حد زیادی گسترش می‌دهد. به نظر می‌رسد غلظت⁺Ca² در بخش بیرونی نقش کلیدی در تعدیل حساسیت گیرنده نوری ناشی از نور دارد. کانال‌های دریچه‌دار CG MP در بخش بیرونی نسبت به⁺Na و⁺Ca² نفوذپذیر هستند (شکل 11.10B)؛ بنابراین، بسته شدن این کانال‌ها توسط نور منجر به کاهش خالص غلظت⁺Ca² داخلی می‌شود. این کاهش باعث ایجاد تعدادی تغییر در آبشار انتقال نوری می‌شود که همگی تمایل به کاهش حساسیت گیرنده به نور دارند. به عنوان مثال، کاهش⁺Ca² فعالیت گوانیلات سیکلاز، آنزیم سنتز کننده cGMP را افزایش می‌دهد و منجر به افزایش سطح cGMP می‌شود. کاهش ⁺Ca² همچنین فعالیت رودوپسین کیناز را افزایش می‌دهد و اجازه می‌دهد تا ارستین بیشتری به رودوپسین متصل شود. در نهایت، کاهش⁺Ca² میل ترکیبی کانال‌های وابسته به cGMP را برای cGMP افزایش می‌دهد و تأثیر کاهش سطح cGMP ناشی از نور را کاهش می‌دهد. اثرات تنظیمی⁺Ca² بر آبشار انتقال نوری تنها بخشی از مکانیسمی است که حساسیت شبکیه را با سطوح روشنایی پس‌زمینه تطبیق می‌دهد. سهم مهم دیگر از تعاملات عصبی بین سلول‌های افقی و پایانه‌های گیرنده نوری ناشی می‌شود، همانطور که بعداً در این فصل مورد بحث قرار خواهد گرفت.

Functional Specialization of the Rod and Cone Systems

The two types of photoreceptors, rods and cones, are distinguished by their shape (from which they derive their names), the type of photopigment they contain, their distribution across the retina, and their pattern of synaptic connections. These properties reflect the fact that the rod and cone systems (i.e., the receptor cells and their connections within the retina) are specialized for different aspects of vision. The rod system has very low spatial resolution but is extremely sensitive to light; it is therefore specialized for sensitivity at the expense of seeing detail. Conversely, the cone system has very high spatial resolution but is relatively insensitive to light; it is specialized for acuity at the expense of sensitivity. The properties of the cone system also allow humans and many other animals to see color.

تخصص عملکردی سیستم‌های میله‌ای و مخروطی

دو نوع گیرنده نوری، میله‌ای و مخروطی، از نظر شکل (که نام خود را از آن گرفته‌اند)، نوع رنگدانه نوری موجود در آنها، توزیع آنها در سراسر شبکیه و الگوی اتصالات سیناپسی آنها از هم متمایز می‌شوند. این ویژگی‌ها نشان دهنده این واقعیت است که سیستم‌های میله‌ای و مخروطی (یعنی سلول‌های گیرنده و اتصالات آنها در شبکیه) برای جنبه‌های مختلف بینایی تخصص یافته‌اند. سیستم میله‌ای وضوح مکانی بسیار پایینی دارد اما به نور بسیار حساس است. بنابراین برای حساسیت به قیمت دیدن جزئیات تخصص یافته است. برعکس، سیستم مخروطی وضوح مکانی بسیار بالایی دارد اما نسبتاً به نور غیرحساس است. برای تیزبینی به قیمت حساسیت تخصص یافته است. ویژگی‌های سیستم مخروطی همچنین به انسان‌ها و بسیاری از حیوانات دیگر اجازه می‌دهد تا رنگ را ببینند.

Figure 11.11 shows the range of illumination over which the rods and cones operate. At the lowest levels of illumination, only the rods are activated. Such rod mediated perception is called scotopic vision. The difficulty of making fine visual discriminations under very low light conditions where only the rod system is active is a common experience. The problem is primarily the poor resolution of the rod system (and to a lesser extent, the fact that there is no perception of color because in dim light there is no significant involvement of the cones). Although cones begin to contribute to visual perception at about the level of starlight, spatial discrimination at this light level is still very poor.

شکل 11.11 محدوده روشنایی را که سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی در آن عمل می‌کنند نشان می‌دهد. در پایین‌ترین سطوح روشنایی، فقط سلول‌های استوانه‌ای فعال می‌شوند. چنین ادراکی که توسط سلول‌های استوانه‌ای ایجاد می‌شود، بینایی اسکوتوپیک نامیده می‌شود. دشواری تشخیص بصری دقیق در شرایط نور بسیار کم که فقط سیستم میله‌ای فعال است، یک تجربه رایج است. مشکل در درجه اول وضوح ضعیف سیستم میله‌ای است (و تا حد کمتری، این واقعیت که هیچ درکی از رنگ وجود ندارد زیرا در نور کم، مخروط‌ها دخالت قابل توجهی ندارند). اگرچه مخروط‌ها تقریباً در سطح نور ستارگان به ادراک بصری کمک می‌کنند، اما تشخیص فضایی در این سطح نوری هنوز بسیار ضعیف است.

As illumination increases, cones become more and more dominant in determining what is seen, and they are the major determinant of perception under conditions such as normal indoor lighting or sunlight. The contributions of rods to vision drops out nearly entirely in photopic vision because their response to light saturates that is, the membrane potential of individual rods no longer varies as a function of illumination because all of the membrane channels are closed (see Figure 11.9). Mesopic vision occurs in levels of light at which both rods and cones contribute at twilight, for example. From these considerations it should be clear that most of what we think of as normal “seeing” is mediated by the cone system, and that loss of cone function is devastating, as occurs in individuals suffering from macular degeneration (see Box 11B). People who have lost cone function are legally blind, whereas those who have lost rod function only experience difficulty seeing at low levels of illumination (night blindness).

با افزایش روشنایی، مخروط‌ها در تعیین آنچه دیده می‌شود، بیشتر و بیشتر غالب می‌شوند و آنها عامل اصلی ادراک در شرایطی مانند روشنایی طبیعی داخل ساختمان یا نور خورشید هستند. سهم سلول‌های استوانه‌ای در بینایی تقریباً به طور کامل در بینایی در نور کم کاهش می‌یابد زیرا پاسخ آنها به نور اشباع می‌شود، یعنی پتانسیل غشایی سلول‌های استوانه‌ای دیگر به عنوان تابعی از روشنایی تغییر نمی‌کند زیرا همه کانال‌های غشایی بسته هستند (شکل 11.9 را ببینید). بینایی مزوپیک در سطوح نوری رخ می‌دهد که در آن، به عنوان مثال، هم سلول‌های استوانه‌ای و هم مخروط‌ها در گرگ و میش نقش دارند. از این ملاحظات باید مشخص شود که بیشتر آنچه ما به عنوان “دیدن” طبیعی در نظر می‌گیریم توسط سیستم مخروطی انجام می‌شود و از دست دادن عملکرد مخروط ویرانگر است، همانطور که در افراد مبتلا به دژنراسیون ماکولا رخ می‌دهد (به کادر 11B مراجعه کنید). افرادی که عملکرد مخروط را از دست داده‌اند، از نظر قانونی نابینا هستند، در حالی که کسانی که عملکرد میله‌ای را از دست داده‌اند، فقط در سطوح پایین روشنایی (شب کوری) مشکل در دیدن دارند.

Differences in the transduction mechanisms utilized by the two receptor types are a major factor in the ability of rods and cones to respond to different ranges of light intensity. For example, rods produce a reliable response to a single photon of light, whereas more than 100 photons are required to produce a comparable response in a cone. It is not true, however, that cones fail to effectively capture photons. Rather, the change in current produced by single photon capture in cones is comparatively small and difficult to distinguish from background noise.

تفاوت در مکانیسم‌های انتقال مورد استفاده توسط دو نوع گیرنده، عامل اصلی در توانایی میله‌ها و مخروط‌ها برای پاسخ به محدوده‌های مختلف شدت نور است. به عنوان مثال، میله‌ها پاسخ قابل اعتمادی به یک فوتون نور می‌دهند، در حالی که برای ایجاد پاسخی قابل مقایسه در یک مخروط، بیش از ۱۰۰ فوتون مورد نیاز است. با این حال، درست نیست که مخروط‌ها نمی‌توانند فوتون‌ها را به طور موثر جذب کنند. بلکه، تغییر در جریان تولید شده توسط جذب تک فوتون در مخروط‌ها نسبتاً کوچک است و تشخیص آن از نویز پس‌زمینه دشوار است.

Another difference is that the response of an individual cone does not saturate at high levels of steady illumination, as the rod response does. Although both rods and cones adapt to operate over a range of luminance values, the adaptation mechanisms of the cones are more effective. This difference in adaptation is apparent in the time course of the response of rods and cones to light flashes. The response of a cone, even to a bright light flash that produces the maximum change in photoreceptor current, recovers in about 200 ms, more than four times faster than. rod recovery (Figure 11.12A).

تفاوت دیگر این است که پاسخ یک مخروط منفرد در سطوح بالای روشنایی ثابت، مانند پاسخ میله‌ها، اشباع نمی‌شود. اگرچه هر دو میله و مخروط برای کار در محدوده‌ای از مقادیر روشنایی سازگار می‌شوند، مکانیسم‌های سازگاری مخروط‌ها مؤثرتر هستند. این تفاوت در سازگاری در طول زمان پاسخ میله‌ها و مخروط‌ها به فلاش‌های نور آشکار است. پاسخ یک مخروط، حتی به یک فلاش نور روشن که حداکثر تغییر در جریان گیرنده نوری را ایجاد می‌کند، در حدود ۲۰۰ میلی‌ثانیه، بیش از چهار برابر سریع‌تر از … بهبود می‌یابد. بازیابی میله (شکل 11.12A).

FIGURE 11.11 The range of luminance values over which the visual system operates. At the lowest levels of illumination, only rods are activated. Cones begin to contribute to perception at about the level of starlight and are the only receptors that function under relatively bright conditions.

شکل ۱۱.۱۱ محدوده مقادیر روشنایی که سیستم بینایی در آن عمل می‌کند. در پایین‌ترین سطوح روشنایی، فقط سلول‌های استوانه‌ای فعال می‌شوند. سلول‌های مخروطی تقریباً در سطح نور ستارگان شروع به مشارکت در ادراک می‌کنند و تنها گیرنده‌هایی هستند که در شرایط نسبتاً روشن عمل می‌کنند.

FIGURE 11.12 Differential responses of primate rods and cones. (A) Suction electrode recordings of the reduction in inward current produced by flashes of successively higher light intensity. For moderate to long flashes, the rod response continues for more than 600 ms, whereas even for the brightest flashes tested, the cone response returns to baseline (with an overshoot) in roughly 200 ms. (B) Difference in the amount of convergence in the rod and cone pathways. Each rod bipolar cell receives synapses from 15 to 30 rods. Additional convergence occurs at downstream sites in the rod pathway (see text). In contrast, in the center of the fovea, each bipolar cell receives its input from a single cone and synapses with a single ganglion cell. (A after Baylor, 1987.)

شکل ۱۱.۱۲ پاسخ‌های افتراقی سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی نخستی‌سانان. (الف) ثبت‌های الکترود مکش از کاهش جریان داخلی تولید شده توسط فلاش‌هایی با شدت نور متوالی بالاتر. برای فلاش‌های متوسط ​​تا طولانی، پاسخ سلول‌های استوانه‌ای بیش از ۶۰۰ میلی‌ثانیه ادامه می‌یابد، در حالی که حتی برای درخشان‌ترین فلاش‌های آزمایش شده، پاسخ سلول‌های مخروطی تقریباً در ۲۰۰ میلی‌ثانیه به حالت اولیه (با یک جهش بیش از حد) برمی‌گردد. (ب) تفاوت در میزان همگرایی در مسیرهای سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی. هر سلول دوقطبی استوانه‌ای ۱۵ تا ۳۰ سیناپس میله‌ای دریافت می‌کند. همگرایی اضافی در مکان‌های پایین‌دست در مسیر سلول‌های استوانه‌ای رخ می‌دهد (به متن مراجعه کنید). در مقابل، در مرکز حفره، هر سلول دوقطبی ورودی خود را از یک مخروط واحد دریافت می‌کند و با یک سلول گانگلیون واحد سیناپس برقرار می‌کند. (الف پس از Baylor، ۱۹۸۷.)

The arrangement of the circuits that transmit rod and cone information to retinal ganglion cells also contributes to the different characteristics of scotopic and photopic vision. In most parts of the retina, rod and cone signals converge on the same ganglion cells; that is, individual ganglion cells respond to both rod and cone inputs, depending on the level of illumination. The early stages of the pathways that link rods and cones to ganglion cells, however, are largely independent. For example, the pathway from rods to ganglion cells involves a distinct class of rod bipolar cells that, unlike cone bipolar cells, do not contact retinal ganglion cells. Instead, rod bipolar cells synapse with the dendritic processes of a specific class of amacrine cells that makes gap junctions and chemical synapses with the terminals of cone bipolars; these processes, in turn, make synaptic contacts on the dendrites of ganglion cells in the inner plexiform layer. Another dramatic difference between rod and cone circuitry is their degree of convergence (Figure 11.12B). Each rod bipolar cell is contacted by a number of rods, and many rod bipolar cells contact a given amacrine cell. In contrast, the cone system is much less convergent. Thus, each of the retinal ganglion cells that dominate central vision (called midget ganglion cells) receives input from only one cone bipolar cell, which, in turn, is contacted by a single cone. Convergence makes the rod system a better detector of light, because small signals from many rods are pooled to generate a large response in the bipolar cell. At the same time, convergence reduces the spatial resolution of the rod system, since the source of a signal in a rod bipolar cell or retinal ganglion cell could have come from anywhere within a relatively large area of the retinal surface. The one to one relationship of cones to bipolar and ganglion cells is what is required to maximize acuity.

چیدمان مدارهایی که اطلاعات سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی را به سلول‌های گانگلیون شبکیه منتقل می‌کنند، در ویژگی‌های متفاوت بینایی اسکوتوپیک و فتوپیک نیز نقش دارد. در بیشتر قسمت‌های شبکیه، سیگنال‌های سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی در سلول‌های گانگلیون یکسانی همگرا می‌شوند؛ یعنی سلول‌های گانگلیون منفرد، بسته به سطح روشنایی، به ورودی‌های سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی پاسخ می‌دهند. با این حال، مراحل اولیه مسیرهایی که سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی را به سلول‌های گانگلیون متصل می‌کنند، تا حد زیادی مستقل هستند. به عنوان مثال، مسیر انتقال از سلول‌های استوانه‌ای به سلول‌های گانگلیون شامل یک دسته مجزا از سلول‌های دوقطبی میله‌ای است که برخلاف سلول‌های دوقطبی مخروطی، با سلول‌های گانگلیون شبکیه تماس ندارند. در عوض، سلول‌های دوقطبی میله‌ای با زوائد دندریتی دسته خاصی از سلول‌های آماکرین سیناپس برقرار می‌کنند که با پایانه‌های سلول‌های دوقطبی مخروطی، اتصالات شکافی و سیناپس‌های شیمیایی ایجاد می‌کنند. این زوائد به نوبه خود، تماس‌های سیناپسی را روی دندریت‌های سلول‌های گانگلیون در لایه شبکه‌ای داخلی ایجاد می‌کنند. تفاوت چشمگیر دیگر بین مدارهای سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی، درجه همگرایی آنهاست (شکل 11.12B). هر سلول دوقطبی میله‌ای با تعدادی سلول میله‌ای در تماس است و بسیاری از سلول‌های دوقطبی میله‌ای با یک سلول آماکرین مشخص در تماس هستند. در مقابل، سیستم مخروطی همگرایی بسیار کمتری دارد. بنابراین، هر یک از سلول‌های گانگلیونی شبکیه که بر دید مرکزی تسلط دارند (به نام سلول‌های گانگلیونی کوچک) تنها از یک سلول دوقطبی مخروطی ورودی دریافت می‌کنند که به نوبه خود با یک سلول مخروطی واحد در تماس است. همگرایی، سیستم میله‌ای را به آشکارساز بهتری برای نور تبدیل می‌کند، زیرا سیگنال‌های کوچک از بسیاری از سلول‌های میله‌ای برای ایجاد پاسخی بزرگ در سلول دوقطبی جمع می‌شوند. در عین حال، همگرایی، وضوح مکانی سیستم میله‌ای را کاهش می‌دهد، زیرا منبع سیگنال در یک سلول دوقطبی میله‌ای یا سلول گانگلیونی شبکیه می‌تواند از هر جایی در یک منطقه نسبتاً بزرگ از سطح شبکیه آمده باشد. رابطه یک به یک سلول‌های مخروطی با سلول‌های دوقطبی و گانگلیونی همان چیزی است که برای به حداکثر رساندن حدت بینایی مورد نیاز است.

Anatomical Distribution of Rods and Cones

The distribution of rods and cones across the surface of the retina also has important consequences for vision. Despite the fact that perception in typical daytime light levels is dominated by cone-mediated vision, the total number of rods in the human retina (about 90 million) far exceeds the number of cones (roughly 4.5 million). As a result, the density of rods is much greater than that of cones through out most of the retina (Figure 11.13A). However, this relationship changes dramatically in the fovea, the highly specialized region in the center of the macula that measures about 1.2 mm in diameter (see Figure 11.1). In the fovea (which literally means “pit”), cone density increases almost 200 fold, reaching, at its center, the highest receptor packing density anywhere in the retina. This high density is achieved by decreasing the diameter of the cone outer segments such that foveal cones resemble rods in their appearance. The increased density of cones in the fovea is accompanied by a sharp decline in the density of rods. In fact, the central 300 μm of the fovea, called the foveola, is totally rod-free (Figure 11.13B).

توزیع آناتومیکی میله‌ها و مخروط‌ها

توزیع میله‌ها و مخروط‌ها در سطح شبکیه نیز پیامدهای مهمی برای بینایی دارد. علیرغم این واقعیت که ادراک در سطوح معمول نور روز تحت سلطه بینایی با واسطه مخروط‌ها است، تعداد کل میله‌ها در شبکیه انسان (حدود 90 میلیون) بسیار بیشتر از تعداد مخروط‌ها (تقریباً 4.5 میلیون) است. در نتیجه، چگالی میله‌ها در بیشتر شبکیه بسیار بیشتر از چگالی مخروط‌ها است (شکل 11.13A). با این حال، این رابطه در گودی چشم، ناحیه بسیار تخصصی در مرکز ماکولا که قطر آن حدود 1.2 میلی‌متر است، به طرز چشمگیری تغییر می‌کند (شکل 11.1 را ببینید). در گودی چشم (که به معنای واقعی کلمه به معنای “گودال” است)، چگالی مخروط‌ها تقریباً 200 برابر افزایش می‌یابد و در مرکز آن به بالاترین تراکم بسته‌بندی گیرنده در هر کجای شبکیه می‌رسد. این چگالی بالا با کاهش قطر بخش‌های بیرونی مخروط به دست می‌آید، به طوری که مخروط‌های گودی چشم از نظر ظاهری شبیه میله‌ها هستند. افزایش تراکم مخروط‌ها در گودی چشم با کاهش شدید تراکم میله‌ها همراه است. در واقع، ۳۰۰ میکرومتر مرکزی گودی چشم که فوولا نامیده می‌شود، کاملاً عاری از میله است (شکل ۱۱.۱۳B).

The extremely high density of cone receptors in the fovea, coupled with the one-to-one relationship with bipolar cells and retinal ganglion cells (see Figure 11.12), endows this component of the cone system with the capacity to mediate the highest levels of visual acuity. As cone density declines with eccentricity and the degree of convergence onto retinal ganglion cells increases, acuity is markedly reduced. Just 6 degrees eccentric to the line of sight, acuity is reduced by 75%, a fact that can be readily appreciated by trying to read the words on any line of this page beyond the word being fixated on. The restriction of highest acuity vision to such a small region of the retina is the main reason humans spend so much time moving their eyes (and heads) around-in effect directing the foveae of the two eyes to objects of interest (see Chapter 20). It is also the reason why disorders that affect the functioning of the fovea have such devastating effects on sight (see Box 11B). Conversely, the exclusion of rods from the fovea, and their presence in high density away from the fovea, explains why the threshold for detecting a light stimulus is lower outside the region of central vision. It is easier to see a dim object (such as a faint star) by looking slightly away from it, so that the stimulus falls on the region of the retina that is richest in rods (see Figure 11.13A).

تراکم بسیار بالای گیرنده‌های مخروطی در گودی چشم، همراه با رابطه‌ی یک به یک با سلول‌های دوقطبی و سلول‌های گانگلیون شبکیه (به شکل 11.12 مراجعه کنید)، به این جزء از سیستم مخروطی، ظرفیت میانجی‌گری بالاترین سطوح تیزبینی را می‌دهد. با کاهش تراکم مخروط‌ها با خروج از مرکز و افزایش درجه‌ی همگرایی به سلول‌های گانگلیون شبکیه، تیزبینی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. تنها 6 درجه خروج از مرکز نسبت به خط دید، تیزبینی 75 درصد کاهش می‌یابد، واقعیتی که می‌توان با تلاش برای خواندن کلمات در هر سطر از این صفحه، فراتر از کلمه‌ای که روی آن متمرکز شده است، به راحتی درک کرد. محدودیت بالاترین حدت بینایی به چنین ناحیه‌ی کوچکی از شبکیه، دلیل اصلی این است که انسان‌ها زمان زیادی را صرف حرکت دادن چشم‌ها (و سر) خود می‌کنند در واقع هدایت گودی‌های دو چشم به سمت اشیاء مورد علاقه (به فصل 20 مراجعه کنید). همچنین به همین دلیل است که اختلالاتی که بر عملکرد گودی چشم تأثیر می‌گذارند، چنین اثرات مخربی بر بینایی دارند (به کادر 11B مراجعه کنید). برعکس، حذف سلول‌های استوانه‌ای از گودی مرکزی و حضور آنها با چگالی بالا و دور از گودی مرکزی، توضیح می‌دهد که چرا آستانه تشخیص محرک نوری در خارج از ناحیه دید مرکزی پایین‌تر است. دیدن یک جسم کم‌نور (مانند یک ستاره کم‌نور) با کمی فاصله گرفتن از آن آسان‌تر است، به طوری که محرک روی ناحیه‌ای از شبکیه می‌افتد که غنی‌ترین سلول‌های استوانه‌ای را دارد (شکل 11.13A را ببینید).

FIGURE 11.13 Distribution of photoreceptors in the human retina. (A) Cones are present at a low density throughout the retina, with a sharp peak in the center of the fovea (the foveola). Conversely, rods are present at high density throughout most of the retina, with a sharp decline in the fovea; rods are absent in the foveola. Boxes show faceon sections through the outer segments of the photoreceptors at different eccentricities. The increased density of cones in the fovea is accompanied by a striking reduction in the diameter of their outer segments. Note also the lack of receptors at the optic disk, where retinal ganglion cell axons gather to exit the retina. (B) Diagrammatic cross section through the fovea. The overlying cellular layers and blood vessels are displaced so that light is subjected to a minimum of scattering before photons strike the outer segments of the cones in the foveola. (A after Curcia et al., 1990; Purves and Lotto, 2011.)

شکل ۱۱.۱۳ توزیع گیرنده‌های نوری در شبکیه انسان. (الف) مخروط‌ها با تراکم کم در سراسر شبکیه وجود دارند، با یک قله تیز در مرکز گودی (foveola). برعکس، میله‌ها با تراکم بالا در بیشتر شبکیه وجود دارند، با کاهش شدید در گودی؛ میله‌ها در گودی وجود ندارند. کادرها، مقاطع رو به جلو را از طریق بخش‌های بیرونی گیرنده‌های نوری در خروج از مرکزهای مختلف نشان می‌دهند. افزایش تراکم مخروط‌ها در گودی با کاهش قابل توجه قطر بخش‌های بیرونی آنها همراه است. همچنین به فقدان گیرنده‌ها در دیسک بینایی، جایی که آکسون‌های سلول‌های گانگلیونی شبکیه برای خروج از شبکیه جمع می‌شوند، توجه کنید. (ب) مقطع عرضی نموداری از طریق گودی. لایه‌های سلولی پوشاننده و رگ‌های خونی جابجا شده‌اند تا نور قبل از برخورد فوتون‌ها به بخش‌های بیرونی مخروط‌ها در گودی، در معرض حداقل پراکندگی قرار گیرد. (A پس از کورسیا و همکاران، ۱۹۹۰؛ پوروس و لوتو، ۲۰۱۱.)

Another anatomical feature of the fovea that contributes to the superior acuity of the cone system is the displacement of the inner layers of the retina such that photons are subjected to a minimum of scattering before they strike the photoreceptors. The fovea is also devoid of another source of optical distortion that lies in the light path to the receptors elsewhere in the retina-the retinal blood vessels (see Figure 11.13B). This avascular central region of the fovea is thus dependent on the underlying choroid and pigment epithelium for oxygenation and metabolic sustenance.

یکی دیگر از ویژگی‌های آناتومیکی گودی مرکزی که به تیزبینی برتر سیستم مخروطی کمک می‌کند، جابجایی لایه‌های داخلی شبکیه است به طوری که فوتون‌ها قبل از برخورد به گیرنده‌های نوری، در معرض حداقل پراکندگی قرار می‌گیرند. گودی مرکزی همچنین عاری از منبع دیگری از اعوجاج نوری است که در مسیر نور به گیرنده‌های دیگر در شبکیه قرار دارد – رگ‌های خونی شبکیه (شکل 11.13B را ببینید). بنابراین، این ناحیه مرکزی بدون رگ در گودی مرکزی برای اکسیژن‌رسانی و تغذیه متابولیکی به مشیمیه و اپیتلیوم رنگدانه‌ای زیرین وابسته است.

Cones and Color Vision

Perceiving color allows humans and many other animals to discriminate objects on the basis of the distribution of the wavelengths of light that they reflect to the eye. While differences in luminance are often sufficient to distinguish objects, color adds another perceptual dimension that is especially useful when differences in light intensity are subtle or nonexistent. Color obviously gives us a quite different way of perceiving and describing the world we live in, and our color vision is the result of special properties of the cone system.

مخروط‌ها و بینایی رنگی

درک رنگ به انسان‌ها و بسیاری از حیوانات دیگر اجازه می‌دهد تا اشیاء را بر اساس توزیع طول موج‌های نوری که به چشم منعکس می‌کنند، تشخیص دهند. در حالی که تفاوت در درخشندگی اغلب برای تشخیص اشیاء کافی است، رنگ بُعد ادراکی دیگری را اضافه می‌کند که به ویژه زمانی مفید است که تفاوت در شدت نور ناچیز یا وجود نداشته باشد. رنگ بدیهی است که روش کاملاً متفاوتی برای درک و توصیف جهانی که در آن زندگی می‌کنیم به ما می‌دهد و بینایی رنگی ما نتیجه خواص ویژه سیستم مخروطی است.

FIGURE 11.14 Absorption spectra and distribution of cone opsins. (A) Light absorption spectra of the four photopigments in normal human retina. (Recall that light is defined as electromagnetic radiation having wavelengths between -400 and 700 nm. Absorbance is defined as the log value of the intensity of incident light divided by intensity of transmitted light.) Solid curves represent the three cone opsins; the dashed curve shows rod rhodopsin for comparison. (B) Using a technology known as adaptive optics and clever “tricks” of light adaptation, it is possible to map with great precision the distribution of different cone types within the living retina. Pseudocolor has been used to identify the short (blue), medium- (green), and long (red) wavelength cones. (A after Schnapf et al., 1987; B from Hofer et al., 2005.)

شکل ۱۱.۱۴ طیف‌های جذبی و توزیع اوپسین‌های مخروطی. (الف) طیف‌های جذبی نور از چهار رنگدانه نوری در شبکیه طبیعی انسان. (به یاد داشته باشید که نور به عنوان تابش الکترومغناطیسی با طول موج بین ۴۰۰- تا ۷۰۰ نانومتر تعریف می‌شود. جذب به عنوان لگاریتم شدت نور تابشی تقسیم بر شدت نور عبوری تعریف می‌شود.) منحنی‌های توپر نشان دهنده سه اوپسین مخروطی هستند؛ منحنی خط‌چین، رودوپسین میله‌ای را برای مقایسه نشان می‌دهد. (ب) با استفاده از فناوری شناخته شده به عنوان اپتیک تطبیقی ​​و “ترفندهای” هوشمندانه سازگاری با نور، می‌توان با دقت زیادی توزیع انواع مختلف مخروط‌ها را در شبکیه زنده نقشه‌برداری کرد. از شبه‌رنگ برای شناسایی مخروط‌های با طول موج کوتاه (آبی)، متوسط ​​(سبز) و بلند (قرمز) استفاده شده است. (الف برگرفته از اشناپف و همکاران، ۱۹۸۷؛ ب برگرفته از هوفر و همکاران، ۲۰۰۵.)

Unlike rods, which contain a single photopigment, the three types of cones are defined by the photopigment they contain. Each photopigment is differentially sensitive to light of different wavelengths, and for this reason cones are referred to as blue, green, and red or, more appropriately, as short (S-), medium (M-), and long (L-) wavelength cones terms that more or less describe their spectral sensitivities (Figure 11.14A). This nomenclature can be a bit misleading in that it seems to imply that individual cones provide color information for the wavelength of light that excites them best. In fact, individual cones, like rods, are entirely color blind in that their response is simply a reflection of the number of photons they capture, regard less of the wavelength of the photon (or more properly, its vibrational energy). It is impossible, therefore, to determine whether the change in the membrane potential of a particular cone has arisen from exposure to many photons at wavelengths to which the receptor is relatively insensitive, or fewer photons at wavelengths to which it is most sensitive. This ambiguity can be resolved only by comparing the activity in different classes of cones. Based on the responses of individual ganglion cells and cells at higher levels in the visual pathway (see Chapter 12), comparisons of this type are clearly involved in how the visual system extracts color information from spectral stimuli, although a full understanding of the neural mechanisms that underlie color perception has been elusive (Box 11C).

برخلاف سلول‌های استوانه‌ای که حاوی یک رنگدانه نوری واحد هستند، سه نوع مخروط توسط رنگدانه نوری موجود در آنها تعریف می‌شوند. هر رنگدانه نوری به طور متفاوتی به نور با طول موج‌های مختلف حساس است و به همین دلیل مخروط‌ها به عنوان مخروط‌های با طول موج کوتاه (-S)، متوسط ​​(-M) و بلند (-L) شناخته می‌شوند اصطلاحاتی که کم و بیش حساسیت طیفی آنها را توصیف می‌کنند (شکل 11.14A). این نامگذاری می‌تواند کمی گمراه‌کننده باشد، زیرا به نظر می‌رسد که مخروط‌های منفرد اطلاعات رنگی را برای طول موج نوری که آنها را به بهترین وجه تحریک می‌کند، ارائه می‌دهند. در واقع، مخروط‌های منفرد، مانند میله‌ها، کاملاً کوررنگ هستند، به این معنی که پاسخ آنها صرفاً بازتابی از تعداد فوتون‌هایی است که دریافت می‌کنند، صرف نظر از طول موج فوتون (یا به عبارت صحیح‌تر، انرژی ارتعاشی آن). بنابراین، غیرممکن است که مشخص کنیم آیا تغییر در پتانسیل غشای یک مخروط خاص ناشی از قرار گرفتن در معرض فوتون‌های زیاد در طول موج‌هایی است که گیرنده نسبتاً به آنها حساس نیست، یا فوتون‌های کمتری در طول موج‌هایی که بیشترین حساسیت را دارد. این ابهام تنها با مقایسه فعالیت در طبقات مختلف مخروط‌ها قابل حل است. بر اساس پاسخ‌های سلول‌های گانگلیونی منفرد و سلول‌های سطوح بالاتر در مسیر بینایی (به فصل 12 مراجعه کنید)، مقایسه‌هایی از این نوع به وضوح در نحوه استخراج اطلاعات رنگ از محرک‌های طیفی توسط سیستم بینایی نقش دارند، اگرچه درک کامل مکانیسم‌های عصبی که زیربنای ادراک رنگ هستند، دشوار بوده است (کادر 11C).

While it might seem natural to assume that the three cone types are present in roughly the same number, this is clearly not the case. S cones make up only about 5% to 10% of the cones in the retina, and they are virtually absent from the center of the fovea. Although the M and L types are the predominant retinal cones, the ratio of M to L varies considerably from individual to individual, as has been shown using optical techniques that permit visualization of identified cone types in the intact human retina (Figure 11.14B). Interestingly, large differences in the ratio of M and L cone types (from nearly 4:1 to 1:1) do not appear to have much impact on color perception.

اگرچه ممکن است طبیعی به نظر برسد که فرض کنیم سه نوع مخروط تقریباً به تعداد یکسانی وجود دارند، اما واضح است که اینطور نیست. مخروط‌های S تنها حدود ۵٪ تا ۱۰٪ از مخروط‌های شبکیه را تشکیل می‌دهند و عملاً در مرکز گودی مرکزی وجود ندارند. اگرچه انواع M و L مخروط‌های شبکیه غالب هستند، اما نسبت M به L از فردی به فرد دیگر به طور قابل توجهی متفاوت است، همانطور که با استفاده از تکنیک‌های نوری که امکان تجسم انواع مخروط‌های شناسایی شده در شبکیه سالم انسان را فراهم می‌کنند نشان داده شده است (شکل ۱۱.۱۴B). جالب توجه است که به نظر نمی‌رسد تفاوت‌های زیاد در نسبت انواع مخروط‌های M و L (از تقریباً ۴:۱ تا ۱:۱) تأثیر زیادی بر درک رنگ داشته باشد.

Thus, normal human color vision is fundamentally trichromatic, based on the relative levels of activity in three sets of cones that have different absorption spectra. The trichromatic nature of color vision is supported by perceptual studies showing that any color stimulus can be matched to a second stimulus composed of three superimposed light sources (long, medium, and short wavelengths), provided the intensity of the light sources can be independently adjusted. But about 8% of the male population in the United States (and a much smaller percentage of the female population) have a deficiency in color vision (commonly referred to as color blindness) that manifests as difficulty in distinguishing colors that are easily perceived by individuals with normal trichromatic vision. For some of these individuals, color vision is dichromatic: only two bandwidths of light are needed to match all the colors that can be perceived. The two most prevalent forms of dichromacy are protanopia, characterized by impairment in perception of long wavelengths, and deuteranopia, impairment in the perception of medium wavelengths. Although there are differences in the color discrimination capabilities of protanopes and deuteranopes, both have difficulties with the discrimination of red and green, and for this reason dichromacy is commonly called red green color blindness (Figure 11.15). The other form of dichromacy, tritanopia, is extremely rare. Tritanopes have impaired perception of short wavelengths, a condition commonly called blue yellow color blindness.

بنابراین، بینایی رنگی طبیعی انسان اساساً سه‌رنگ است، که بر اساس سطوح نسبی فعالیت در سه مجموعه از مخروط‌ها با طیف‌های جذبی متفاوت است. ماهیت سه‌رنگ بینایی رنگی توسط مطالعات ادراکی پشتیبانی می‌شود که نشان می‌دهد هر محرک رنگی را می‌توان با یک محرک دوم متشکل از سه منبع نور روی هم قرار گرفته (طول موج‌های بلند، متوسط ​​و کوتاه) تطبیق داد، مشروط بر اینکه شدت منابع نور را بتوان به طور مستقل تنظیم کرد. اما حدود ۸٪ از جمعیت مردان در ایالات متحده (و درصد بسیار کمتری از جمعیت زنان) دارای نقص در بینایی رنگی (که معمولاً به عنوان کوررنگی شناخته می‌شود) هستند که به صورت مشکل در تشخیص رنگ‌هایی که به راحتی توسط افراد با بینایی سه‌رنگ طبیعی درک می‌شوند، بروز می‌کند. برای برخی از این افراد، بینایی رنگی دورنگ است: فقط دو پهنای باند نور برای تطبیق با تمام رنگ‌هایی که می‌توانند درک شوند، مورد نیاز است. دو شکل شایع دورنگ‌بینی عبارتند از: پروتانوپی، که با اختلال در درک طول موج‌های بلند مشخص می‌شود، و دوترانوپی، که اختلال در درک طول موج‌های متوسط ​​است. اگرچه تفاوت‌هایی در توانایی تشخیص رنگ پروتانوپ‌ها و دوترانوپ‌ها وجود دارد، اما هر دو در تشخیص قرمز و سبز مشکل دارند و به همین دلیل دورنگ‌بینی معمولاً کوررنگی قرمز-سبز نامیده می‌شود (شکل 11.15). نوع دیگر دورنگ‌بینی، تریتانوپی، بسیار نادر است. تریتانوپ‌ها در درک طول موج‌های کوتاه اختلال دارند، وضعیتی که معمولاً کوررنگی آبی-زرد نامیده می‌شود.

BOX 11C The Importance of Context in Color Perception

Seeing color logically demands that retinal responses to different wavelengths in some way be compared. The three human cone types and their different absorption spectra are therefore correctly regarded as the basis for human color vision. Nevertheless, how these human cone types and the higher order neurons they contact (see Chapter 12) produce the sensations of color is still unclear. Indeed, some of the greatest minds in science (Hering, Helmholtz, Maxwell, Schroedinger, and Mach, to name only a few) have debated this issue since Thomas Young first proposed that humans must have three different receptive “particles” that is, the three cone types.

کادر ۱۱C اهمیت زمینه در ادراک رنگ

دیدن رنگ منطقاً مستلزم آن است که پاسخ‌های شبکیه به طول موج‌های مختلف به نحوی با هم مقایسه شوند. بنابراین، سه نوع مخروط انسانی و طیف‌های جذبی متفاوت آنها به درستی به عنوان پایه بینایی رنگی انسان در نظر گرفته می‌شوند. با این وجود، اینکه چگونه این انواع مخروط انسانی و نورون‌های مرتبه بالاتر که با آنها در تماس هستند (به فصل 12 مراجعه کنید) احساس رنگ را ایجاد می‌کنند، هنوز مشخص نیست. در واقع، برخی از بزرگترین ذهن‌های علم (هرینگ، هلمهولتز، ماکسول، شرودینگر و ماخ، تنها چند نفر از آنها را نام بردیم) از زمانی که توماس یانگ برای اولین بار پیشنهاد داد که انسان‌ها باید سه “ذره” گیرنده مختلف – یعنی سه نوع مخروط – داشته باشند، در مورد این موضوع بحث کرده‌اند.

A fundamental problem has been that, although the relative activities of three cone types can more or less explain the colors perceived in color matching experiments performed in the laboratory, the perception of color is strongly influenced by context. For example, a patch returning the exact same spectrum of wavelengths to the eye can appear quite different depending on its surround, a phenomenon called color contrast (Figure A). Moreover, test patches returning different spectra to the eye can appear to be the same color, an effect called color constancy (Figure B). Although these phenomena were well known in the nineteenth century, they were not accorded a central place in color vision theory until Edwin Land’s work in the 1950s. In his most famous demonstration, Land (who, among other achievements, founded the Polaroid Corporation and became a billionaire) used a collage of colored papers that have been referred to as the Land Mondrians because of their similarity to the work of the Dutch artist Piet Mondrian.

یک مشکل اساسی این بوده است که اگرچه فعالیت‌های نسبی سه نوع مخروط می‌تواند کم و بیش رنگ‌های درک شده در آزمایش‌های تطبیق رنگ انجام شده در آزمایشگاه را توضیح دهد، اما درک رنگ به شدت تحت تأثیر زمینه قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، یک تکه که دقیقاً همان طیف طول موج‌ها را به چشم بازمی‌گرداند، می‌تواند بسته به محیط اطرافش کاملاً متفاوت به نظر برسد، پدیده‌ای به نام کنتراست رنگ (شکل الف). علاوه بر این، تکه‌های آزمایشی که طیف‌های مختلف را به چشم بازمی‌گردانند، می‌توانند به نظر برسند، اثری به نام ثبات رنگ (شکل ب). اگرچه این پدیده‌ها در قرن نوزدهم به خوبی شناخته شده بودند، اما تا زمان کار ادوین لند در دهه 1950 جایگاه اصلی در نظریه بینایی رنگ نداشتند. لند (که در میان دستاوردهای دیگر، شرکت پولاروید را تأسیس کرد و میلیاردر شد) در مشهورترین نمایش خود از کلاژ کاغذهای رنگی استفاده کرد که به دلیل شباهتشان به آثار هنرمند هلندی پیت موندریان، به عنوان موندریان‌های لند شناخته می‌شوند.

Using a telemetric photometer and three adjustable illuminators generating short, middle, and long wavelength light, Land showed that two patches that in white light appeared quite different in color (e.g., green and brown) continued to look their respective colors even when the three illuminators were adjusted so that the light being returned from the “green” surfaces produced exactly the same readings on the three telephotometers as had previously come from the “brown” surfacea striking demonstration of color constancy.

لند با استفاده از یک نورسنج تله‌متریک و سه نورافکن قابل تنظیم که نور با طول موج کوتاه، متوسط ​​و بلند تولید می‌کردند، نشان داد که دو لکه که در نور سفید از نظر رنگ کاملاً متفاوت به نظر می‌رسیدند (مثلاً سبز و قهوه‌ای)، حتی زمانی که سه نورافکن طوری تنظیم شده بودند که نور برگشتی از سطوح «سبز» دقیقاً همان خوانش‌هایی را که قبلاً از سطح «قهوه‌ای» آمده بود، روی سه نورسنج تله‌متریک ایجاد می‌کرد، همچنان به رنگ‌های مربوط به خود باقی می‌ماندند. این نشانه‌ای قابل توجه از ثبات رنگ بود.

lay in a series of ratiometric equations that could integrate the spectral returns of different regions over the entire scene. It was recognized even before Land’s death in 1991, however, that his socalled retinex theory did not work in all circumstances and was in any event a description rather than an explanation. An alternative explanation of these The genesis of contrast and constancy effects by exactly the same context. The two panels demonstrate the effects on apparent color when two similarly reflective target surfaces (A) or two differently reflective target surfaces (B) are presented in the same context in which all the information provided is consistent with illumination that differs only in intensity. The appearances of the relevant target surfaces in a neutral context are shown in the insets below. (From Purves and Lotto, 2011.)

در مجموعه‌ای از معادلات نسبت‌سنجی نهفته بود که می‌توانست بازده طیفی مناطق مختلف را در کل صحنه ادغام کند. با این حال، حتی قبل از مرگ لند در سال ۱۹۹۱ نیز مشخص شده بود که نظریه به اصطلاح رتینکس او در همه شرایط کار نمی‌کند و در هر صورت یک توصیف است نه یک توضیح. توضیح دیگری برای این موارد، پیدایش اثرات کنتراست و ثبات دقیقاً با همان زمینه است. دو پنل، اثرات بر رنگ ظاهری را نشان می‌دهند، زمانی که دو سطح هدف با بازتاب مشابه (A) یا دو سطح هدف با بازتاب متفاوت (B) در یک زمینه ارائه می‌شوند که در آن تمام اطلاعات ارائه شده با روشنایی که فقط در شدت متفاوت است، سازگار است. ظاهر سطوح هدف مربوطه در یک زمینه خنثی در تصاویر زیر نشان داده شده است. (از Purves and Lotto، ۲۰۱۱.)

The phenomena of color contrast and color constancy have led to a heated modern debate about how color percepts are generated that now spans several decades. For Land, the answer contextual aspects of color vision is that color, like brightness, is generated empirically according to what spectral stimuli have typically signified in past experience (see Box 11D).

پدیده‌های کنتراست رنگ و ثبات رنگ منجر به بحث داغ مدرنی در مورد چگونگی ایجاد ادراک رنگ شده است که اکنون چندین دهه طول می‌کشد. از نظر لند، پاسخ جنبه‌های زمینه‌ای بینایی رنگ این است که رنگ، مانند روشنایی، به صورت تجربی و بر اساس آنچه محرک‌های طیفی معمولاً در تجربیات گذشته نشان داده‌اند، ایجاد می‌شود (به کادر 11D مراجعه کنید).

FIGURE 11.15 Abnormalities of color vision. Simulation of the image of a flower as it would appear to (A) an observer with normal color vision; (B) an observer with protanopia (loss of long wavelength sensitive cones); and (C) an observer with deuteranopia (loss of medium wavelength sensitive cones). The graphs show the corresponding absorption spectra of retinal cones in normal males and in males with defective color vision. (Photos by M. H. Siddall.)

شکل ۱۱.۱۵ ناهنجاری‌های دید رنگی. شبیه‌سازی تصویر یک گل، آنطور که برای (الف) یک ناظر با دید رنگی طبیعی؛ (ب) یک ناظر با پروتانوپی (از دست دادن مخروط‌های حساس به طول موج بلند)؛ و (ج) یک ناظر با دوترانوپی (از دست دادن مخروط‌های حساس به طول موج متوسط) به نظر می‌رسد. نمودارها طیف جذبی مربوط به مخروط‌های شبکیه را در مردان طبیعی و در مردان با دید رنگی معیوب نشان می‌دهند. (عکس‌ها از ام. اچ. سیدال.)

The majority of individuals with color vision deficiencies, however, are anomalous trichromats. In this condition, three light sources (i.e., short, medium, and long wavelengths) are needed to make all possible color matches; but the matches are made using intensity values significantly different from those used by most individuals. Some anomalous trichromats require higher intensity long wavelength stimulation to make color matches (protanomalous trichromats), while other require higher intensity medium wavelength (deuteranomalous trichromats) or short wavelength (tritanomalous trichromats) stimulation. Anomalous trichromats may not be aware that they have a color vision deficiency and often pass as normal observers in everyday activities. Dichromats, however, can be severely color deficient, creating safety concerns in some contexts that can limit career opportunities. In professions where color discriminations play a critical role in performance (airline pilots, firefighters, police officers, operators of public transportation, etc.), normal color vision capabilities are often a requirement.

با این حال، اکثر افراد مبتلا به نقص بینایی رنگ، تریکرومات‌های غیرعادی هستند. در این شرایط، برای ایجاد تطابق رنگی ممکن، به سه منبع نور (یعنی طول موج‌های کوتاه، متوسط ​​و بلند) نیاز است؛ اما این تطابق‌ها با استفاده از مقادیر شدتی انجام می‌شوند که به طور قابل توجهی با مقادیر مورد استفاده اکثر افراد متفاوت است. برخی از تریکرومات‌های غیرعادی برای ایجاد تطابق رنگی به تحریک طول موج بلند با شدت بالاتر نیاز دارند (تریکرومات‌های پروتانومالوس)، در حالی که برخی دیگر به تحریک طول موج متوسط ​​با شدت بالاتر (تریکرومات‌های دوترانومالوس) یا طول موج کوتاه (تریکرومات‌های تریتانومالوس) نیاز دارند. تریکرومات‌های غیرعادی ممکن است از کمبود بینایی رنگ خود آگاه نباشند و اغلب در فعالیت‌های روزمره به عنوان ناظران عادی عمل می‌کنند. با این حال، دیکرومات‌ها می‌توانند به شدت دچار کمبود رنگ باشند و در برخی زمینه‌ها نگرانی‌های ایمنی ایجاد کنند که می‌تواند فرصت‌های شغلی را محدود کند. در حرفه‌هایی که تشخیص رنگ نقش مهمی در عملکرد دارد (خلبانان خطوط هوایی، آتش‌نشانان، افسران پلیس، اپراتورهای حمل و نقل عمومی و غیره)، توانایی‌های بینایی رنگ طبیعی اغلب یک الزام است.

Color vision deficiencies result either from the inherited failure to make one or more of the cone pigments, or from an alteration in the absorption spectra of cone pigments (or rarely, from lesions in the central stations that process color information; see Chapter 12). Jeremy Nathans and his colleagues at Johns Hopkins University have provided a deeper understanding of color vision deficiencies by identifying and sequencing the genes that encode the three human cone pigments (Figure 11.16A). The genes that encode the red and green pigments show a high degree of sequence homology and lie adjacent to each other on the X chromosome, thus explaining the prevalence of red green color deficiency in males. Normal trichromats have one gene for the red pigments and can have anywhere from one to five genes for green pigments. In contrast, the blue sensitive pigment gene, found on chromosome 7, is quite different in its amino acid sequence. These facts suggest that the red and green pigment genes evolved relatively recently, perhaps as a result of the duplication of a single ancestral gene; they also explain why most color vision abnormalities involve the red and green cone pigments.

نقص دید رنگی یا ناشی از نقص ارثی در ساخت یک یا چند رنگدانه مخروطی است، یا ناشی از تغییر در طیف جذب رنگدانه‌های مخروطی (یا به ندرت، ناشی از ضایعات در ایستگاه‌های مرکزی که اطلاعات رنگ را پردازش می‌کنند؛ به فصل ۱۲ مراجعه کنید). جرمی ناتانز و همکارانش در دانشگاه جانز هاپکینز با شناسایی و تعیین توالی ژن‌هایی که سه رنگدانه مخروطی انسان را رمزگذاری می‌کنند، درک عمیق‌تری از نقص دید رنگی ارائه داده‌اند (شکل ۱۱.۱۶A). ژن‌هایی که رنگدانه‌های قرمز و سبز را رمزگذاری می‌کنند، درجه بالایی از همولوژی توالی را نشان می‌دهند و در مجاورت یکدیگر روی کروموزوم X قرار دارند، بنابراین شیوع نقص رنگ قرمز-سبز در مردان را توضیح می‌دهند. افراد سه‌رنگ‌بین (تریکرومات) طبیعی یک ژن برای رنگدانه‌های قرمز دارند و می‌توانند از یک تا پنج ژن برای رنگدانه‌های سبز داشته باشند. در مقابل، ژن رنگدانه حساس به آبی که روی کروموزوم ۷ یافت می‌شود، از نظر توالی اسید آمینه کاملاً متفاوت است. این حقایق نشان می‌دهد که ژن‌های رنگدانه قرمز و سبز نسبتاً اخیراً تکامل یافته‌اند، شاید در نتیجه تکثیر یک ژن اجدادی واحد؛ آنها همچنین توضیح می‌دهند که چرا بیشتر ناهنجاری‌های دید رنگی شامل رنگدانه‌های مخروطی قرمز و سبز می‌شوند.

Human dichromats lack one of the three cone pigments, either because the corresponding gene is missing or because it exists as a hybrid of the red and green pigment genes (Figure 11.16B,C). For example, some dichromats lack the green pigment gene altogether, while others have a hybrid gene that is thought to produce a redlike pigment in the “green” cones. Anomalous trichromats also possess hybrid genes, but these genes elaborate pigments whose spectral properties lie between those of the normal red and green pigments. Thus, although most anomalous trichromats have distinct sets of medium and long wavelength cones, there is more overlap in their absorption spectra than in normal trichromats, and thus less difference in how the two sets of cones respond to a given wavelength, with resulting anomalies in color perception. 

دی‌کرومات‌های انسانی فاقد یکی از سه رنگدانه مخروطی هستند، یا به این دلیل که ژن مربوطه وجود ندارد یا به این دلیل که به صورت ترکیبی از ژن‌های رنگدانه قرمز و سبز وجود دارد (شکل 11.16B، C). به عنوان مثال، برخی از دی‌کرومات‌ها به طور کامل فاقد ژن رنگدانه سبز هستند، در حالی که برخی دیگر یک ژن ترکیبی دارند که تصور می‌شود رنگدانه‌ای قرمز مانند را در مخروط‌های “سبز” تولید می‌کند. تری‌کرومات‌های غیرعادی نیز دارای ژن‌های ترکیبی هستند، اما این ژن‌ها رنگدانه‌هایی را ایجاد می‌کنند که خواص طیفی آنها بین رنگدانه‌های قرمز و سبز طبیعی قرار دارد. بنابراین، اگرچه اکثر تری‌کرومات‌های غیرعادی دارای مجموعه‌های متمایزی از مخروط‌های با طول موج متوسط ​​و بلند هستند، اما در طیف‌های جذبی آنها همپوشانی بیشتری نسبت به تری‌کرومات‌های عادی وجود دارد و بنابراین تفاوت کمتری در نحوه پاسخ دو مجموعه مخروط به یک طول موج معین وجود دارد که منجر به ناهنجاری‌هایی در درک رنگ می‌شود.

FIGURE 11.16 Genetics of the cone pigments. (A) In these representations of the amino acid sequences of human S, M, and L cone pigments, colored dots identify amino acid differences between each photopigment and a comparison pigment. There are substantial differences in the amino acid sequences of rhodopsin and the S cone pigment, and between the S and M cone pigments; however, only a few amino acid differences separate the M and L cone pigment sequences. (B,C) Many deficiencies of color vision arise from alterations in the Mor L cone pigment genes as a result of chromosomal crossing over during meiosis. Colored squares represent the six exons of the L and M genes. (B) Unequal recombination in the intergenic region results in loss of a gene (or duplication of a gene). Loss of a gene results in dichromatic color capabilities (protanopia or deuteranopia). (C) Intragenic recombination results in hybrid genes that code for photopigments with abnormal absorption spectra, consistent with the color vision capabilities of anomalous trichromats. (A after Nathans, 1987; B,C after Deeb, 2005.)

شکل ۱۱.۱۶ ژنتیک رنگدانه‌های مخروطی. (الف) در این نمایش‌های توالی اسید آمینه رنگدانه‌های مخروطی S، M و L انسان، نقاط رنگی تفاوت‌های اسید آمینه بین هر رنگدانه نوری و یک رنگدانه مقایسه‌ای را مشخص می‌کنند. تفاوت‌های قابل توجهی در توالی اسید آمینه رودوپسین و رنگدانه مخروطی S و بین رنگدانه‌های مخروطی S و M وجود دارد. با این حال، تنها چند تفاوت اسید آمینه، توالی‌های رنگدانه مخروطی M و L را از هم جدا می‌کنند. (ب، ج) بسیاری از نقص‌های دید رنگی ناشی از تغییرات در ژن‌های رنگدانه مخروطی Mor L در نتیجه کراسینگ اور کروموزومی در طول میوز است. مربع‌های رنگی نشان دهنده شش اگزون ژن‌های L و M هستند. (ب) نوترکیبی نابرابر در ناحیه بین ژنی منجر به از دست دادن یک ژن (یا تکثیر یک ژن) می‌شود. از دست دادن یک ژن منجر به قابلیت‌های رنگی دو رنگی (پروتانوپی یا دوترانوپی) می‌شود. (ج) نوترکیبی درون‌ژنی منجر به ژن‌های هیبریدی می‌شود که رنگدانه‌های نوری با طیف‌های جذب غیرطبیعی را کد می‌کنند، که با قابلیت‌های دید رنگی تری‌کرومات‌های غیرطبیعی سازگار است. (الف پس از ناتانز، ۱۹۸۷؛ ب، ج پس از دیب، ۲۰۰۵.)

At present there is no cure for color deficiencies. However, experiments in animals that are natural dichromats (in mammals, trichromatic vision is limited to Old World primates) have shown that it is possible to use molecular genetic techniques to express an additional pigment in a subset of cone photoreceptors, and that this manipulation is sufficient to support trichromatic color discriminations. These observations offer the hope that the most serious color deficiencies may eventually be ameliorated by gene therapy.

در حال حاضر هیچ درمانی برای نقص‌های رنگی وجود ندارد. با این حال، آزمایش‌ها روی حیواناتی که به طور طبیعی دو رنگ‌بین هستند (در پستانداران، دید سه رنگی محدود به نخستی‌های دنیای قدیم است) نشان داده است که می‌توان از تکنیک‌های ژنتیک مولکولی برای بیان یک رنگدانه اضافی در زیرمجموعه‌ای از گیرنده‌های نوری مخروطی استفاده کرد و این دستکاری برای پشتیبانی از تشخیص رنگ سه رنگی کافی است. این مشاهدات این امید را ایجاد می‌کند که جدی‌ترین نقص‌های رنگی در نهایت با ژن درمانی بهبود یابند.

Retinal Circuits for Light and Dark

Despite the aesthetic pleasure inherent in having color vision, most of the information in visual scenes consists of spatial variations in light intensity; a black and white movie, for example, has most of the information a color version has, although it is deficient in some respects and may be less interesting to watch. The mechanisms by which central targets decipher the spatial patterns of light and dark that fall on the photoreceptors have been a vexing problem (Box 11D). To understand what the complex neural circuits within the retina accomplish during this process, it is useful to begin by considering the responses of individual retinal ganglion cells to small spots of light.

مدارهای شبکیه برای نور و تاریکی

علیرغم لذت زیبایی‌شناختی ذاتی در داشتن دید رنگی، بیشتر اطلاعات موجود در صحنه‌های بصری شامل تغییرات مکانی در شدت نور است؛ به عنوان مثال، یک فیلم سیاه و سفید بیشتر اطلاعاتی را که یک نسخه رنگی دارد، دارد، اگرچه از برخی جهات ناقص است و ممکن است تماشای آن کمتر جالب باشد. مکانیسم‌هایی که اهداف مرکزی از طریق آنها الگوهای مکانی نور و تاریکی را که بر روی گیرنده‌های نوری قرار می‌گیرند، رمزگشایی می‌کنند، یک مشکل آزاردهنده بوده است (کادر 11D). برای درک اینکه مدارهای عصبی پیچیده درون شبکیه در طول این فرآیند چه کاری انجام می‌دهند، مفید است که با در نظر گرفتن پاسخ‌های سلول‌های گانگلیون شبکیه به نقاط کوچک نور شروع کنیم.

Stephen Kuffler, working at Johns Hopkins University, pioneered this approach in mammals early in the 1950s when he characterized the responses of single ganglion cells in the cat retina. He found that each ganglion cell responds to stimulation of a small circular patch of the retina, which defines the cell’s receptive field (see Chapter 9 for a discussion of receptive fields). Based on these responses, Kuffler distinguished two classes of ganglion cells, ON center and OFF center. Turning on a spot of light in the receptive field center of an ON center neuron produces a burst of action potentials. The same stimulus applied to the receptive field center of an OFF center neuron reduces the rate of discharge, and when the spot of light is turned off, the cell responds with a burst of action potentials (Figure 11.17A). Complementary patterns of activity are found for each cell type when a dark spot is placed in the receptive field center (Figure 11.17B). Thus, ON center cells increase their discharge rate to luminance increments in the receptive field center, whereas OFF center cells increase their discharge rate to luminance decrements in the receptive field center. 

استیون کافلر، که در دانشگاه جانز هاپکینز کار می‌کرد، در اوایل دهه 1950، زمانی که پاسخ‌های سلول‌های گانگلیون منفرد را در شبکیه گربه مشخص کرد، پیشگام این رویکرد در پستانداران بود. او دریافت که هر سلول گانگلیون به تحریک یک ناحیه دایره‌ای کوچک از شبکیه پاسخ می‌دهد، که میدان گیرنده سلول را تعریف می‌کند (برای بحث در مورد میدان‌های گیرنده به فصل 9 مراجعه کنید). بر اساس این پاسخ‌ها، کافلر دو دسته از سلول‌های گانگلیون، مرکز روشن و مرکز خاموش را از هم متمایز کرد. روشن کردن یک نقطه نور در مرکز میدان گیرنده یک نورون مرکز روشن، انفجاری از پتانسیل‌های عمل ایجاد می‌کند. همان محرک اعمال شده به مرکز میدان گیرنده یک نورون مرکز خاموش، میزان تخلیه را کاهش می‌دهد و هنگامی که نقطه نور خاموش می‌شود، سلول با انفجاری از پتانسیل‌های عمل پاسخ می‌دهد (شکل 11.17A). الگوهای مکمل فعالیت برای هر نوع سلول هنگامی که یک نقطه تاریک در مرکز میدان گیرنده قرار می‌گیرد، یافت می‌شود (شکل 11.17B). بنابراین، سلول‌های مرکز روشن، نرخ تخلیه خود را با افزایش درخشندگی در مرکز میدان پذیرنده افزایش می‌دهند، در حالی که سلول‌های مرکز خاموش، نرخ تخلیه خود را با کاهش درخشندگی در مرکز میدان پذیرنده افزایش می‌دهند.

BOX 11D The Perception of Light Intensity

Understanding the link between retinal stimulation and what we see (perception) is arguably the central problem in vision, and the relation of luminance (a physical measurement of light intensity) and brightness (the sensation elicited by light intensity) is probably the simplest place to consider this challenge.

کادر ۱۱D درک شدت نور

درک ارتباط بین تحریک شبکیه و آنچه می‌بینیم (ادراک) مسلماً مشکل اصلی در بینایی است و رابطه‌ی درخشندگی (اندازه‌گیری فیزیکی شدت نور) و روشنایی (احساسی که توسط شدت نور ایجاد می‌شود) احتمالاً ساده‌ترین نقطه برای بررسی این چالش است.

As indicated in the text, how we see the brightness differences (i.e., contrast) between adjacent territories having distinct luminances depends in part on the relative firing rate of retinal ganglion cells, modified by lateral interactions. However, there is a problem with the assumption that the central nervous system simply “reads out” these relative rates of ganglion cell activity to sense brightness. The difficulty, as in perceiving color, is that the brightness of a given target is markedly affected by its context in ways that are difficult or impossible to explain in terms of the retinal output as such. The accompanying figures, illustrate two simultaneous brightness contrast illusions that make this point. In Figure A, two photometrically identical (equiluminant) gray squares appear differently bright as a function of the background in which they are presented. A conventional interpretation of this phenomenon is that the receptive field properties illustrated in Figures 11.14 through 11.17 cause ganglion cells to fire differently depending on whether the surround of the equiluminant target is dark or light. The demonstration in Figure B. however, undermines this explanation, since in this case the target surrounded by more dark area actually looks darker than the same target surrounded by more light area.

همانطور که در متن اشاره شده است، چگونگی دیدن تفاوت‌های روشنایی (یعنی کنتراست) بین مناطق مجاور با درخشندگی‌های متمایز، تا حدی به نرخ شلیک نسبی سلول‌های گانگلیونی شبکیه بستگی دارد که توسط تعاملات جانبی اصلاح می‌شوند. با این حال، مشکلی در این فرض وجود دارد که سیستم عصبی مرکزی به سادگی این نرخ‌های نسبی فعالیت سلول‌های گانگلیونی را برای حس روشنایی “می‌خوانند”. مشکل، مانند درک رنگ، این است که روشنایی یک هدف مشخص به طور قابل توجهی تحت تأثیر زمینه آن قرار می‌گیرد، به روش‌هایی که توضیح آن بر اساس خروجی شبکیه دشوار یا غیرممکن است. شکل‌های همراه، دو خطای دید کنتراست روشنایی همزمان را نشان می‌دهند که این نکته را بیان می‌کنند. در شکل الف، دو مربع خاکستری از نظر فوتومتریک یکسان (با روشنایی برابر) به عنوان تابعی از پس‌زمینه‌ای که در آن ارائه می‌شوند، با روشنایی متفاوت به نظر می‌رسند. تفسیر مرسوم از این پدیده این است که خواص میدان گیرنده نشان داده شده در شکل‌های 11.14 تا 11.17 باعث می‌شود سلول‌های گانگلیونی بسته به اینکه محیط اطراف هدف با روشنایی برابر تاریک یا روشن باشد، به طور متفاوتی شلیک کنند. با این حال، نمایش شکل ب، این توضیح را تضعیف می‌کند، زیرا در این حالت، هدفی که با ناحیه تاریک‌تری احاطه شده است، در واقع تاریک‌تر از همان هدفی است که با ناحیه روشن‌تری احاطه شده است.

An alternative interpretation of luminance perception that can account for these puzzling phenomena is that brightness percepts are generated on the basis of experience as means of contending with the fact that biological vision does not have the ability to measure the physical parameters objects and conditions in the world (in this case, surface reflectance and illumination). Since to be successful an observer has to respond to the real world sources of luminance and not to light intensity as such, this ambiguity of the retinal stimulus presents a quandary. A plausible solution to the inherent uncertainty of the relationship between luminance. values and their actual sources would be to generate the sensation of brightness elicited by a given luminance (e.g.. in the brightness of the identical test patches in the figure) on the basis of what the luminance of the test patches had typically turned out to be in the past experience of human observers. To get the understand of need for this sort of strategy consider Figure C, which shows that the equiluminant target patches in Figure A could have been generated by two differently painted surfaces in different illuminants, as in a comparison of the target patches on the left and middle cubes, or two similarly reflecting surfaces similar amounts light, as in a comparison of the target patches on the middle and right cubes. An expedient and perhaps the only-way the visual system can cope with this profound uncertainty is to generate the perception of the stimull in Figure A and B empirically that is, based on what the target patches typically turned out to signify in the past. Since the equiluminant targets will have arisen from a variety of possible sources, it makes sense to have the lightness elicited by the patches determined by the relative frequency of occurrence of that luminance in the particular context in which it is presented. The advantage of seeing luminance according to the relative probabilities of the possible sources of the stimulus is that percepts generated in this way give the observer the best chance of making appropri- ate behavioral responses to real world sources that can’t be measured.

تفسیر دیگری از ادراک روشنایی که می‌تواند این پدیده‌های گیج‌کننده را توضیح دهد، این است که ادراک روشنایی بر اساس تجربه ایجاد می‌شود، به عنوان وسیله‌ای برای مقابله با این واقعیت که بینایی بیولوژیکی توانایی اندازه‌گیری پارامترهای فیزیکی اشیاء و شرایط موجود در جهان (در این مورد، بازتاب سطح و روشنایی) را ندارد. از آنجایی که برای موفقیت، یک ناظر باید به منابع روشنایی دنیای واقعی پاسخ دهد و نه به شدت نور به خودی خود، این ابهام محرک شبکیه‌ای یک سردرگمی ایجاد می‌کند. یک راه حل قابل قبول برای عدم قطعیت ذاتی رابطه بین مقادیر روشنایی و منابع واقعی آنها، ایجاد احساس روشنایی ناشی از یک روشنایی معین (مثلاً در روشنایی تکه‌های آزمایشی یکسان در شکل) بر اساس آنچه روشنایی تکه‌های آزمایشی معمولاً در تجربه گذشته ناظران انسانی به نظر می‌رسید، خواهد بود. برای درک نیاز به این نوع استراتژی، شکل ج را در نظر بگیرید که نشان می‌دهد لکه‌های هدف با روشنایی یکسان در شکل الف می‌توانند توسط دو سطح رنگ‌آمیزی شده متفاوت در روشن‌کننده‌های مختلف ایجاد شوند، مانند مقایسه لکه‌های هدف روی مکعب‌های چپ و وسط، یا دو سطح بازتابنده مشابه با مقادیر نور مشابه، مانند مقایسه لکه‌های هدف روی مکعب‌های وسط و راست. یک راه حل و شاید تنها راهی که سیستم بینایی می‌تواند با این عدم قطعیت عمیق کنار بیاید، ایجاد درک محرک در شکل الف و ب به صورت تجربی است، یعنی بر اساس آنچه لکه‌های هدف معمولاً در گذشته نشان می‌دادند. از آنجایی که اهداف با روشنایی یکسان از منابع مختلف ممکن ناشی می‌شوند، منطقی است که روشنایی ایجاد شده توسط لکه‌ها توسط فراوانی نسبی وقوع آن روشنایی در زمینه خاصی که در آن ارائه می‌شود، تعیین شود. مزیت دیدن روشنایی بر اساس احتمالات نسبی منابع احتمالی محرک این است که ادراکات ایجاد شده به این روش، بهترین شانس را برای مشاهده‌گر فراهم می‌کند تا پاسخ‌های رفتاری مناسبی به منابع دنیای واقعی که قابل اندازه‌گیری نیستند، ارائه دهد.

(A) Standard illusion of simultaneous brightness contrast. (B) Another illusion of simultaneous brightness contrast that is difficult to explain in conventional terms. (C) Cartoons of some possible sources of the standard simultaneous brightness contrast illusion in (A). (Courtesy of R. B. Lotto and D. Purves.)

(الف) خطای دید استاندارد کنتراست روشنایی همزمان. (ب) خطای دید دیگری از کنتراست روشنایی همزمان که توضیح آن با اصطلاحات مرسوم دشوار است. (ج) کارتون‌هایی از برخی منابع احتمالی خطای دید استاندارد کنتراست روشنایی همزمان در (الف). (با تشکر از آر. بی. لوتو و دی. پوروز.)

The receptive fields of ON and OFF center ganglion cells have overlapping distributions in visual space, so several ON-center and several OFF center ganglion cells analyze every point on the retinal surface (i.e., every part of visual space). Peter Schiller and his colleagues at the Massachusetts Institute of Technology, who examined the effects of pharmacologically inactivating ON center ganglion cells on a monkey’s ability to detect visual stimuli, suggested a rationale for having two distinct types of retinal ganglion cells. After silencing ON-center ganglion cells, the animals showed a deficit in their ability to detect stimuli that were brighter than the back- ground; however, they could still see objects that were darker than the background.

میدان‌های گیرنده سلول‌های گانگلیون مرکزی روشن و خاموش، توزیع‌های همپوشانی در فضای بصری دارند، بنابراین چندین سلول گانگلیون مرکزی روشن و چندین سلول گانگلیون مرکزی خاموش، هر نقطه روی سطح شبکیه (یعنی هر بخش از فضای بصری) را تجزیه و تحلیل می‌کنند. پیتر شیلر و همکارانش در موسسه فناوری ماساچوست، که اثرات غیرفعال‌سازی دارویی سلول‌های گانگلیون مرکزی روشن را بر توانایی میمون در تشخیص محرک‌های بصری بررسی کردند، منطقی برای داشتن دو نوع متمایز از سلول‌های گانگلیون شبکیه پیشنهاد کردند. پس از خاموش کردن سلول‌های گانگلیون مرکزی روشن، حیوانات در توانایی خود در تشخیص محرک‌هایی که روشن‌تر از پس‌زمینه بودند، نقص نشان دادند. با این حال، آنها هنوز می‌توانستند اشیایی را که تیره‌تر از پس‌زمینه بودند، ببینند.

FIGURE 11.17 ON and OFF center retinal ganglion cell responses to stimulation of different regions of their receptive fields. Upper panels indicate the time sequence of stimulus changes; note the overlapping receptive fields. (A) Effects of light spot in the receptive field center. (B) Effects of dark spot in the receptive field center.

شکل ۱۱.۱۷ پاسخ‌های سلول‌های گانگلیونی شبکیه در مرکز روشن و خاموش به تحریک نواحی مختلف میدان‌های گیرنده‌شان. پنل‌های بالایی توالی زمانی تغییرات محرک را نشان می‌دهند؛ به همپوشانی میدان‌های گیرنده توجه کنید. (الف) اثرات نقطه نورانی در مرکز میدان گیرنده. (ب) اثرات نقطه تاریک در مرکز میدان گیرنده.

These observations imply that information about increases or decreases in luminance is carried separately to the brain by reciprocal changes in the activity of these two types of retinal ganglion cells. Why there are separate “channels” for light and dark remains unclear, although there is increasing evidence that there are additional differences in the morphology and the response properties of ON and OFF center ganglion cells that are important to consider. Compared with ON center ganglion cells, OFF center ganglion cells are more numerous and have smaller dendritic fields, endowing them with a capacity for greater spatial resolution. Combined with evidence from statistical analysis of natural visual scenes showing that dark edges are more numerous, the presence of separate ON-center and OFF center pathways may be another example of the remarkable power of natural selection to optimize the coding of information in sensory pathways to match the properties of the physical environment.

این مشاهدات نشان می‌دهد که اطلاعات مربوط به افزایش یا کاهش روشنایی، به طور جداگانه توسط تغییرات متقابل در فعالیت این دو نوع سلول گانگلیونی شبکیه به مغز منتقل می‌شود. اینکه چرا “کانال‌های” جداگانه‌ای برای نور و تاریکی وجود دارد، هنوز مشخص نیست، اگرچه شواهد فزاینده‌ای وجود دارد که تفاوت‌های بیشتری در مورفولوژی و خواص پاسخ سلول‌های گانگلیونی مرکز روشن و خاموش وجود دارد که بررسی آنها مهم است. در مقایسه با سلول‌های گانگلیونی مرکز روشن، سلول‌های گانگلیونی مرکز خاموش تعداد بیشتری دارند و میدان‌های دندریتی کوچکتری دارند که به آنها ظرفیت تفکیک مکانی بیشتری می‌دهد. در کنار شواهد حاصل از تجزیه و تحلیل آماری صحنه‌های بصری طبیعی که نشان می‌دهد لبه‌های تاریک تعداد بیشتری دارند، وجود مسیرهای جداگانه مرکز روشن و مرکز خاموش ممکن است نمونه دیگری از قدرت قابل توجه انتخاب طبیعی برای بهینه‌سازی کدگذاری اطلاعات در مسیرهای حسی برای مطابقت با خواص محیط فیزیکی باشد.

The functional differences between these two cell types can be understood in terms of both their anatomy and their physiological properties and relationships. ON and OFF center ganglion cells have dendrites that arborize in separate strata of the inner plexiform layer, forming synapses selectively with the terminals of ON and OFF center bipolar cells that respond to luminance increases and decreases, respectively (Figure 11.18A). As mentioned previously, the principal difference between ganglion cells and bipolar cells lies in the nature of their electrophysiological responses. Like most other cells in the retina, bipolar cells have graded potentials rather than action potentials. Graded depolarization of bipolar cells leads to an increase in transmitter release (glutamate) at their synapses and consequent depolarization of the ON-center ganglion cells that they contact via AMPA, kainate, and NMDA receptors.

تفاوت‌های عملکردی بین این دو نوع سلول را می‌توان از نظر آناتومی و خواص و روابط فیزیولوژیکی آنها درک کرد. سلول‌های گانگلیونی مرکز روشن و خاموش دارای دندریت‌هایی هستند که در لایه‌های جداگانه‌ای از لایه شبکه‌ای داخلی قرار گرفته‌اند و به صورت انتخابی با پایانه‌های سلول‌های دوقطبی مرکز روشن و خاموش که به ترتیب به افزایش و کاهش روشنایی پاسخ می‌دهند، سیناپس تشکیل می‌دهند (شکل 11.18A). همانطور که قبلاً ذکر شد، تفاوت اصلی بین سلول‌های گانگلیونی و سلول‌های دوقطبی در ماهیت پاسخ‌های الکتروفیزیولوژیکی آنها نهفته است. مانند اکثر سلول‌های دیگر در شبکیه، سلول‌های دوقطبی به جای پتانسیل عمل، پتانسیل‌های درجه‌بندی شده دارند. دپلاریزاسیون درجه‌بندی شده سلول‌های دوقطبی منجر به افزایش آزادسازی فرستنده (گلوتامات) در سیناپس‌های آنها و در نتیجه دپلاریزاسیون سلول‌های گانگلیونی مرکز روشن می‌شود که از طریق گیرنده‌های AMPA، کاینات و NMDA با آنها تماس می‌گیرند.

The selective response of ON and OFF center bipolar cells to light increments and decrements is explained by the fact that they express different types of glutamate receptors (see Figure 11.18A). OFF center bipolar cells have ionotropic receptors (AMPA and kainate) that cause the cells to depolarize in response to glutamate released from photoreceptor terminals. In contrast, ON center bipolar cells express a G-protein coupled metabotropic glutamate receptor (mGluR6). When bound to glutamate, these receptors activate an intracellular cascade that closes cGMP-gated Na⁺ channels, reducing inward current and hyperpolarizing the cell. Thus, glutamate has opposite effects on these two classes of cells, depolarizing OFF center bipolar cells and hyperpolarizing ON center cells. Photoreceptor synapses with OFF center bipolar cells are described as sign conserving, since the sign of the change in membrane potential of the bipolar cell (depolarization or hyperpolarization) is the same as that in the photoreceptor. Photoreceptor synapses with ON center bipolar cells are called sign inverting because the change in the membrane potential of the bipolar cell is the opposite of that in the photoreceptor. In order to understand the response of ON and OFF center bipolar cells to changes in light intensity, recall that photoreceptors hyperpolarize in response to light increments, decreasing their release of neurotransmitter (Figure 11.18B). Under these conditions, ON center bipolar cells contacted by the photoreceptors are freed from the hyperpolarizing influence of the photoreceptor’s transmitter, and they depolarize. In contrast, for OFF center cells, the reduction in glutamate represents the withdrawal of a depolarizing influence, and these cells hyperpolarize. Decrements in light intensity naturally have the opposite effect on these two classes of bipolar cells, hyperpolarizing ON center cells and depolarizing OFF center ones (Figure 11.18C).

پاسخ انتخابی سلول‌های دوقطبی مرکز روشن و خاموش به افزایش و کاهش نور با این واقعیت توضیح داده می‌شود که آنها انواع مختلفی از گیرنده‌های گلوتامات را بیان می‌کنند (شکل 11.18A را ببینید). سلول‌های دوقطبی مرکز خاموش دارای گیرنده‌های یونوتروپیک (AMPA و kainate) هستند که باعث می‌شوند سلول‌ها در پاسخ به گلوتامات آزاد شده از پایانه‌های گیرنده نوری، دپلاریزه شوند. در مقابل، سلول‌های دوقطبی مرکز روشن، یک گیرنده گلوتامات متابوتروپیک متصل به پروتئین G (mGluR6) را بیان می‌کنند. هنگامی که این گیرنده‌ها به گلوتامات متصل می‌شوند، یک آبشار درون سلولی را فعال می‌کنند که کانال‌های Na+ وابسته به cGMP را می‌بندد، جریان داخلی را کاهش می‌دهد و سلول را بیش‌قطبی می‌کند. بنابراین، گلوتامات اثرات متضادی بر این دو دسته از سلول‌ها دارد، سلول‌های دوقطبی مرکز خاموش را دپلاریزه و سلول‌های مرکز روشن را بیش‌قطبی می‌کند. سیناپس‌های گیرنده نوری با سلول‌های دوقطبی مرکز خاموش به عنوان سیناپس‌های حفظ‌کننده علامت توصیف می‌شوند، زیرا علامت تغییر در پتانسیل غشای سلول دوقطبی (دپلاریزاسیون یا بیش‌قطبی‌سازی) همان علامت در گیرنده نوری است. سیناپس‌های گیرنده نوری با سلول‌های دوقطبی مرکز ON، معکوس‌کننده علامت نامیده می‌شوند، زیرا تغییر در پتانسیل غشای سلول دوقطبی، عکس تغییر در گیرنده نوری است. برای درک پاسخ سلول‌های دوقطبی مرکز ON و OFF به تغییرات شدت نور، به یاد داشته باشید که گیرنده‌های نوری در پاسخ به افزایش نور، بیش‌قطبی می‌شوند و آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی آنها کاهش می‌یابد (شکل 11.18B). در این شرایط، سلول‌های دوقطبی مرکز ON که با گیرنده‌های نوری در تماس هستند، از تأثیر بیش‌قطبی فرستنده گیرنده نوری آزاد می‌شوند و دپلاریزه می‌شوند. در مقابل، برای سلول‌های مرکز OFF، کاهش گلوتامات نشان دهنده حذف تأثیر دپلاریزه کننده است و این سلول‌ها بیش‌قطبی می‌شوند. کاهش شدت نور به طور طبیعی اثر معکوسی بر این دو دسته از سلول‌های دوقطبی دارد، سلول‌های مرکز ON بیش‌قطبی می‌شوند و سلول‌های مرکز OFF دپلاریزه می‌شوند (شکل 11.18C).

FIGURE 11.18 Circuitry responsible for generating receptive field center responses of retinal ganglion cells. (A) Functional anatomy of cone inputs to the center of a ganglion cell receptive field. A plus indicates a sign conserving synapse; a minus represents a sign inverting synapse. (B) Responses of the various cell types to the presentation of a light spot in the center of the ganglion cell receptive field. (C) Responses of the various cell types to the presentation of a dark spot in the center of the ganglion cell receptive field.

شکل ۱۱.۱۸ مدار مسئول ایجاد پاسخ‌های مرکز میدان گیرنده سلول‌های گانگلیون شبکیه. (الف) آناتومی عملکردی ورودی‌های مخروطی به مرکز میدان گیرنده سلول گانگلیون. علامت مثبت نشان دهنده سیناپس حفظ کننده علامت است؛ علامت منفی نشان دهنده سیناپس معکوس کننده علامت است. (ب) پاسخ‌های انواع مختلف سلول به ارائه یک نقطه روشن در مرکز میدان گیرنده سلول گانگلیون. (ج) پاسخ‌های انواع مختلف سلول به ارائه یک نقطه تاریک در مرکز میدان گیرنده سلول گانگلیون.

The Adjustable Operating Range of Retinal Ganglion Cells

As noted, the polarity of luminance change (light versus dark) is encoded by different populations of ganglion cells, but these ganglion cells must be sensitive to these changes over the extremely broad range of luminance values that occurs during the typical day and night cycle (almost 10).

محدوده عملیاتی قابل تنظیم سلول‌های گانگلیون شبکیه

همانطور که اشاره شد، قطبیت تغییر درخشندگی (روشنایی در مقابل تاریکی) توسط جمعیت‌های مختلف سلول‌های گانگلیون کدگذاری می‌شود، اما این سلول‌های گانگلیون باید به این تغییرات در طیف بسیار وسیعی از مقادیر درخشندگی که در طول چرخه معمول روز و شب رخ می‌دهد (تقریباً 10) حساس باشند.

FIGURE 11.19 Adaptive changes in ganglion cell operating range. A series of curves illustrating the discharge rate of a single ON center ganglion cell to the onset of a small test spot of light in the center of its receptive field. Each curve represents the discharge rate evoked by spots of varying intensity at a constant background level of receptive field center illumination, which is given by the numbers at the top of each curve. The highest background level is 0, the lowest -5. Examples at top of figure depict the receptive field center at different background levels of illumination. The response rate is proportional to stimulus intensity over a range of 1 log unit, but the operating range shifts to the right as the background level of illumination increases. (After Sakmann and Creutzfeldt, 1969.)

شکل ۱۱.۱۹ تغییرات تطبیقی ​​در محدوده عملکرد سلول گانگلیونی. مجموعه‌ای از منحنی‌ها که میزان تخلیه یک سلول گانگلیونی با مرکز روشن را تا شروع یک نقطه نور آزمایشی کوچک در مرکز میدان گیرنده آن نشان می‌دهند. هر منحنی نشان دهنده میزان تخلیه برانگیخته شده توسط نقاط با شدت متغیر در یک سطح پس‌زمینه ثابت از روشنایی مرکز میدان گیرنده است که با اعداد بالای هر منحنی نشان داده شده است. بالاترین سطح پس‌زمینه ۰ و پایین‌ترین آن ۵- است. مثال‌های بالای شکل، مرکز میدان گیرنده را در سطوح مختلف روشنایی پس‌زمینه نشان می‌دهند. میزان پاسخ متناسب با شدت محرک در محدوده ۱ واحد لگاریتمی است، اما محدوده عملکرد با افزایش سطح روشنایی پس‌زمینه به سمت راست تغییر می‌کند. (به نقل از ساکمن و کروتزفلد، ۱۹۶۹.)

We have already considered the specializations in the rod and cone systems and the adaptation mechanisms in the phototransduction cascade that adjust the sensitivity of the retina to these dramatically different light intensities. But even within a single visual scene there are significant differences in light intensity that must be accommodated quickly by the visual system as we make rapid and frequent eye movements to objects of interest. The problem is well illustrated by considering the experience one has with digital photography, where even when adjusting exposure for the average level of light in a scene, it is often the case that details in some regions of the photographic image are lost because the light levels exceed or fall below the camera sensor’s operating range. Circuits within the retina do a remarkable job of adjusting the operating range of retinal ganglion cell responses so that they continue to supply information despite rapid changes in luminance.

ما قبلاً تخصص‌های موجود در سیستم‌های میله‌ای و مخروطی و مکانیسم‌های سازگاری در آبشار انتقال نور را که حساسیت شبکیه را به این شدت‌های نور بسیار متفاوت تنظیم می‌کنند، بررسی کرده‌ایم. اما حتی در یک صحنه بصری واحد، تفاوت‌های قابل توجهی در شدت نور وجود دارد که باید به سرعت توسط سیستم بصری با حرکات سریع و مکرر چشم به سمت اشیاء مورد نظر، تطبیق داده شود. این مشکل با در نظر گرفتن تجربه‌ای که فرد با عکاسی دیجیتال دارد، به خوبی نشان داده می‌شود، جایی که حتی هنگام تنظیم نوردهی برای سطح متوسط ​​نور در یک صحنه، اغلب جزئیات در برخی از مناطق تصویر عکاسی از بین می‌رود زیرا سطح نور از محدوده عملکرد حسگر دوربین بیشتر یا کمتر می‌شود. مدارهای درون شبکیه کار قابل توجهی در تنظیم محدوده عملکرد پاسخ‌های سلول‌های گانگلیونی شبکیه انجام می‌دهند تا آنها علیرغم تغییرات سریع در روشنایی، به ارائه اطلاعات ادامه دهند.

Figure 11.19 shows how the response rate of an ON center ganglion cell to a small spot of light turned on in its receptive field center varies as a function of the spot’s intensity. The response rate is roughly proportional to the spot’s intensity over a range of about 1 log unit. However, the intensity of spot illumination required to evoke a given discharge rate is dependent on the level of illumination in the receptive field center prior to the onset of the spot. Increases in background level of illumination are accompanied by adaptive shifts in the ganglion cell’s operating range such that greater stimulus intensities are required to achieve the same discharge rate. By scaling the ganglion cell’s response to prevailing levels of illumination (adjusting the gain), the entire dynamic range of a ganglion cell’s firing rate can be used to encode information about intensity differences over the range of luminance values that are relevant for a given part of the visual scene. Thus, ganglion cell firing rate is not an absolute measure of light intensity, but a value that reflects the prevailing luminance conditions.

شکل 11.19 نشان می‌دهد که چگونه نرخ پاسخ یک سلول گانگلیون مرکز ON به یک نقطه کوچک نور روشن شده در مرکز میدان گیرنده آن، به عنوان تابعی از شدت نقطه تغییر می‌کند. نرخ پاسخ تقریباً متناسب با شدت نقطه در محدوده حدود 1 واحد لگاریتمی است. با این حال، شدت روشنایی نقطه مورد نیاز برای ایجاد یک نرخ تخلیه معین، به سطح روشنایی در مرکز میدان گیرنده قبل از شروع نقطه بستگی دارد. افزایش سطح روشنایی پس‌زمینه با تغییرات تطبیقی ​​در محدوده عملیاتی سلول گانگلیون همراه است، به طوری که برای دستیابی به همان نرخ تخلیه، شدت محرک‌های بیشتری مورد نیاز است. با مقیاس‌بندی پاسخ سلول گانگلیون به سطوح غالب روشنایی (تنظیم بهره)، می‌توان از کل محدوده دینامیکی نرخ شلیک یک سلول گانگلیون برای رمزگذاری اطلاعات مربوط به تفاوت‌های شدت در محدوده مقادیر روشنایی که برای یک بخش معین از صحنه بصری مرتبط هستند، استفاده کرد. بنابراین، نرخ شلیک سلول گانگلیون معیار مطلقی از شدت نور نیست، بلکه مقداری است که منعکس کننده شرایط روشنایی غالب است.

Several lines of evidence indicate that adjustments in the gain of ganglion cell response are due to changes that occur beyond the level of the photoreceptor. In particular, dynamic regulation of neurotransmitter release within the bipolar cell terminal is thought to play a major role in ganglion cell adaptation. Other factors such as synaptic inputs from amacrine cells and mechanisms intrinsic to ganglion cells’ spike generation mechanism are also implicated.

شواهد متعددی نشان می‌دهد که تنظیمات در افزایش پاسخ سلول‌های گانگلیونی به دلیل تغییراتی است که فراتر از سطح گیرنده نوری رخ می‌دهد. به طور خاص، تصور می‌شود که تنظیم دینامیکی آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی در ترمینال سلول دوقطبی نقش عمده‌ای در سازگاری سلول‌های گانگلیونی ایفا می‌کند. عوامل دیگری مانند ورودی‌های سیناپسی از سلول‌های آماکرین و مکانیسم‌های ذاتی مکانیسم تولید اسپایک سلول‌های گانگلیونی نیز در این امر دخیل هستند.

Luminance Contrast and Receptive Field Surrounds

Kuffler’s work also called attention to the fact that retinal ganglion cells do not act as simple photodetectors. Indeed, most ganglion cells are relatively poor at signaling differences in the level of diffuse illumination. Instead, they are sensitive to differences between the level of illumination that falls on the receptive field center and the level of illumination that falls on the surround that is, to luminance contrast. The center of a ganglion cell receptive field is surrounded by a concentric region that, when stimulated, antagonizes the response to stimulation of the receptive field center (see Figure 11.20). For example, presentation of a small spot of light in the center of the receptive field of an ON center ganglion cell generates a response that is enhanced as the spot size increases. But once the size of the spot exceeds the receptive field center and enters the surround, further increases in the diameter of the stimulus lead to a progressive decrease in the cell’s response. OFF center ganglion cells exhibit a similar surround antagonism with reversed polarity: the increase in response that occurs to the presentation of a dark spot that fills the center of an OFF center ganglion cell receptive field is reduced when the dark spot extents into the receptive field surround. Because of their antagonistic surrounds, most ganglion cells respond much more vigorously to small spots of light confined to their receptive field centers than to either large spots or to uniform illumination of the visual field. Thus, the information supplied by the retina to central visual stations for further processing does not give equal weight to all regions of the visual scene; rather, it emphasizes the regions where there are spatial differences in luminance: that is, object boundaries.

کنتراست روشنایی و محیط‌های میدان گیرنده

کار کافلر همچنین توجه را به این واقعیت جلب کرد که سلول‌های گانگلیون شبکیه به عنوان آشکارسازهای نوری ساده عمل نمی‌کنند. در واقع، اکثر سلول‌های گانگلیون در سیگنال‌دهی تفاوت‌ها در سطح روشنایی پراکنده نسبتاً ضعیف هستند. در عوض، آنها به تفاوت‌های بین سطح روشنایی که بر مرکز میدان گیرنده می‌افتد و سطح روشنایی که بر محیط اطراف می‌افتد، یعنی کنتراست روشنایی، حساس هستند. مرکز میدان گیرنده یک سلول گانگلیون توسط یک ناحیه متحدالمرکز احاطه شده است که وقتی تحریک می‌شود، پاسخ به تحریک مرکز میدان گیرنده را خنثی می‌کند (شکل 11.20 را ببینید). به عنوان مثال، ارائه یک نقطه کوچک نور در مرکز میدان گیرنده یک سلول گانگلیون مرکز ON پاسخی ایجاد می‌کند که با افزایش اندازه نقطه افزایش می‌یابد. اما هنگامی که اندازه نقطه از مرکز میدان گیرنده فراتر رود و وارد محیط اطراف شود، افزایش بیشتر قطر محرک منجر به کاهش تدریجی پاسخ سلول می‌شود. سلول‌های گانگلیونی مرکز OFF، آنتاگونیسم محیطی مشابهی را با قطبیت معکوس نشان می‌دهند: افزایش پاسخی که در اثر ارائه یک نقطه تاریک که مرکز میدان گیرنده سلول گانگلیونی مرکز OFF را پر می‌کند، رخ می‌دهد، زمانی که نقطه تاریک به داخل محیط میدان گیرنده گسترش می‌یابد، کاهش می‌یابد. به دلیل محیط‌های آنتاگونیستی، اکثر سلول‌های گانگلیونی به نقاط کوچک نور محدود به مراکز میدان گیرنده خود، بسیار شدیدتر از نقاط بزرگ یا روشنایی یکنواخت میدان بینایی پاسخ می‌دهند. بنابراین، اطلاعاتی که توسط شبکیه به ایستگاه‌های بینایی مرکزی برای پردازش بیشتر ارائه می‌شود، به همه مناطق صحنه بینایی وزن یکسانی نمی‌دهد؛ بلکه بر مناطقی تأکید می‌کند که در آنها تفاوت‌های مکانی در روشنایی وجود دارد: یعنی مرزهای اشیاء.

Like the mechanism responsible for generating the ON and OFF center response, the antagonistic surround of ganglion cells is thought to be a product of interactions that occur at the early stages of retinal processing. Much of the antagonism is believed to arise via lateral connections established by horizontal cells and receptor terminals (Figure 11.21). Horizontal cells receive synaptic inputs from photoreceptor terminals and are linked via gap junctions with a vast network of other horizontal cells distributed over a wide area of the retinal surface. As a result, the activity in horizontal cells reflects levels of illumination over a broad area of the retina. Although the details of their actions are not entirely clear, horizontal cells are thought to exert their influence via action on photoreceptor terminals, regulating the amount of transmitter that the photoreceptors release onto bipolar cell dendrites. 

همانند مکانیسم مسئول ایجاد پاسخ مرکز روشن و خاموش، تصور می‌شود که احاطه‌ی آنتاگونیستی سلول‌های گانگلیونی محصول تعاملاتی است که در مراحل اولیه‌ی پردازش شبکیه رخ می‌دهد. اعتقاد بر این است که بخش عمده‌ای از این تضاد از طریق اتصالات جانبی ایجاد شده توسط سلول‌های افقی و پایانه‌های گیرنده ایجاد می‌شود (شکل 11.21). سلول‌های افقی ورودی‌های سیناپسی را از پایانه‌های گیرنده‌های نوری دریافت می‌کنند و از طریق اتصالات شکاف‌دار با شبکه‌ی وسیعی از سلول‌های افقی دیگر که در ناحیه‌ی وسیعی از سطح شبکیه توزیع شده‌اند، مرتبط می‌شوند. در نتیجه، فعالیت در سلول‌های افقی، سطوح روشنایی را در ناحیه‌ی وسیعی از شبکیه منعکس می‌کند. اگرچه جزئیات عملکرد آنها کاملاً مشخص نیست، اما تصور می‌شود که سلول‌های افقی از طریق عمل بر روی پایانه‌های گیرنده‌های نوری، تأثیر خود را اعمال می‌کنند و میزان فرستنده‌ای را که گیرنده‌های نوری بر روی دندریت‌های سلول‌های دوقطبی آزاد می‌کنند، تنظیم می‌کنند.

FIGURE 11.20 Responses of ON center ganglion cells to different light conditions. (A) The rate of discharge of an ON center cell to a spot of light as a function of the distance of the spot from the receptive field center. Zero on the x axis corresponds to the center; at a distance of 5°, the spot falls outside the receptive field. (B) Response of an ON center ganglion cell to the increase in the size of a spot of light placed in the receptive field center. As the spot increases in size to fill the center, the response of the ganglion cell increases, but as it extends into the receptive field surround, the response of the ganglion cell decreases. (B after Hubel and Wiesel, 1961.)

شکل ۱۱.۲۰ پاسخ سلول‌های گانگلیون مرکز ON به شرایط نوری مختلف. (الف) میزان تخلیه یک سلول مرکز ON به یک نقطه نور به عنوان تابعی از فاصله نقطه از مرکز میدان گیرنده. صفر روی محور x مربوط به مرکز است؛ در فاصله 5 درجه، نقطه در خارج از میدان گیرنده قرار می‌گیرد. (ب) پاسخ یک سلول گانگلیون مرکز ON به افزایش اندازه یک نقطه نور قرار گرفته در مرکز میدان گیرنده. با افزایش اندازه نقطه برای پر کردن مرکز، پاسخ سلول گانگلیون افزایش می‌یابد، اما با گسترش آن به داخل میدان گیرنده، پاسخ سلول گانگلیون کاهش می‌یابد. (ب برگرفته از هیوبل و ویزل، 1961.)

Glutamate release from photoreceptor termi- nals has a depolarizing effect on horizontal cells (signconserving synapse), while horizontal cells have a hyperpolarizing influence on photoreceptor terminals (sign inverting synapse) (see Figure 11.21A). As a result, the net effect of inputs from the horizontal cell network is to oppose changes in the membrane potential of the photoreceptor that are induced by phototransduction events in the outer segment. Figure 11.21B illustrates how these events lead to surround suppression in an ON center ganglion cell. A small spot of light centered on a photoreceptor supplying input to the center of the ganglion cell’s receptive field produces a strong hyperpolarizing response in the photoreceptor. Under these conditions, changes in the membrane potential of the horizontal cells that synapse with the photoreceptor terminal are relatively small, and the response of the photoreceptor to light is largely determined by its phototransduction cascade. With the addition of light to the surround, however, the impact of the horizontal network becomes significantly greater; the light induced reduction in the release of glutamate from the photoreceptors in the surround leads to a strong hyperpolarization of the horizontal cells whose processes converge on the terminal of the photoreceptor in the receptive field center. The reduction in activity of the horizontal cells has a depolarizing effect on the membrane potential of the central photoreceptor, reducing the light- evoked response, and ultimately reducing the firing rate of the ON-center ganglion cell.

آزادسازی گلوتامات از پایانه‌های گیرنده نوری، اثر دپلاریزاسیون بر روی سلول‌های افقی (سیناپس حفظ‌کننده علامت) دارد، در حالی که سلول‌های افقی اثر هایپرپلاریزاسیون بر روی پایانه‌های گیرنده نوری دارند (سیناپس معکوس‌کننده علامت) (شکل 11.21A را ببینید). در نتیجه، اثر خالص ورودی‌ها از شبکه سلولی افقی، مخالفت با تغییرات در پتانسیل غشای گیرنده نوری است که توسط رویدادهای انتقال نوری در بخش بیرونی القا می‌شوند. شکل 11.21B نشان می‌دهد که چگونه این رویدادها منجر به سرکوب فراگیر در یک سلول گانگلیون مرکزی ON می‌شوند. یک نقطه کوچک نور که بر روی یک گیرنده نوری متمرکز شده و ورودی را به مرکز میدان گیرنده سلول گانگلیون می‌رساند، یک پاسخ هایپرپلاریزاسیون قوی در گیرنده نوری ایجاد می‌کند. در این شرایط، تغییرات در پتانسیل غشای سلول‌های افقی که با پایانه گیرنده نوری سیناپس می‌کنند، نسبتاً کوچک هستند و پاسخ گیرنده نوری به نور تا حد زیادی توسط آبشار انتقال نوری آن تعیین می‌شود. با این حال، با اضافه شدن نور به محیط اطراف، تأثیر شبکه افقی به طور قابل توجهی بیشتر می‌شود؛ کاهش ناشی از نور در آزادسازی گلوتامات از گیرنده‌های نوری در محیط اطراف منجر به هایپرپلاریزاسیون قوی سلول‌های افقی می‌شود که زوائد آنها در انتهای گیرنده نوری در مرکز میدان گیرنده همگرا می‌شوند. کاهش فعالیت سلول‌های افقی، اثر دپلاریزاسیون بر پتانسیل غشای گیرنده نوری مرکزی دارد و پاسخ برانگیخته شده توسط نور را کاهش می‌دهد و در نهایت سرعت شلیک سلول گانگلیونی مرکز ON را کاهش می‌دهد.

Thus, even at the earliest stages in visual processing, neural signals do not represent the absolute numbers of photons that are captured by a receptor, but rather the relative intensity of stimulation-how much the current level of stimulation differs from previous stimulation levels, and how much it differs from the activity of neurons in adjacent areas of the retina (see Box 11D). These network mechanisms allow retinal circuits to reliably convey the most salient aspects of luminance changes to the central stages of the visual system described in Chapter 12.

بنابراین، حتی در مراحل اولیه پردازش بینایی، سیگنال‌های عصبی تعداد مطلق فوتون‌هایی که توسط یک گیرنده دریافت می‌شوند را نشان نمی‌دهند، بلکه شدت نسبی تحریک را نشان می‌دهند – اینکه سطح فعلی تحریک چقدر با سطوح تحریک قبلی متفاوت است و چقدر با فعالیت نورون‌ها در نواحی مجاور شبکیه متفاوت است (به کادر 11D مراجعه کنید). این مکانیسم‌های شبکه‌ای به مدارهای شبکیه اجازه می‌دهند تا برجسته‌ترین جنبه‌های تغییرات روشنایی را به طور قابل اعتمادی به مراحل مرکزی سیستم بینایی که در فصل 12 توضیح داده شده است، منتقل کنند.

FIGURE 11.21 Circuitry responsible for the receptive field surround of an ON center retinal ganglion cell. (A) Functional anatomy of horizontal cell inputs responsible for generating surround antagonism. A plus indicates a signconserving synapse; a minus represents a sign inverting synapse. (B) Responses of various cell types to the presentation of a light spot in the center of the receptive field (†1) followed by the addition of light stimulation in the surround (t2). Light stimulation of the surround leads to hyperpolarization of the horizontal cells and a decrease in the hyperpolarizing influence of horizontal cell processes on the photoreceptor terminals. The net effect is to depolarize the center cone terminal, offsetting much of the hyperpolarization induced by the transduction cascade in the center cone’s outer segment.

شکل۱۱.۲۱ مدارهای مسئول احاطه میدان گیرنده یک سلول گانگلیونی شبکیه مرکز ON. (الف) آناتومی عملکردی ورودی‌های سلول افقی مسئول ایجاد آنتاگونیسم احاطه. علامت مثبت نشان دهنده یک سیناپس حفظ کننده علامت است؛ علامت منفی نشان دهنده یک سیناپس معکوس کننده علامت است. (ب) پاسخ انواع مختلف سلول به ارائه یک نقطه نور در مرکز میدان گیرنده (†1) و به دنبال آن اضافه شدن تحریک نوری در محیط (t2). تحریک نوری محیط منجر به هایپرپلاریزاسیون سلول‌های افقی و کاهش تأثیر هایپرپلاریزاسیون فرآیندهای سلولی افقی بر پایانه‌های گیرنده نوری می‌شود. اثر خالص، دپلاریزاسیون پایانه مخروط مرکزی است که بخش زیادی از هایپرپلاریزاسیون ناشی از آبشار انتقال در بخش بیرونی مخروط مرکزی را جبران می‌کند.

Summary

Light falling on photoreceptors is transformed by retinal circuitry into a pattern of action potentials that ganglion cell axons convey to the visual centers in the rest of the brain. This process begins with phototransduction, a biochemical cascade that ultimately regulates the opening and closing of ion channels in the membrane of the photoreceptor’s outer segment, and thereby the amount of neurotransmitter the photoreceptor releases. Two systems of photoreceptorsrods and conesallow the visual system to meet the conflicting demands of sensitivity and acuity, respectively. Retinal ganglion cells operate quite differently from the photoreceptor cells. Two distinct classes of ganglion cells convey information about luminance increments and decrements (light and dark). Retinal circuits dynamically regulate the sensitivity of retinal ganglion cells and adjust their operating range to permit changes in activity to convey information over a broad range of stimulus conditions. The center surround arrangement of ganglion cell receptive fields enhances the activity of those ganglion cells that carry the most information about object boundaries in the visual scene.

خلاصه

نوری که بر گیرنده‌های نوری می‌افتد توسط مدارهای شبکیه به الگویی از پتانسیل‌های عمل تبدیل می‌شود که آکسون‌های سلول‌های گانگلیونی آن را به مراکز بینایی در بقیه مغز منتقل می‌کنند. این فرآیند با انتقال نوری آغاز می‌شود، یک آبشار بیوشیمیایی که در نهایت باز و بسته شدن کانال‌های یونی در غشای بخش بیرونی گیرنده نوری و در نتیجه میزان انتقال‌دهنده عصبی آزاد شده توسط گیرنده نوری را تنظیم می‌کند. دو سیستم گیرنده‌های نوری میله‌ای و مخروطی به سیستم بینایی اجازه می‌دهند تا به ترتیب نیازهای متضاد حساسیت و حدت را برآورده کند. سلول‌های گانگلیونی شبکیه کاملاً متفاوت از سلول‌های گیرنده نوری عمل می‌کنند. دو دسته مجزا از سلول‌های گانگلیونی اطلاعات مربوط به افزایش و کاهش روشنایی (روشنایی و تاریکی) را منتقل می‌کنند. مدارهای شبکیه به طور پویا حساسیت سلول‌های گانگلیونی شبکیه را تنظیم کرده و محدوده عملکرد آنها را تنظیم می‌کنند تا تغییرات در فعالیت را برای انتقال اطلاعات در طیف وسیعی از شرایط محرک ممکن سازند. آرایش مرکزی و محیطی میدان‌های گیرنده سلول‌های گانگلیونی، فعالیت آن دسته از سلول‌های گانگلیونی را که بیشترین اطلاعات را در مورد مرزهای اشیاء در صحنه بینایی حمل می‌کنند، افزایش می‌دهد.

ADDITIONAL READING