A fény

A retina működése
A szem fényérzékeny sejtjeinek rendszere
A külvilágból érkező, a szem optikai elemei által megfelelő módon leképezett képben hordozott információkat a szem hátsó felszínét borító sejtréteg, a retina fogja fel és alakítja ideg­impulzusok sorozatává, majd a látóideg vezeti az agyba. Az agyban e jelek értelmezésével létrejön a látási érzékelés, vagyis a  megfigyelőt körülvevő formák, színek és mozgások szubjektív észlelete.
A látás a szem és az agy működésének eredménye



















A látás a szem és az agy
működésének eredménye

A retinát három sejtréteg alkotja:
1.
A fény energiáját kémiai és elektromos energiává alakító fényérzékelő sejtek: a pálcikák és csapok;
2.
A bipoláris sejtek, amelyek a jeleket továbbítják;
3.
A ganglionsejtek (dúcsejtek), amelyek axonjainak együttese képezi a látóideget.
Ezek között a sejtek között még két sejtfajta:
4.
a horizontális, és
5.
az amakrin sejtek teremtenek párhuzamos kapcsolatot.

A pálcikák és csapok elektromos jelei a szinapszisokon keresztül először a bipoláris sejtekre, onnan a ganglionsejtekre kerülnek, ezek axonjai pedig a látókéregbe juttatják a jeleket. A  horizontális és az amakrin sejtek az eredetileg párhuzamos idegpályákon futó jeleket összekapcsolják és szétválasztják, ezzel lehetővé téve olyan bonyolult jel-elemzést, mint például a mozgás érzékelése. A retina - mint a központi idegrendszer kihelyezett része - tehát már egyfajta képelemzést is végez. A még "nyers" vizuális jelekből az agy számára előkészített, komplex információkat tartalmazó jelet állít elő, amelyből aztán az agy megalkotja azt a képet, amit voltaképpen észlelünk.

Az újabb kutatások szerint ez az öt sejttípus nagyon sok - akár ötven - különböző szerkezetű és működésű sejtet is magába foglal, és egyáltalán nem olyan egyszerű rendszert alkot, mint ahogy korábban képzelték. Kutatása mégis megéri a fáradságot, hiszen a retina - mint maga is az agykéreg része - jól modellezheti az agy működésének folyamatait.

Ennek a bonyolult idegi folyamatnak az első lépése a fény­energia idegi jelekké történő átalakítása. Az átalakítást a szem fényérzékelő sejtjei, a pálcikák és a csapok végzik, amelyek a  retina hátulsó felszínén alkotnak hálózatot. A pálcikák gyenge fényben működnek, de annyira érzékenyek, hogy normális, nappali megvilágításnál túlterhelődnek és működésképtelenné válnak. A nappali fényben a látást a csapok biztosítják, amelyek éppen intenzív fényben működnek megfelelően. A csapsejtek által szolgáltatott kép tér- és időbeli részletekben is gazdagabb, sőt a színek érzékelését is lehetővé teszi.

A pálcikákban és csapokban a jel átalakítását és továbbítását az e feladatra specializálódott sejtszervek végzik. A fényt a sejtek szemlencsétől távolabb eső része, az úgynevezett külső szegmens nyeli el, amely azután bonyolult biokémiai folyamatok során elektromos jeleket állít elő. A jelek a sejt másik pólusán, a  szinaptikus végződésen keresztül adódnak át a retina egyéb idegsejtjei (a bipoláris és horizontális) sejtek felé; a jeltovábbítást bizonyos átvivőanyagok (kémiai transzmitterek) teszik lehetővé.A  pálcikák külső szegmense henger alakú, míg a jóval kisebb méretű csapoké általában kúpszerűen elkeskenyedik.
A retina elektronmikroszkópos képén jól látszanak a pálcikák és a közöttük a csapok

A retina elektronmikroszkópos képén jól látszanak a pálcikák és a közöttük a csapok

Mindkét sejttípus külső szegmense nagy kiterjedésű, fényérzékeny membránrendszert tartalmaz, amely a fényt elnyelő látópigment-molekulákkal van tele. A pálcikák látópigmentje a  vöröses színű rodopszin, míg csapsejt háromféle van: a látható fény rövid, közepes, illetve hosszabb hullámhosszúságú tartományára érzékeny pigmentanyagot tartalmazó csapsejt. A  háromféle pigment fényelnyelési sávja tehát különböző, ez képezi a színlátás alapját. Amikor csak a pálcikasejtek segítsé­gével látunk (például a csillagfényes éjszakákon) minden tárgy színtelennek tűnik.
A PÁLCIKA- ÉS CSAPSEJTEK ELEKTROMOS JELEI
Pszichofiziológiai kutatások már a negyvenes években kimutatták, hogy a pálcikák már egyetlen foton elnyelésekor is észlelhető jelet bocsátanak ki válaszképpen. Az ennek igazolására végzett kísérletben a teljes sötétségben ülő vizsgálati alanyok egyik szemére gyenge fényvillanásokat irányítottak. A villanások erősségének változtatásakor azt tapasztalták, hogy a kísérleti személyek általában az olyan rövid felvillanásokat is észlelni tudták, amelyekkel a szemükbe csupán hét foton jutott be. Mivel a  fotonok a vizsgált, 500 pálcikából álló sejtcsoport tagjai között teljesen véletlenszerűen oszlottak el, aligha valószínű, hogy az ötszáz pálcikasejt akármelyike egyetlen fotonnál többet nyelt volna el.

A pálcikák elektromos jelének megmérésére irányuló kezdeti erőfeszítések kudarcba fulladtak, mert a pálcikák hiperpolari­zációs válasza - a közöttük lévő elektromos összeköttetéseken át - átterjed a szomszédos pálcikákra, egy impulzus legalább tíz sejten oszlik el, és így túlságosan kicsivé válik ahhoz, hogy mérni lehessen. Ezért a membránpotenciál mérése helyett - az egyéb tényezőktől független - fényáramok mérésével próbálkoztak.
Ehhez békák, majd egy makákó majomfaj retinájából nyert sejteket vizsgáltak. A méréshez egyetlen sejt külső szegmensét üvegkapillárisba húzták, a pálcikát keresztirányú fénysugárral ingerelték, a fellépő áramot pedig a kapillárishoz kapcsolt érzékeny erősítővel alakították át mérhető nagyságú jellé. A  fényáram nagysága ingadozó, hiszen a fotonok is véletlenszerűen ingadozva érkeznek a pálcikához. Egyetlen foton elnyelése ötven százalékos valószínűséggel vált ki választ, és egy rodopszinmolekula aktiválásakor átlagosan egy pikoamper erősségű fényáram jön létre.

A pálcikák fotonszámláló képessége lenyűgöző ugyan, de nem tökéletes. E sejtek ugyanis időnként még teljes sötétségben is kibocsátanak ugyanolyan jeleket, mint amilyenek a fotonok elnyelődésekor jönnek létre. A majmok retinájának pálcika­sejtjeiben például teljesen véletlenszerűen, átlagosan két és fél percenként jönnek létre ilyen jelek. Keletkezésük oka valószínűleg az, hogy a rodopszin molekuláját a hőenergia éppúgy, bár szerencsére jóval kisebb valószínűséggel aktiválhatja, mint a fény energiája. A látórendszer észleli is ezeket a "hibás" idegi impulzusokat, emiatt tökéletes sötétségben is érzékel némi, roppant gyenge fényt.
A csapok egyetlen fotonra adott válaszai nem mérhetőek, de ha a csapokat olyan felvillanásokkal aktiváljuk, amelyek egyszerre sok látópigment-molekulát működésbe hoznak, az elemi válaszok nagyságát ki lehet számítani. Eszerint a csapok elnyelődő egyetlen foton kb. 10 femtoamperes fényáramot vált ki, amely a pálcika elemi válaszának mintegy századrésze.
A csapsejtek elemi válasza viszont körülbelül négyszer gyorsabb, mint a pálcikáké. A  főemlősök pálcikasejtjeinek idegi impulzusa a foton elnyelése után mintegy 0,3 másodpercig tart; ennyi idő alatt például egy erősen megütött teniszlabda nagyon hosszú utat megtehet. A  csapsejtek viszont – válaszuk nagyobb sebessége révén – a  pálcikáknál tökéletesebben tudják érzékelni a gyorsan változó vizuális ingereket. A csapok kicsi és rövid elemi válaszai tehát lehetővé teszik, hogy erős megvilágítás esetén, amikor a pálcikák túlterhelődnek, a látórendszer érzékelje a tárgyak képének gyors változásait, illetve a gyors mozgásokat. Gyenge megvilágításban viszont a pálcikák kerülnek előtérbe, amelyeknek lassúbb, de nagyobb idegi impulzusai alkalmasak a fotonok igen érzékeny észlelésére.

Gyenge megvilágításban a látás érzékenysége jelentősen megnő. Ekkor ugyanis "átkapcsolunk" a csapsejtekről a sokkal érzékenyebb pálcikákkal történő látásra. Ráadásul a pálcikasejtek érzékenysége fokozatosan javul, ha a háttérfény gyengül. (Az átkapcsolás ideje alatt azonban - például a napfényről az elsötétített szobába lépés utáni 1-2 percben - szinte alig látunk, és csak később tűnnek elő a szoba részletei. Ez az átállás különösen veszélyes autóvezetés közben szürkületkor, amikor a  csapok már nem, a pálcikák pedig még nem működnek megfelelően, a háttérfény pedig csak nagyon lassan változik (szürkületi vakság)).
A pálcikák gyenge fényfelvillanásra adott válaszát teljesen sötétben, majd bekapcsolt háttérfényben megmérve meghatározható, hogy milyen hatást gyakorol a  háttérfény a sejt érzékenységére. A mérések szerint a háttérfény intenzitásának növelésével a pálcika érzékenysége csökken, mivel a pálcikasejt felszíni membránjainak mind több nátriumcsatornája csukódik be, így egyre kevesebb lesz az olyan nátriumcsatorna, amit a fényfelvillanás még bezárhat. Ez egyfajta telítődési mechanizmus. A pálcikák túlterhelődése - és teljes kikapcsolása - olyan erős háttérfénynél következik be, amely körülbelül az égbolt délben mérhető fényességének felel meg. Ekkor már természetesen "teljes gőzzel" üzemelnek a csapok, amelyek - gyorsabb működésük mellett - színessé is teszik világunkat.
HOGYAN LESZ A FÉNYBŐL ÁRAM?
Az idegsejtek (neuronok) általában az anyagcsere-folyama­tokat magában foglaló sejttestből, számos fonalszerűen elágazó nyúlványból - úgynevezett dendritből -, és egy ezeknél némiképp vastagabb, axonnak nevezett nyúlványból állnak. A beérkező jeleket a dendritek fogják fel, az axon pedig olyan pályát képez, amelyen az idegsejt saját jeleit a társaihoz juttatja. A dendriteken sok száz szinapszis található, amelyeken keresztül a sejtek felfogják a többi sejtből érkező jeleket. Ha a jelet átadó sejt akciós potenciálja a szinapszishoz érkezik, hatására a sejtből kémiai hírvivő szabadul fel. Ez az ún. neurotranszmitter diffúzió útján jut át a sejtek közötti résen, és a jelet felfogó sejt dendritjén a sejthártya megfelelő receptoraihoz kötődik. Az ingerületátvivő anyag megkötődése a sejthártya egyes csatornáinak kinyílását idézi elő, a nyitott csatornákon keresztül pedig ionok lépnek be a sejtbe, vagy hagyják el azt.

Az idegsejtek elektromos állapotát sejthártyájuk ioncsatornái határozzák meg. A folyamatban résztvevő legfontosabb ionok a  nátrium-, kálium- és kloridionok. A sejthártya ionpumpái az idegsejtekben bizonyos ionok koncentrációját növelik, illetve csökkentik; ez az oka annak, hogy a sejteken belül a kálium-, a  sejteket körülvevő folyadékban pedig a nátrium- és a klorid­ionok mennyisége nagyobb. E koncentrációkülönbségek minden ionra nézve ún. koncentráció-gradiens kialakulását eredményezik.

Az egyes ionok eltérő megoszlása és a sejtek egyéb töltéshordozó molekulái hatására az idegsejtek belseje mintegy 60-90 millivolttal negatívabb a külső felszínüknél. E feszültség­értéket nyugalmi potenciálnak nevezzük, mivel akkor mérhető, amikor a sejtek nem visznek elektromos jeleket.
Amikor a szi­napszis területén bekövetkező ingerlés megnyitja a szinapszis környezetében elhelyezkedő ioncsatornákat, az ingerelt sejtbe ionok lépnek be, illetve hagyják el azt; a sejt e körülhatárolt területén "felborul" a nyugalmi potenciál. Ha a feszültség pozitív irányba tolódik el, azt mondjuk, hogy a sejt depolarizálódik, ha pedig a feszültség még negatívabbá válik, hiperpolarizációról beszélünk. Az újonnan kialakuló potenciálkülönbség tovaterjed a  sejttest felé, miközben fokozatosan csökken. Ha a sejtet elérő végső depolarizáció még elég nagy, akciós potenciál kialakulását eredményezi. Ezért a depolarizáló ingerek serkentő hatásúak, és az ilyen potenciálkülönbség-változásokat serkentő posztszinap­tikus potenciálnak (ESPS) nevezzük. A gátló ingerek viszont általában hiperpolarizációt eredményeznek, ilyenkor gátló posztszinaptikus potenciálról (IPSP) beszélünk.
Egyes szinapszisok serkentő, mások gátló hatást közvetítenek, attól függően, hogy milyen ioncsatornákat szabályoznak. Amikor az ioncsatornák kinyílnak, a meginduló ionmozgások irányát az egyes ionok koncentráció- és potenciál-gradiense határozza meg. A pozitív töltésű nátriumionok a nyitott nátrium-csatornákon keresztül a sejt belsejébe áramlanak, ami az idegsejt depola­rizációjához vezet. A nátrium-csatornákat szabályozó szinap­szisok tehát serkentő hatásúak.

Ugyanezen elv alapján a káliumionok, amelyek szintén pozitív töltést hordoznak, a kálium-csatornák kinyílásakor elhagyják a  sejt belsejét; koncentráció-gradiensük ugyanis a kiáramlás irányába hat, olyan erősen, hogy legyőzi a potenciál-gradiens által befelé ható hajtóerőt. A kálium ionok távozása hiperpolarizálja a  sejteket, tehát a kálium-csatornákat szabályozó szinapszisok gátló jellegűek. Egyetlen idegsejtet egyidejűleg számos serkentő és gátló inger érhet egyidőben. Az általuk kiváltott potenciálok a  sejttest felé terjednek, és a sejt potenciáljának értékét pozitív vagy negatív irányban befolyásolják.
A PÁLCIKÁK ÉS CSAPOK MŰKÖDÉSÉNEK BIOFIZIKÁJA
A pálcikák fényérzékeny membránrendszere egy kémcsőbe zárt érmeoszlophoz hasonlít: különálló korongocskák rendezett kötege alkotja, amelyet a sejthártyával megegyező szerkezetű membrán burkol. A csapok fényérzékeny membránrendszerét viszont egyetlen bonyolultan hajtogatott membránlemez építi fel, amely egyben sejthártyaként (felszíni membránként) is működik. A pálcikák membránjának térszerkezete arra utal, hogy az információt a fényelnyelés helyétől (a korongoktól) valamilyen könnyen diffundáló anyag, egyfajta "belső ingerület-továbbító" szállítja a sejthártyához, ahol az elektromos jellé alakul. Ez az ingerület-továbbító anyag egy nukleotid, a ciklikus guanozin-monofoszfát (cGMP), amely a csapok információ-átalakítási folyamataiban is részt vesz.

Hogyan alakítják át a pálcikák és a csapok az elnyelt fényt elektromos jellé? A kérdés megválaszolásához először tudnunk kell, hogy miként viselkednek e fényérzékelő sejtek teljes sötétségben. Azt gondolhatnánk, hogy a pálcikák és csapok fény hiányában nyugalmi állapotban vannak; az igazság azonban az, hogy e sejtek sötétben is állandóan aktívak. Más sejtek határhártyájához hasonlóan a pálcikák és a csapok sejthártyája is eltérő ionkoncentrációjú oldatokat választ el egymástól. A fény­érzékeny sejteken belüli és kívüli oldat egyaránt tartalmaz pozitív töltésű nátrium- és káliumionokat; a sejteken kívül a nátriumion koncentrációja nagy, a káliumionoké kicsi, míg a sejteken belül éppen fordított a helyzet. E koncentráció-különbséget egy állan­dóan működő "pumpa" tartja fenn, amely a sejt energiájának rovására folyamatosan eltávolítja a sejtbe jutó nátriumionokat. Kívülről pedig káliumionokat juttat a sejtbe.

Nyugalmi állapotban az idegsejtek többségének sejthártyája a  káliumionokat nagyobb mennyiségben átengedi, mint más ionokat. Mivel a koncentrációjuk a sejten belül nagyobb, a  káliumionok a sejthártyán át kifelé igyekeznek a sejtből. Kifelé mozgásukkal egyben pozitív töltést is szállítanak a sejthártya belső oldaláról a felszínére, és e töltésáthelyeződés következtében a sejt belseje mintegy 0,1 volttal negatívvá válik a környezeténél. A fényérzékelő sejtek káliumáteresztő képessége a belső szeg­mensnél és a szinaptikus végződésnél a legnagyobb.
A fényérzé­kelő sejtekre azonban jellemző, hogy sötétben jelentős mennyi­ségű nátriumiont is áteresztenek. A nátriumban töményebb külső oldatból a nátriumionok - befelé irányuló elektromos áramot hordozva - a sejt belsejébe áramlanak. A befelé irányuló áramlást a sejt többi részén kiáramló káliumionok ellensúlyozzák; az így kialakuló áramkört sötétáramnak nevezzük.

Miután a pálcikasejt vagy a csapsejt fényt nyel el, megszűnik a  nátriumionok beáramlása, miáltal csökken a sötétáram, és ezzel párhuzamosan nő a sejt belsejének negatív töltése. A sejthártya két oldala között fennálló feszültség (az ún. transzmembrán potenciálkülönbség) negatív irányú eltolódását hiperpolarizá­ciónak, a sötétáram csökkenését pedig fényáramnak nevezzük.
Az idegsejtek sejthártyájának viselkedése sötétben és fényben




















Az idegsejtek sejthártyájának viselkedése
sötétben és fényben

A fény által kiváltott hiperpolarizáció a fényérzékelő sejtek külső szegmensében jön létre, de gyorsan átterjed a szinaptikus végződésekre, ahonnan - már mint idegi impulzus - a retina más sejtjeihez továbbítódik. A hiperpolarizációt bizonyos halak, kétéltűek és hüllők retinájának viszonylag nagy méretű pálcika- vagy csapsejtjeibe vezetett mikroelektródokkal mérték. A mérések szerint a fényérzékeny sejtekben a transzmembrán potenciál­különbség sötétben körülbelül -40 millivolt, a fényvillanásokkal előidézett hiperpolarizáció nagysága pedig a felvillanás erősségével párhuzamosan nő. Nagyon erős felvillanás hatására a  hiperpolarizációs válasz nagysága megközelítheti a 30 mV-ot, így a transzmembrán potenciálkülönbség -70 mV-ra csökken.

Miként állítja meg az elnyelt fény a nátriumionok beáramlását a  külső szegmensbe? Ha sötét van, a pálcikákban és csapokban egyaránt nagy a ciklikus guanozin-monofoszfát koncentrációja. A  cGMP a sejthártya pólusaihoz kötődik és kinyitja azokat, így a  nátriumionok beléphetnek a sejtbe. Fény hatására a cGMP kon­centrációja csökken, a cGMP-molekulák leválnak a kötőhelyeikről, így a pórusok bezáródnak. Ezáltal csökken a sejthártya nátrium­ion-áteresztő képessége, és a sejt hiperpolarizálódik.

A cGMP koncentrációjának csökkenéséhez vezető folyamat több lépésből áll. Az első állomás a korongok membránjába beágyazódó rodopszin molekula, amely elnyeli a fényt és beindítja az izgalmi reakciót.
Az első idegi impulzust a sejthártya lipidrétegébe beágyazódott rodopszinmolekula indítja





















Az első idegi impulzust
a sejthártya lipidrétegébe
beágyazódott
rodopszinmolekula indítja

A korongok membránját a lipidmolekulák kettős rétege építi fel. Maga a rodopszin két részből áll: egy 11-cisz-retinálból és opszinból. Az opszin egy fehérje, amelyet a membránt átfúró, hét spirálból álló rész, és az ezeket összekötő egyenes molekulaszakaszok építenek fel. A 11-cisz-retinál (piros) a  membrán közepénél az opszin egyik spiráljához kapcsolódik. Miután elnyel egy fotont, a retinál térbeli szerkezete megváltozik, a molekula kiegyenesedik, és a molekula fehérje része enzimatikusan aktívvá válik
Miután elnyel egy fotont, a retinál megváltoztatja az alakját





Miután elnyel egy fotont,
a retinál megváltoztatja az alakját

Ezután a rodopszin ilyen módon gerjesztett formája aktivál egy transzducinnak nevezett fehérjemolekulát. A transzducin a lánc­reakció kulcsfontosságú szereplője: működésbe hoz egy mind­eddig gátló hatás alatt álló foszfodiészteráz enzimet. Amint aktívvá válik, a foszfodiészteráz rendkívül hatékony működésbe kezd: minden egyes aktív molekula 4200 darab cGMP-molekulát hidrolizál másodpercenként. És ezzel be is következik az a vál­tozás, amely az ioncsatornák bezáródását okozza. A cGMP ugyanis - mint minden nukleotid - két alkotórészből áll: egy bázisból (guanin) és egy öt szénatomos cukormolekulából. Amint arra a  ciklikus szó is utal, a cukor 3 és 5 szénatomját egy foszfátcsoport kapcsolja egymáshoz. A két szénatomot összekötő ún. foszfodiéter-kötés egy gyűrűt hoz létre. Amíg ez a gyűrű sértetlen, a cGMP képes a membrán nátriumcsatornáit nyitva tartani. Amikor azonban a foszfodiészteráz felnyitja ezt a gyűrűt, és az elhasított kötés helyére egy vízmolekulát épít be (hidrolízis), a cGMP 5 GMP-vé alakul, és a nátriumcsatornák önmaguktól bezárulnak. Ez az egész rendszer végeredményben kémiai úton működő fényelektromos erősítőként viselkedik: elég, ha a rodop­szin egyetlen fotont elnyel, ez már több száz cGMP-molekula gyors lebomlásához vezet, ami pedig megakadályozza, hogy milliónyi nátriumion bejuthasson a sejtbe.

Bár a most elemzett - a fent ismertetettnél valójában még bonyolultabb - folyamat még nem teljes mértékben tisztázott, mégis lenyűgöző az a rend, amely a molekulák kavalkádjából előtűnik és amely végső soron a látásunkat szabályozza. Talán ide illenek egy cambridge-i kutató költői sorai:
"A fény olyan hatással van a molekulákra, mint miránk a zene. Vannak olyan molekulák, amelyek semmit sem fognak fel belőle. Mások meg éppen csak "bizseregni" kezdenek. De akad közöttük néhány, amely felpattan, táncra perdül, és sorra váltogatja partnereit."
Kosárba helyezve!