Retinale Photorezeptoren nutzen zwei Wege, um dem Gehirn zu sagen: „Ich habe das Licht gesehen.“

Neurowissenschaftler der Johns Hopkins Medicine, Baltimore, USA, haben bei der Arbeit mit Netzhautzellen von Säugetieren gezeigt, dass ein spezieller Typ von retinalen Photorezeptoren zwei verschiedene Pfade nutzt, um elektrische „Seh“-Signale an das Gehirn zu übertragen. Den Forschern zufolge könnten diese Photorezeptoren evolutionär gesehen uralte Ursprünge haben.

Diese und weitere Erkenntnisse wurden im Fachjournal „PNAS“ veröffentlicht.

Die neue Forschungsarbeit wurde von Dr. King-Wai Yau, Professor in der Abteilung für Neurowissenschaften an der Johns Hopkins University School of Medicine, und Guang Li, Postdoktorand, geleitet. Kings frühere Arbeiten führten zu Fortschritten beim Verständnis der Art und Weise, wie lichtempfindliche Zellen im Auge von Säugetieren Signale an das Gehirn weiterleiten. Diese Erkenntnisse könnten den Wissenschaftlern helfen, herauszufinden, warum Menschen ohne Augenlicht noch Licht wahrnehmen können.

Photorezeptoren der Netzhaut

Bei Tieren, einschließlich den Menschen, befinden sich Photorezeptoren in der Netzhaut, die auf Licht reagieren. Die Stäbchen und Zapfen analysieren visuelle Signale, die über elektrische Signale an das Gehirn weitergeleitet werden, welches das „Gesehene“ dann interpretiert. Eine weitere Art von retinalen Photorezeptoren, die intrinsisch photosensitiven retinalen Ganglienzellen (ipRGCs), verwenden Axone, die den Sehnerv bilden, um die visuellen Signale von Stäbchen und Zapfen zu übertragen. Die ipRGCs erfüllen auch andere Funktionen, wie zum Beispiel die Einstellung der lichtgesteuerten zirkadianen Rhythmen des Körpers und die Unterscheidung von Kontrast und Farbe.

Signalisierung der Lichterkennung

Es ist bekannt, dass Photorezeptoren bei Tieren Licht über einen nach dem Ursprung der Zelle benannten Signalweg erkennen. Photorezeptoren mit „mikrovillärem“ Ursprung, wie die im Auge der Fruchtfliege, verwenden das Enzym Phospholipase C, um die Lichterkennung zu signalisieren. Photorezeptoren mit ziliärem Ursprung, wie die in unseren Stäbchen und Zapfen, nutzen hingegen einen zyklischen Nukleotidweg. Die meisten Photorezeptoren verwenden zur Signalisierung der Lichterkennung entweder den mikrovillären oder den ziliären Signalweg, nicht beide. In Experimenten zum besseren Verständnis der Funktionsweise von ipRGCs fand das Team von Yau jedoch heraus, dass ipRGCs beide Wege gleichzeitig nutzen.

Die Forscher entdeckten dies, indem sie ipRGCs kurzen Impulsen von hellem Licht aussetzten. Unter diesen Bedingungen erzeugt der mikrovilläre Signalweg schnellere elektrische Reaktionen und geht, mit einer gewissen Überlappung, einer langsameren Reaktion des ziliaren Signalwegs voraus.

Das Team von Yau fand heraus, dass alle sechs Subtypen von ipRGCs sowohl mikrovilläre als auch ziliäre Signalmechanismen – wenn auch zu unterschiedlichen Anteilen – gleichzeitig nutzen.

Zudem konnten die Wissenschaftler beobachten, dass die meisten Photorezeptoren, die den ziliaren Signalweg nutzen, cGMP als Signalgeber verwenden. Während die ipRGCs cAMP nutzen, welches der Qualle ähnelt, einem auf der Evolutionsskala viel älteren Tier. Dies deutet darauf hin, dass ipRGCs einen uralten Ursprung haben könnten.

Diese Studie wurde durch einen Zuschuss der National Institutes of Health (R01 EY014596) und einen Beckman-Argyros Award in Vision Research finanziert.