Forschungsbericht 2018 - Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research)

Spezies-spezifische Verschaltung der Säugetier-Netzhaut

Autoren
Briggman, Kevin
Abteilungen
Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research), Bonn
Zusammenfassung
Bei Säugetieren variiert der Durchmesser des Auges um mehr als eine Größenordnung. Objekte im visuellen Raum durchqueren die Retinaoberfläche eines großen Auges schneller als die eines kleinen Auges. Das wirft die Frage auf, wie verschiedene Spezies die Geschwindigkeit sich bewegender Objekte kodieren. Mittels vergleichender Verbindungs- und Computermodellierung zeigen wir die unterschiedliche Platzierung von Synapsen zwischen Neuronen in der Maus- gegenüber der Kaninchenretina. Dies weist auf eine Anpassung in der neuralen Verschaltung hin, die Unterschiede im Augendurchmesser kompensiert.
Abb. 1: Der Durchmesser des Auges bestimmt, mit welcher Geschwindigkeit sich ein projiziertes Objekt über die Retina bewegt.

Für die meisten Tiere mit einem hochentwickelten Sehsystem ist es überlebenswichtig, sich bewegende Objekte wie Raubtiere oder Beute zu erkennen. Entscheidend ist dabei nicht nur zu registrieren, ob sich etwas im Sehfeld bewegt, sondern auch, die Bewegungsrichtung zu bestimmen. Bei vielen Tierarten erfolgt diese Berechnung – also die Unterscheidung, ob sich ein Objekt nach oben, nach unten, nach links oder nach rechts bewegt – bereits frühzeitig im Sehsystem auf der Ebene der Netzhaut (Retina), also des photosensitiven Nervengewebes im hinteren Teil des Auges. Viele Studien haben untersucht, wie diese Berechnung durch die verschiedenen Typen von Nervenzellen in der Retina ausgeführt wird. Sie zeigen, welche Nervenzellen an der Richtungsberechnung beteiligt sind und wie das präzise Verschaltungsmuster zwischen den Neuronen diese Berechnung ermöglicht.

Der neuronale Schaltkreis, der die Bewegungsrichtung berechnet, wird oft als richtungsselektiver Schaltkreis der Retina bezeichnet. Eine Untergruppe der retinalen Ausgabeneuronen, die sogenannten richtungsselektiven retinalen Ganglionzellen (DSGCs), leiten optische Informationen an das restliche Gehirn weiter und kodieren die Bewegungsrichtung entlang der vier Sichtachsen (oben, unten, links oder rechts) [1]. Diese Nervenzellen empfangen hemmende Synapsen von einer Klasse von Interneuronen, den sogenannten Starburst-Amakrinzellen (SACs), die ihre Bezeichnung ihrer einzigartigen symmetrischen Morphologie verdanken [2]. Während bereits seit längerem bekannt war, dass die von solchen SACs auf die DSGCs einwirkenden hemmenden Synapsen entscheidend für die Berechnung der Richtungsselektivität sind [3], wurde erst kürzlich beschrieben, dass die Berechnung auf der Grundlage der biophysikalischen Eigenschaften von SACs und eines sehr genauen Verschaltungsmusters erfolgt [4,5].

In unserer aktuellen Arbeit haben wir uns auf ein Problem konzentriert, das aufgrund der erheblichen Schwankungsbreite der Augendurchmesser zwischen den verschiedenen Tierarten entsteht und die Frage aufwirft, wie sich diese Unterschiede auf die Berechnung der Richtung auswirken [6]. So misst das Auge einer Maus beispielsweise im Durchmesser 3 Millimeter, während die Augen größerer Säugetiere wie Kaninchen einen Durchmesser von rund 15 Millimeter aufweisen – also das Fünffache. Der Durchmesser eines Auges und die Linse entscheiden darüber, wie groß ein Objekt im Sehfeld auf der Oberfläche der Netzhaut abgebildet wird. Ein Objekt, das sich auf 10 Grad des Sehfeldes erstreckt, wird auf der Netzhautoberfläche eines Kaninchens auf einer Fläche von ca. 1500 Mikrometern abgebildet, während diese Größenordnung auf der Netzhautoberfläche der Maus nur bei 300 Mikrometern liegt. Diese Differenz erstreckt sich auch auf die Geschwindigkeit sich bewegender Objekte – ein sich mit einer Winkelgeschwindigkeit von 10 Grad/Sek. bewegendes Objekt streift die Netzhautoberfläche eines Kaninchens mit einer linearen Geschwindigkeit, die fünf Mal schneller ist als die bei der Netzhaut einer Maus.

Aus dieser Differenz ergibt sich die Frage, wie verschiedene Säugetierarten die gleichen Bandbreiten von Winkelgeschwindigkeiten erkennen können. Wenn die richtungsselektiven Schaltkreise in den Netzhäuten von Kaninchen und Mäusen identisch sind, würde dies bedeuten, dass die beiden Arten verschiedene Winkelgeschwindigkeitsbereiche der visuellen Bewegung (d. h. verschoben um einen Faktor von fünf) erkennen. Wenn andererseits die Evolution darauf hinwirkt, dass beide Arten ähnliche Winkelgeschwindigkeitsbereiche erkennen können, so sollten sich die Schaltkreise unterscheiden, um die unterschiedlichen Augendurchmesser auszugleichen. Diese beiden konkurrierenden Hypothesen haben uns veranlasst, die Anatomie der Maus- und Kaninchenretina im Detail zu vergleichen und nach Unterschieden in der Verschaltung der richtungsselektiven Schaltkreise zu suchen.

Abb.2: Anpassungen in den synaptischen Verdrahtungen der „Starburst“-Amakrinzellen (SAC) können die Unterschiede bezüglich der projizierten Geschwindigkeiten bei Maus und Kaninchen angleichen.

Als erstes haben wir mithilfe der dreidimensionalen Elektronenmikroskopie riesige Datenmengen über die Mausretina gesammelt und dabei die serielle Blockflächen-Rasterelektronenmikroskopie angewandt. Dann haben wir die Lage der erregenden und hemmenden Synapsen auf den dendritischen Ästen der SACs in den Daten abgebildet. Dabei stellten wir einen auffälligen Unterschied in der Organisation der synaptischen Eingänge an SACs in der Mausretina im Vergleich zu früher beschriebenen Rekonstruktionen der synaptischen Eingänge von SACs in der Kaninchenretina fest. Die hemmenden Eingänge gruppierten sich entlang der Dendriten proximal zu den Zellkörpern der Mäuse-SACs, während sie entlang der Dendriten von Kaninchen-SACs eher distal verteilt waren. Um herauszufinden, wie sich die Lageverschiebung der hemmenden Eingänge auswirkt, haben wir ein Berechnungsmodell für ein Netzwerk von Starburst-Amakrinzellen erstellt.

Angesichts unserer detaillierten anatomischen Rekonstruktionen konnten wir unser Netzwerkmodell erheblich eingrenzen, insbesondere durch die Verwendung realistischer Dendritendurchmesser, Synapsenstellen und Statistiken über die Inter-SAC-Konnektivität. Anschließend haben wir die richtungsselektiven Eigenschaften unseres Modells durch Simulation eines Lichtstreifens untersucht, der bei unterschiedlichen linearen Geschwindigkeiten über das Modell geführt wurde. Als wir das Modell zwecks Reproduktion des in der Kaninchenretina beobachteten Konnektivitätsmusters verschaltet haben, hat es in den SACs richtungsselektive Reaktionen erzeugt, die über rund 1 Millimeter/Sek. hinausgingen. Als wir dann aber die Lage der hemmenden synaptischen Verbindungen verschoben haben, um das Verschaltungsmuster der Maus zu reproduzieren, verringerte sich der Geschwindigkeitsbereich der richtungsselektiven Reaktionen auf Geschwindigkeiten von rund 0,2 Millimeter/Sek. Mit anderen Worten: Die einfache Veränderung des Verteilung der hemmenden Synapsen entlang der Dendriten der SACs verlagert den Geschwindigkeitsbereich von richtungsselektiven Reaktionen nahezu um einen Faktor von fünf – was ungefähr dem Unterschied im Augendurchmesser entspricht, den wir oben beschrieben haben.

Unsere Daten unterstützen deshalb die Hypothese, dass sich richtungsselektive Schaltkreise in der Netzhaut entwickelt haben, um es den Säugetieren zu ermöglichen, Objekte, die sich in ähnlichen Winkelgeschwindigkeiten bewegen, zu sehen und darauf zu reagieren. Die Netzhaut erreicht dies durch Veränderung der Verschaltung in einer relativ subtilen Weise, die wir nur über großflächige anatomische Rekonstruktionen im Nanometerbereich erkennen konnten. Wenn unsere Hypothese stimmt, können wir von einer Generalisierung der unterschiedlichen Verschaltungsmuster in Bezug auf weitere Arten mit noch größeren oder noch kleinen Augendurchmessern ausgehen – eine Forschungsaufgabe, der wir uns jetzt zuwenden. Ganz allgemein zeigt diese Untersuchung, welche Vorteile es bietet, die detaillierte Konnektivität des Gehirns über verschiedene Arten hinweg zu vergleichen. In unserem Fall hat uns dieser vergleichende Ansatz (‘vergleichende Konnektomik’) ermöglicht, zu untersuchen, welche Eigenschaften eines neuronalen Schaltkreises für eine bestimmte Berechnung wesentlich und welche Details artspezifisch sind.

Literaturhinweise

1.
Barlow, H. B.; Hill, R. M.; Levick, W. R.
Retinal ganglion cells responding selectively to direction and speed of image motion in the rabbit
The Journal of Physiology (Lond.) 173, 377-407 (1964)
2.
Euler, T.; Detwiler, P. B.; Denk, W.
Directionally selective calcium signals in dendrites of starburst amacrine cells
Nature 418, 845-852 (2002)
3.
Briggman K. L.; Helmstaedter M.; Denk W.
Wiring specificity in the direction-selectivity circuit of the retina
Nature 471, 183-8 (2011)
4.
Ding H.; Smith R. G.; Poleg-Polsky A.; Diamond J. S.; Briggman K. L.
Species-specific wiring for direction selectivity in the mammalian retina
Nature 535, 105-10 (2016)
5.
Denk, W.; Horstmann, H.
Serial block-face scanning electron microscopy to reconstruct three-dimensional tissue nanostructure
PLoS Biol. 2, e329 (2004)
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