Untersuchung zum Beitrag des ON-Kanals zu zeitlichen und chromatischen Verarbeitungsmechanismen in der Retina

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mithilfe von Dressurexperimenten in Kombination mit dem Einsatz von Neuropharmaka die Bedeutung des retinalen ON-Kanals für zwei visuelle Leistungen des Goldfisches – das kontrastabhängige zeitliche Auflösungsvermögen sowie die Wellenlängenunterscheidungsfähigkeit - zu untersuchen. Da die Tiere nach der pharmakologischen Blockade keinerlei verändertes Verhalten zeigten, kann davon ausgegangen werden, dass der retinale ON-Kanal weder für die Prozessierung des kontrastabhängigen zeitlichen Auflösungsvermögens noch für die Wellenlängenunterscheidungsfähigkeit eine maßgebliche Rolle spielt. Aus den Versuchen zur Wellenlängenunterscheidungsfähigkeit kann des Weiteren abgeleitet werden, dass der ON-Kanal auch für die spektrale Empfindlichkeit der Tiere bei der gegebenen Beleuchtungs- und Dressurbedingungen (L+-Dressur) keine Bedeutung zu haben scheint. Nach den Versuchen zum kontrastabhängigen zeitlichen Auflösungsvermögen kann festgehalten werden, dass das zeitliche Auflösungsvermögen des Goldfisches sich mit abnehmendem Stimuluskontrast verändert: Der für die Tiere wahrnehmbare Flickerfrequenzbereich wird mit abnehmendem Kontrast geringer. Die Flimmerfusionsfrequenz wird im oberen Frequenzbereich früher erreicht; im unteren Flickerfrequenzbereich tritt mit abnehmendem Kontrast auch eine untere Grenze des zeitlichen Auflösungsvermögens auf. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse aus den Verhaltensversuchen zu den kontrastabhängigen zeitlichen Übertragungseigenschaften eine gute Vergleichbarkeit zu elektrophysiologisch gewonnenen Antworten von ON bzw. OFF-Bipolarzellen. Ebenso ähneln sich die Kurvenverläufe zum kontrastabhängigen zeitlichen Auflösungsvermögen und die aus den Versuchen zur kontrastabhängigen Ganzfeldbewegungswahrnehmung – einer visuellen Leistung, deren Prozessierung eines ON-Kanal-Beitrages bedarf. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das zeitliche Auflösungsvermögen wie auch die Ganzfeldbewegungswahrnehmung hauptsächlich von retinalen Verarbeitungsprozessen abhängen.

Dressurexperimente zur Unterscheidungsfähigkeit zwischen weißem Licht und Spektralfarben beim Goldfisch

Der Goldfisch besitzt, im Gegensatz zum Menschen, ein tetrachromatisches Farbensehsystem, das außerordentlich gut untersucht ist. Die Farben gleicher Helligkeit lassen sich hier in einem dreidimensionalen Tetraeder darstellen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es herauszufinden, wie gut der Goldfisch Farben, die dem Menschen ungesättigt erscheinen und im Inneren des Farbtetraeders liegen, unterscheiden kann. Des Weiteren stellte sich die Frage, ob sowohl „Weiß“ (ohne UV) als auch Xenonweiß (mit UV) vom Fisch als „unbunt“ oder „neutral“ wahrgenommenen werden. Um all dies untersuchen zu können, musste ein komplexer Versuchsaufbau entwickelt werden, mit dem den Fischen monochromatische und mit Weiß gemischte Lichter gleicher Helligkeit, sowie Xenonweiß gezeigt werden konnte. Die Fische erlernten durch operante Konditionierung einen Dressurstimulus (monochromatisches Licht der Wellenlängen 660 nm, 599 nm, 540 nm, 498 nm oder 450 nm) von einem Vergleichsstimulus (Projektorweiß) zu unterscheiden. Im Folgenden wurde dem Vergleichstimulus in 10er-Schritten immer mehr der jeweiligen Dressurspektralfarbe beigemischt, bis die Goldfische keine sichere Wahl für den Dressurstimulus mehr treffen konnten. Die Unterscheidungsleistung der Goldfische wurde mit zunehmender Beimischung von Dressurspektralfarbe zum Projektorweiß immer geringer und es kristallisierte sich ein Bereich in der Grundfläche des Tetraeders heraus, in dem die Goldfische keine Unterscheidung mehr treffen konnten. Um diesen Bereich näher zu charakterisieren, bekamen die Goldfische Mischlichter, bei denen gerade keine Unterscheidung mehr zum Projektorweiß möglich war, in Transfertests gezeigt. Da die Goldfische diese Mischlichter nicht voneinander unterscheiden konnten, läßt sich schließen, dass es einen größeren Bereich gibt, der, ebenso wie Weiß (ohne UV) für den Goldfisch „neutral“ erscheint. Wenn nun Weiß (ohne UV) für den Goldfisch „neutral“ erscheint, sollte es dem Xenonweiß ähnlich sein. Die Versuche zeigten allerdings, dass die Goldfische die Farben Weiß (ohne UV) und Xenonweiß als verschieden wahrnehmen. Betrachtet man die Sättigung für die Spektralfarben, so zeigte sich, dass die Spektralfarbe 540 nm für den Goldfisch am gesättigsten, die Spektralfarbe 660 nm am ungesättigsten erscheint.

Verhaltensphysiologische Analyse der visuellen Wahrnehmung räumlicher Tiefe beim Goldfisch

Die Frage, wie es zur visuellen Wahrnehmung räumlicher Tiefe kommt, wenn das Retinabild nur zweidimensional ist, gehört zu den grundlegenden Proble-men der Hirnforschung. Für Tiere, die sich aktiv in ihrer Umgebung bewegen, herrscht ein großer Selektionsdruck Entfernungen und Größen richtig einzu-schätzen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, herauszufinden, ob und wie gut Goldfische Objekte allein aufgrund des Abstandes unterscheiden können und woraus sie Information über den Abstand gewinnen. Hierzu wurde ein Ver-suchsaufbau mit homogen weißem Hintergrund entworfen, in dem die Akkom-modation als Entfernungsinformationen verwendet werden kann, weniger je-doch die Bewegungsparallaxe. Die Goldfische lernten durch operante Konditio-nierung einen Stimulus (schwarze Kreisscheibe) in einem bestimmten Abstand zu wählen, während ein anderer, gleichgroßer Stimulus so entfernt wie möglich präsentiert wurde. Der Abstand zwischen den Stimuli wurde dann verringert, bis die Goldfische keine sichere Wahl für den Dressurstimulus mehr treffen konnten. Die Unterscheidungsleistung der Goldfische wurde mit zunehmendem Abstand des Dressurstimulus immer geringer. Eine Wiederholung der Versuche mit unscharfen Stimu¬lus¬kon¬turen brachte keine Verschlechterung in der Unter-scheidung, was Akkommodation wenig wahrscheinlich macht. Um die Größen-konstanz beim Goldfisch zu testen, wurden die Durchmesser der unterschiedlich entfernten Stimuli so angepasst, dass sie für den Goldfisch die gleiche Retina-bildgröße hatten. Unter diesen Bedingungen waren die Goldfische nicht in der Lage verschieden entfernte Stimuli zu unterscheiden und somit Größenkonstanz zu leisten. Es fand demnach keine echte Entfernungsbestimmung oder Tiefen-wahrneh¬mung statt. Die Unterscheidung der verschieden entfernten Stimuli erfolgte allein durch deren Abbildungsgröße auf der Retina. Dass die Goldfische bei diesem Experiment nicht akkommodieren, wurde durch Infrarot-Photoretinoskopie gezeigt. Somit lässt sich Akkommodation für die Entfer-nungsbestimmung in diesen Versuchen ausschließen. Für diese Leistung und die Größenkonstanz ist vermutlich die Bewegungsparallaxe entscheidend.

Untersuchungen zum Sehen von bewegten Objekten beim Goldfisch (Carassius auratus)

In der vorliegenden Arbeit wurde das Objektbewegungssehen des Goldfischs betrachtet. Zuerst musste eine geeignete Methode gefunden werden, diese Form der Bewegungswahrnehmung untersuchen zu können, da bisherige Experimente zum Bewegungssehen beim Goldfisch ausschließlich mit Hilfe der optomotorischen Folgereaktion gemacht wurden. Anschließend sollte die Frage geklärt werden, ob das Objektbewegungssehen genau wie das Bewegungssehen einer Großfeldbewegung farbenblind ist und welcher Zapfentyp daran beteiligt ist. Die Verwendung eines Zufallpunktmusters zur Dressur auf ein bewegtes Objekt hat sich als äußert erfolgreich herausgestellt. Diese Methode hat den Vorteil, dass sich die Versuchstiere ausschließlich aufgrund der Bewegungsinformation orientieren können. In den Rot-Grün- und Blau-Grün-Transferversuchen zeigte sich, dass das Objektbewegungssehen beim Goldfisch farbenblind ist, aber erstaunlicherweise nicht vom L-Zapfen vermittelt wird, sondern wahrscheinlich vom M-Zapfen. Welchen Vorteil es haben könnte, dass für die verschiedenen Formen der Bewegungswahrnehmung verschiedene Eingänge benutzt werden, kann mit diesen Versuchen nicht geklärt werden. Farbenblindheit des Bewegungssehens scheint eine Eigenschaft visueller Systeme allgemein zu sein. Beim Menschen ist diese Frage im Moment noch nicht geklärt und wird weiterhin diskutiert, da es sowohl Experimente gibt, die zeigen, dass es farbenblind ist, als auch andere, die Hinweise darauf geben, dass es nicht farbenblind ist. Der Vorteil der Farbenblindheit eines bewegungsdetektierenden visuellen Systems zeigt sich auch in der Technik beim Maschinen Sehen. Hier wird ebenfalls auf Farbinformation verzichtet, was zum einen eine Datenreduktion mit sich bringt und zum anderen dazu führt, dass korrespondierende Bildpunkte leichter gefunden werden können. Diese werden benötigt, um Bewegungsvektoren zu bestimmen und letztlich Bewegung zu detektieren.

Early local functional changes in the human diabetic retina : a global flash multifocal electroretinogram study

Purpose: To investigate early functional changes of local retinal defects in type II diabetic patients using the global flash multifocal electroretinogram (MOFO mfERG). Methods: Thirty-eight diabetic patients and 14 age-matched controls were recruited. Nine of the diabetics were free from diabetic retinopathy (DR), while the remainder had mild to moderate non-proliferative diabetic retinopathy. The MOFO mfERG was performed at high (98%) and low (46%) contrast levels. MfERG responses were grouped into 35 regions for comparison with DR classification at those locations. Z-scores of the regional mfERG responses were compared across different types of DR defects. Results: The mfERG waveform consisted of the direct component (DC) and the induced component (IC). Local reduction in DC and IC amplitudes were found in diabetic patients with and without DR. With increasing severity of retinopathy, there was a further deterioration in amplitude of both components. Under MOFO mfERG paradigm, amplitude was a useful screening parameter. Conclusion: The MOFO mfERG can help in detecting early functional anomalies before the appearance of visible signs, and may assist in monitoring further functional deterioration in diabetic patients.

Development of a cultured tissue substitute to repair the ageing retina

This project provides a foundation for the use of silk membranes in a tissue engineered therapy for the treatment of devastating retinal diseases such as age-related macular degeneration. The three-dimensional tissue model described in this thesis has great potential for use in basic research of retinal pathologies, and the potential to be implemented into clinical approaches after appropriate refinement.

Análisis del crecimiento de las células ganglionares de la retina de rata in vitro

De los diferentes tipos celulares que forman la retina unos de los más importantes son las células ganglionares (RGCs, del inglés Retinal Ganglion Cells), que son las neuronas que se encargan de transmitir la información visual desde el ojo hasta los centros visuales del cerebro. En este trabajo se pretende determinar el efecto del tiempo de cultivo en la supervivencia de las RGCs,y en la extensión y número de sus neuritas. También se pretende caracterizar un subtipo de RGCs, las RGCs que expresan el fotopigmento melanopsina.

Postnatal development of the retina in root vole Microtus oeconomus

Vision plays an important role in the living habits of animals, especially in feeding. We investigated the postnatal development of retina in root vole Microtus oeconornus. The result shows that the retina of the M. oeconornus is very primitive before postnatal day （PD） 3. The neuroblastic layer does not differentiate and makes up more than half of the retina layer. The outer plexiform layer （OPL） first comes into existence at PDS. At PD6, as the presence of the OPL becomes obvious, the outer nuclear layer （ONL） and inner nuclear layer （INL） are much clearer. At PD18, the retina is similar to an adult retina and each layer becomes distinct. The thickness and cell density of the ganglion cell layer （GCL） and ONL during different postnatal days were also examined. These results show that the thickness and density of ONL increase during ontogeny, while the thickness and density of GCL decrease. Compared with Rattus norvegicus, Apodemus agrarius , Cricetulus triton, Microtus mandarinus , Myospalax cansus , Spermophilus dauricus and Sciurotamias davidianus, the histological structure of the retina of M. oeconornus is between that of nocturnal and diurnal rodents.

On Directional Selectivity in Vertebrate Retina: An Experimental and Computational Study

This thesis describes an investigation of retinal directional selectivity. We show intracellular (whole-cell patch) recordings in turtle retina which indicate that this computation occurs prior to the ganglion cell, and we describe a pre-ganglionic circuit model to account for this and other findings which places the non-linear spatio-temporal filter at individual, oriented amacrine cell dendrites. The key non-linearity is provided by interactions between excitatory and inhibitory synaptic inputs onto the dendrites, and their distal tips provide directionally selective excitatory outputs onto ganglion cells. Detailed simulations of putative cells support this model, given reasonable parameter constraints. The performance of the model also suggests that this computational substructure may be relevant within the dendritic trees of CNS neurons in general.

Shh/Boc signaling is required for sustained generation of ipsilateral projecting ganglion cells in the mouse retina

Sonic Hedgehog (Shh) signaling is an important determinant of vertebrate retinal ganglion cell (RGC) development. In mice, there are two major RGC populations: (1) the Islet2-expressing contralateral projecting (c)RGCs, which both produce and respond to Shh; and (2) the Zic2-expressing ipsilateral projecting RGCs (iRGCs), which lack Shh expression. In contrast to cRGCs, iRGCs, which are generated in the ventrotemporal crescent (VTC) of the retina, specifically express Boc, a cell adhesion molecule that acts as a high-affinity receptor for Shh. In Boc −/− mutant mice, the ipsilateral projection is significantly decreased. Here, we demonstrate that this phenotype results, at least in part, from the misspecification of a proportion of iRGCs. In Boc−/− VTC, the number of Zic2-positive RGCs is reduced, whereas more Islet2/Shh-positive RGCs are observed, a phenotype also detected in Zic2 and Foxd1 null embryos.

A Unified Model of Spatiotemporal Processing in the Retina

A computational model of visual processing in the vertebrate retina provides a unified explanation of a range of data previously treated by disparate models. Three results are reported here: the model proposes a functional explanation for the primary feed-forward retinal circuit found in vertebrate retinae, it shows how this retinal circuit combines nonlinear adaptation with the desirable properties of linear processing, and it accounts for the origin of parallel transient (nonlinear) and sustained (linear) visual processing streams as simple variants of the same retinal circuit. The retina, owing to its accessibility and to its fundamental role in the initial transduction of light into neural signals, is among the most extensively studied neural structures in the nervous system. Since the pioneering anatomical work by Ramón y Cajal at the turn of the last century[1], technological advances have abetted detailed descriptions of the physiological, pharmacological, and functional properties of many types of retinal cells. However, the relationship between structure and function in the retina is still poorly understood. This article outlines a computational model developed to address fundamental constraints of biological visual systems. Neurons that process nonnegative input signals-such as retinal illuminance-are subject to an inescapable tradeoff between accurate processing in the spatial and temporal domains. Accurate processing in both domains can be achieved with a model that combines nonlinear mechanisms for temporal and spatial adaptation within three layers of feed-forward processing. The resulting architecture is structurally similar to the feed-forward retinal circuit connecting photoreceptors to retinal ganglion cells through bipolar cells. This similarity suggests that the three-layer structure observed in all vertebrate retinae[2] is a required minimal anatomy for accurate spatiotemporal visual processing. This hypothesis is supported through computer simulations showing that the model's output layer accounts for many properties of retinal ganglion cells[3],[4],[5],[6]. Moreover, the model shows how the retina can extend its dynamic range through nonlinear adaptation while exhibiting seemingly linear behavior in response to a variety of spatiotemporal input stimuli. This property is the basis for the prediction that the same retinal circuit can account for both sustained (X) and transient (Y) cat ganglion cells[7] by simple morphological changes. The ability to generate distinct functional behaviors by simple changes in cell morphology suggests that different functional pathways originating in the retina may have evolved from a unified anatomy designed to cope with the constraints of low-level biological vision.

High-sensitivity rod photoreceptor input to the blue-yellow color opponent pathway in macaque retina.

Small bistratified cells (SBCs) in the primate retina carry a major blue-yellow opponent signal to the brain. We found that SBCs also carry signals from rod photoreceptors, with the same sign as S cone input. SBCs exhibited robust responses under low scotopic conditions. Physiological and anatomical experiments indicated that this rod input arose from the AII amacrine cell-mediated rod pathway. Rod and cone signals were both present in SBCs at mesopic light levels. These findings have three implications. First, more retinal circuits may multiplex rod and cone signals than were previously thought to, efficiently exploiting the limited number of optic nerve fibers. Second, signals from AII amacrine cells may diverge to most or all of the approximately 20 retinal ganglion cell types in the peripheral primate retina. Third, rod input to SBCs may be the substrate for behavioral biases toward perception of blue at mesopic light levels.

Altered pericyte-endothelial relations in the rat retina during aging: Implications for vessel stability

Mural cells (smooth muscle cells and pericytes) regulate blood flow and contribute to vessel stability. We examined whether mural cell changes accompany age-related alterations in the microvasculature of the central nervous system. The retinas of young adult and aged Wistar rats were subjected to immunohistofluorescence analysis of a-smooth muscle actin (SMA), caldesmon, calponin, desmin, and NG2 to identify mural cells. The vasculature was visualized by lectin histochemistry or perfusion of horse-radish peroxidase, and vessel walls were examined by electron microscopy. The early stage of aging was characterized by changes in peripheral retinal capillaries, including vessel broadening, thickening of the basement membrane, an altered length and orientation of desmin filaments in pericytes, a more widespread SMA distribution and changes in a subset of pre-arteriolar sphincters. In the later stages of aging, loss of capillary patency, aneurysms, distorted vessels, and foci of angiogenesis were apparent, especially in the peripheral deep vascular plexus. The capillary changes are consistent with impaired vascular autoregulation and may result in reduced pericyte-endothelial cell contact, destabilizing the capillaries and rendering them susceptible to angiogenic stimuli and endothelial cell loss as well as impairing the exchange of metabolites required for optimal neuronal function. This metabolic uncoupling leads to reactivation of