Het oog; neurale functie van de retina

De retina bestaat uit 10 verschillende lagen. Hieronder staan de verschillende lagen (buitenste laag staat bovenaan). (1) Pigmentlaag, (2) Laag van staafjes en kegeltjes, (3) Buitenste membraan, (4) Buitenste kernlaag, (5) Buitenste plexiforme laag, (6) Binnenste kernlaag, (7) Binnenste plexiforme laag, (8) Ganglionlaag, (9) Laag van optische zenuwvezels en (10) Binnenste membraan. In dit artikel wordt de anatomie en fysiologie van het oog kort beschreven.

Anatomie en functies van de retina
Wanneer licht door de lens heen valt, komt het eerst de binnenste membraan, de optische zenuwvezels en ganglionlaag tegen. Vervolgens gaat het licht door de andere lagen van en bereikt de receptoren (staafjes en kegeltjes). De fovea (gele vlek) is een gespecialiseerd gebied (ongeveer 1 vierkante millimeter). In het centrum van de fovea bevindt zich de centrale fovea (van 0,3 vierkante millimeter). In de centrale fovea is het zicht het beste (het meest precies). In dit gedeelte van het oog bevinden zich alleen kegeltjes en kan zeer goed kleur worden waargenomen. Gebieden van de retina die verder van de fovea af liggen, bevatten steeds minder kegeltjes. Elke fotoreceptor bestaat uit een (1) een buitenste segment, (2) een binnenste segment, (3) een kernregio en (4) het synaptische lichaam. De receptoren worden zoals eerder geschreven kegeltjes en staafjes genoemd (welke afhangt van de vorm van het buitenste segment). Het lichtgevoelige fotopigment rodopsine zit in het buitenste segment van het staafje. Een soortgelijk kleurgevoelig pigment fotopsine zit in het buitenste segment van het kegeltje. Deze fotopigmenten zijn eiwitten welke gestapeld zijn in het buitenste segment van de receptor. De binnenste segmenten van de staafjes en kegeltjes zijn niet te onderscheiden en bevatten cytoplasmatische componenten en organellen die in alle neuronale cellichamen voorkomen. Individuele fotoreceptoren kernen lopen gelijkmatig door met hun binnenste segment. De buitenste membraan van de retina vormt echter een niet geheel gescheiden grens tussen de laag van het binnenste segment en buitenste kernlaag (fotoreceptorkernen). Het synaptische lichaam bevat mitochondria en synaptische blaasjes die ook in de termini van axonen in de hersenen voorkomen. Het zwarte pigment (melanine) reduceert reflectie in het oog. Het belang van dit pigment wordt duidelijk bij mensen (albino’s) die dit pigment ontberen. In het oog van albino’s is zeer veel reflectie en hebben een visuele nauwkeurigheid van 20/100. In de pigmentlaag kan ook veel vitamine A worden opgeslagen, wat belangrijk in zien in de schemering.
De centrale arterie Retinalis voorziet de binnenste lagen van het oog van bloed (ganglioncellen en binnenste kernlaag). De buitenste lagen van het oog krijgen bloed via diffusie van uitermate goed gevasculariseerde choroide, welke tussen de sclera en retina zit. Wanneer een persoon een trauma ondergaat, kan de retina los laten. Dit los laten van de retina heeft plaats tussen de neuronale retina en het gepigmenteerde epitheel. Omdat de retina deels van bloed wordt voorzien middels de centrale arterie Retinalis, kan de retina enkele dagen blijven leven, nadat het is los gegaan.

Fotochemie van het zien
Rodopsine-Retinale cyclus en excitatie van de staafjesreceptoren
Rodopsine ontleedt door lichtenergie. Het fotopigment van de staafjes zit met name in het buitenste segment. Rodospine is een eiwit wat bestaat uit scotopsine en het carotenoïde pigment Retinal (meer specifiek: 11-cis retinal). Wanneer lichtenergie door rodopsine wordt geabsorbeerd ondergaat retinal een transformatie naar trans-retinal en laat het retinal los van het scotopsine. Dit loslaten gaat zeer snel. Het retinal wordt verder gemetaboliseerd in lumirodopsine, metarodopsine I, metarodopsine II en uiteindelijk scotopsine. Van metarodopsine wordt gedacht dat electrische veranderingen in het staafjesmembraan veroorzaakt, waardoor een impuls in het retina ontstaat. Hierna komt de rodopsineformatie op gang. In de eerste stap van de reformatie van rodopsine wordt trans-retinal omgezet in 11-cis retinal en dit bindt direct aan scotopsine en vormt rodopsine. Een andere weg leidt ook tot de vorming van rodopsine; trans-retinal wordt omgezet in trans-retinol (is een vorm van Vitamine A). Retinol wordt enzymatisch omgezet in 11-cis retinol en dan tot 11-cis retinal. 11-Cis retinal bindt aan scotopsine en vormt rodopsine. Wanneer een overmaat aan retinal in de retina aanwezig is, wordt het omgezet in Vitamine A. Hierdoor vermindert de totale hoeveelheid Rodopsine in het oog. Nachtblindheid komt voor bij mensen met een Vitamine A-deficientie, omdat de staafjes maximaal geprikkeld worden in het schemerlicht. Nachtblindheid verdwijnt binnen een uur na een intraveneuze injectie met Vitamine A.

Activatie van Rodopsine: hyperpolarisatie en staafjes membraanpotentiaal
Fotoreceptoren van de staafjes functioneren anders, dan andere neurale receptoren. In het donker (afwezigheid van fotostimulatie), lekt in het buitenste membranen Natrium. Natrium verhoogt het membraanpotentiaal van -70 tot -80 millivolt naar een meer positieve waarde van -40 millivolt. Wanneer licht op het buitenste segment van het staafje valt, ondergaat rodopsine bovenstaande reacties. Dit verlaagt het binnenstromen van Natriumionen. Sommige Natriumionen worden continue uit de cel gepompt. Het celinterieur wordt meer negatief en hyperpolariseert. Het uitscheiden van transmitter stopt.
Wanneer licht op een fotoreceptot valt, bereikt de hyperpolarisatie binnen 0,3 seconden een piek en duurt de hyperpolarisatie meer dan een seconde. De grootte van het receptorpotentiaal logaritmisch proportioneel aan de lichtintensiteit. Dit heeft een grote functionaliteit tot gevolg, omdat het oog lichtintensiteit binnen een zeer grote marge kan onderscheiden. Het is het gevolg van een extreem gevoelig chemische cascade die de stimulus ’n miljoen keer versterkt. Geactiveerd rodopsine (metarodopsine II) functioneert als een enzym, die veel transducinemoleculen activeert. Het geactiveerde transducine activeert fosfodiesterase. Fosfodiesterase hydrolyseert veel moleculen cyclisch guanosine monofosfaat (cGMP). Het verlies van cGMP resulteert in het sluiten van de Natriumkanalen. Hierdoor hyperpolariseert het membraan. Binnen 1 seconde is het metarodopsine II geïnactiveerd en de gehele reactie draait om. Het membraanpotentiaal depolariseert als de Natriumkanalen weer openen en Natrium lekt wederom het buitenste segment binnen. Fotoreceptoren van de kegeltjes functioneren op ongeveer dezelfde wijze als de staafjes, maar de versterking is 30 tot 300 keer kleiner.

Fotochemie, kleurenzicht, kegeltjes
Net zoals in de staafjes is het fotochemische transductieproces in de kegeltjes afhankelijk van een opsine (fotopsine) en retinal. Fotopsine heeft een chemische samenstelling die verschilt van rodopsine. Er zijn drie verschillende kegeltjes. Elk kegeltje wordt gekaraktiseerd door een ander fotopsine die maximaal gevoelig is voor bepaalde golflengte van blauw, groen en rood licht van het lichtspectrum.

Licht- of donkeradaptatie: gevoeligheid van Retinal
Wanneer het oog blootgesteld wordt aan fel licht, raken grote hoeveelheden van de fotochemicaliën in zowel de staafjes, als kegeltjes op. Retinal wordt omgezet in Vitamine A. Het gevolg is een verminderde gevoeligheid voor licht. Dit wordt lichtadaptatie genoemd. In het donker worden de opsines en retinal terug omgezet in lichtgevoelige pigmenten. Ook wordt Vitamine A omgezet in retinal, waardoor er nog meer lichtgevoelig pigment is. Dit wordt donkeradaptatie genoemd. Het laatst beschreven proces vindt vier keer zo snel plaats in kegeltjes, dan in staafjes. Kegeltjes zijn echter veel minder gevoelig voor licht, dan staafjes. Kegeltjes adapteren maar enkele minuten. Staafjes adapteren minuten tot uren. Adaptatie kan ook optreden door veranderingen in de diameter van de pupil. De pupil kan vergroten, of verkleinen met een factor 30 binnen een fractie van een seconde. Neurale adaptatie kan ook optreden in de retina en de hersenen. Wanneer de lichtintensiteit toeneemt, neemt de geleiding van bipolaire cellen naar horizontale cellen richting amacriene en ganglioncellen ook toe. Hoewel neurale adaptatie minder belangrijk is, dan diameterveranderingen van de pupil, is deze vorm van adaptatie wel zeer snel. De waarde van adaptieve processen voor licht en donker is zeer belangrijk. Het oog kan zijn gevoeligheid voor licht met een factor 500000 tot 1 miljoen veranderen. De intensiteit van zonlicht is 10 miljard keer de lichtintensiteit van een heldere nacht. Toch kan het oog in beide situaties behoorlijk functioneren.

Kleur zien
Het drie kleuren mechanisme
Spectrumgevoeligheid van de drie kegeltjes is gebaseerd op de lichtabsorptie curven van de drie pigmenten van de kegeltjes. Al het zichtbare (met uitzondering van rood, groen en blauw) is het resultaat van gecombineerde stimulatie van de kegeltjes door twee, of meer kleuren. Gelijktijdige en even grote stimulatie van roodgevoelige, blauwgevoelige en groengevoelige kegeltjes wordt geïnterpreteerd als wit licht. Wanneer een bepaald type kegeltje niet in de retina voorkomt, kunnen sommige kleuren niet onderscheiden worden. Iemand die geen rode kegeltjes heeft wordt een protanope genoemd. Het spectrum is verkort bij de lange golflengte in de afwezigheid van rode kegeltjes. Rood-groen kleurenblindheid is een genetisch defect wat bijna alleen bij mannen voorkomt. Genen op het X-chromosoom die respectievelijk voor rood-groen coderen komen voor op het X-chromosoom. Dit defect komt dus weinig voor bij vrouwen, omdat vrouwen 2 X-chromosomen hebben.

Neurale functies van de retina
Zes typen cellen
• Fotoreceptoren bestaan uit de buitenste segmenten van de staafjes en kegeltjes in de fotoreceptorlaag, een cellichaam in de buitenste kernlaag en een synaptische terminus in de buitenste plexiforme laag.
• Horizontale laag, bipolaire cellen en amacriene cellen ontvangen input van de buitenste plexiforme laag en hebben het cellichaam in de binnenste kernlaag en vormen presynaptische contact in de binnenste plexiforme laag.
• Ganglioncellen ontvangen synaptische input in de binnenste plexiforme laag en hebben axonen die uitlopen in de oogzenuw.
• Interplexiforme cellen zenden signalen in tegengestelde richting-van de binnenste plexiforme naar de buitenste plexiforme laag.
In de fovea, is de weg van signaaltransductie van een kegeltje naar een ganglion relatief direct; receptor, bipolaire cel en een ganglioncel. Horizontale cellen kunnen betrokken zijn in de buitenste plexiforme laag, waar amacriene cellen actief zijn in de binnenste plexiforme laag. Meer perifeer in de retina, waar meer staafjes zijn, kan de input van verschillende staafjes convergeren op 1 bipolaire cel. De bipolaire cel heeft weer output naar een ganglioncel. Horizontale en amacriene cellen kunnen laterale connectiviteit verzorgen.
Neurotransmitters in de retina zijn: glutamine (afgegeven door staafjes en kegeltjes), GABA, glycine, dopamine, acetylcholine en indoleamines (afgegeven door amacriene cellen). Het is onduidelijk welke transmitter door de horizontale, bipolaire en interplexiforme cellen wordt gebruikt. Geleiding van signalen van fotoreceptors tot ganglioncellen is gebaseerd op alleen electrotonische geleiding en niet actiepotentialen. De ganglioncel is het enige retinale neuron die actiepotentialen kan genereren; dit verzekerd dat een signaal in de retina accuraat de lichtintensiteit weergeeft en het geeft de neuronen meer flexibiliteit in hun responskarakteristieken.

Laterale inhibitie, contrast en horizontale cellen
Horizontale cellen hebben laterale verbindingen met synaptische termini van fotoreceptoren en met dendrieten van de bipolaire cellen. De fotoreceptoren die centraal in een lichtstraal liggen, worden maximaal gestimleerd. De fotoreceptoren die meer perifeer liggen van de lichtstraal worden geïnactiveerd door de horizontale cellen (de horizontale cellen worden ook gestimuleerd door de lichtstraal). De omgevende cellen waar de lichtstraal op valt worden geinhibeerd, de centrale cellen worden geëxciteerd (deze termen zijn echter niet geheel correct). Dit principe is de basis voor contrast zien. Amacriene cellen kunnen ook bijdragen aan het versterken van contrast, door hun laterale projectie in de binnenste plexiforme laag. In tegenstelling tot de horizontale cellen hebben amacriene cellen geen axonen. Hun fysiologische werking is zeer complex.

Sommige bipolaire cellen worden geëxciteerd door licht
Sommige bipolaire cellen depolariseren wanneer hun fotoreceptoren gestimuleerd worden door licht, anderen cellen hyperpolariseren. Er zijn twee verklaringen voor dit fenomeen. Bipolaire cellen reageren anders op het vrijgekomen glutamaat; de ene bipolaire cel wordt geëxciteerd de andere geinhibeerd. Ook kan de ene bipolaire cel directe excitatoire informatie ontvangen, terwijl de andere bipolaire indirect geinhibeerd wordt door een horizontale cel. Dit mechanisme draagt bij aan de laterale inhibitie.

Amacriene cellen
Bijna 30 verschillende amacriene cellen zijn op basis van histochemische en morfologische analysetechnieken te onderscheiden. Sommige amacriene cellen reageren heftig op het verschijnen van een visuele stimulus, anderen op het verdwijnen en anderen op het verschijnen en verdwijnen van visuele stimuli. Door de grote verscheidenheid van neurotransmitters die door deze cellen worden gebruikt, kan er geen algemeen effect van deze cellen beschreven worden.

Drie typen van ganglioncellen
Er zijn ongeveer 1,6 miljoen gangliocellen in de retina. Er wordt gedacht dat er ongeveer 100 miljoen staafjes en 3 miljoen kegeltjes in de retina voorkomen. Dit betekent dat 60 staafjes en 2 kegeltjes op 1 ganglioncellen convergeren. Ganglioncellen kunnen verdeeld worden in type W-, X-, en Y-ganglioncellen.
• W-type ganglioncellen maken ongeveer 40% uit van alle ganglioncellen. Deze cellen zijn klein, hebben een somale diamter van 10 micrometer en geleiden signalen relatief traag (8m/sec). De meeste informatie ontvangen deze cellen van de staafjes (via bipolaire en amacriene cellen) en hebben een groot dendrietenveld. Deze cellen zijn met name gevoelig voor bewegingen in het visuele veld en zwart-wit zien.
• X-type ganglioncellen maken ongeveer 55% uit van alle genaglioncellen. Deze cellen hebben een somale diameter van 10 tot 15 micrometer en geleiden signalen met een snelheid van 14 m/sec. Deze cellen hebben een klein dendrietenveld en kunnen daardoor zeer goed discreet lokaliseren. Elke X-cel ontvangt informatie van minimaal 1 kegeltje.
• Y-type ganglioncellen zijn het grootste (somale diameter tot 35 micrometer) en geleiden signalen met 50 m/sec. Deze cellen hebben een groot dendrietenveld. Deze cellen reageren snel op veranderingen in het visuele veld (intensiteit of beweging), maar zijn weinig accuraat.

Ganglioncellen zijn continue actief
De oogzenuw bestaat uit axonen van de gangliocellen. Zelfs wanneer de ganglioncellen niet gestimuleerd worden, zenden deze cellen 5 tot 40 actiepotentialen per seconde.
Veel ganglioncellen zijn bijzonder gevoelig voor veranderingen in lichtintensiteit. Sommige cellen vuren meer bij een verhoogde lichtintensiteit, anderen bij een verlaagde lichtintensiteit. Deze effecten komen door de depolariserende en hyperpolariserende bipolaire cellen. Deze gevoeligheid voor licht is even goed ontwikkelt in de perifere en centrale delen van de retina.

Ganglioncellen zijn gevoelig voor grenzen van contrast, niet de mate van verlichting. Wanneer de fotoreceptoren geactiveerd worden door diffuus licht, verzorgen depolariserende bipolaire cellen excitatoire output. Op hetzelfde moment verzorgen hyperpolariserende bipolaire en horizontale cellen inhibatoire output. Wanneer een lichtstimulus een scherp contrast heeft op de licht-donker grens, hyperpolariseert een fotoreceptor in het licht en het depolariserende signaal wordt via de bipolaire cel richting de ganglioncel geleid. Een andere nabijgelegen fotoreceptor in het donker depolariseert en inactiveert de ganglioncel. Op hetzelfde moment wordt een horizontale cel die verbonden is aan een hyperpolariserende (verlicht) fotoreceptor geïnactiveerd, omdat de fotoreceptor geen transmitter af geeft. De hyperpolariserende invloed van de horizontale cel op de nabijgelegen depolariserende fotoreceptor in het donker raakt verloren en de fotoreceptor depolariseert nog verder. Het donker is nog donkerder en het licht is nog lichter.

Ganglioncelactiviteit: kleursignalen
Sommige ganglioncellen worden gestimuleerd door alle drie typen kegeltjes. Zulke ganglioncel zal de kleur wit verzenden. De meeste ganglioncellen zullen licht van een bepaalde golflengte verzenden. Rood licht kan de ene ganglioncel exciteren en de andere gangliocel inhiberen. Hierdoor kunnen kleuren onderscheiden worden. Omdat het substraat voor zo’n proces in de retina huist, begint recognitie en perceptie van kleur al in de retina.

Lees ook:

Loop geen inkomsten mis, schrijf over hobby, werk of studie en verdien extra inkomsten!

Maak je eigen geldmachine in 8 stappen en wordt financieel onafhankelijk

Hoe werkt het oog?

Hoe ruik je en hoe proef je?

Fysiologie van het horen

Inleiding in de fysiologie van het zenuwstelsel

Bronnen:
JE. Hall, 2006, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology,  Elsevier Inc
GA Thibodeau, Patton KT 2007, Anatomy & Physiology, Mosby/Elsevier
EN Marieb, Hoehn K 2007, Human Anatomy & Physiology, Pearson/Benjamin Cummings