فعاليت الکتريکي چشم از اين قرار است

محبوبه شاه علي  دانشجوي كارشناسي ارشد بيوالكتريك دانشگاه اميركبير
مطالعات اخير نشان داده است كه راه هاي سيگنال دهي استوانه ها به صورت هاي مختلف و پيچيده اي در شبكيه انجام ميشود، دليل وجود چنين راه هاي متعددي براي استوانه ها هنوز نامعلوم است و مدلسازي كامپيوتري در درك اين موضوع كمك شاياني ميكند. گام اول در ساختن يك مدل واقعي از شبكيه براي مطالعه راههاي سيگنالدهي استوانه ها، ساختن مدلي از خود سلول گيرنده نوري استوانه اي است. امروزه دانشمندان و محققان به دنبال راهي جهت اعمال تحريكهاي سيستم بينايي است تا بتواند دركي از بينايي را براي برخي افراد نابينا فراهم كند كه مدلسازي كامپيوتري شبكيه و چگونگي سيگنال دهي سلولها و تعاملات آنها كمك شاياني به اين هدف ميكند. در اين مقاله  ابتدا در رابطه با  فيزيولوژي، پتانسيل و جريانهاي يوني موجود در گيرنده نوري استوانهاي  و سپس  مدل استفاده شده جهت شبيه سازي و نتايج شبيه سازي بيان خواهد شد. در انتها نيز نتيجه گيري ارائه ميگردد.
گيرنده نوري استوانه
شكل (1) طرحي از اجزاي يك گيرنده نوري استوانه اي را نشان ميدهد. همان طور كه مشاهده ميشود قطعه خارجي استوانه، استوانه اي شكل است. قسمتهاي عملكردي هر استوانه به قرار زير است: (1) قطعه خارجي (outer segment)، (2) قطعه داخلي(inner segment)، (3) هسته (nucleus)، (4) جسم سيناپسي (synaptic body).
پتانسيل گيرنده استوانه  به صورت هايپرپلاريزاسيون (hyperpolarization) است نه دپلاريزاسيون (depolarization).  وقتي استوانه در معرض نور قرار ميگيرد، پتانسيلي كه در آن ايجاد ميشود با پتانسيلي كه تقريبا در تمام گيرندههاي حسي ديگر ايجاد ميگردد، متفاوت است. به عبارت ديگر تحريك استوانه باعث ا فزايش پتانسيل منفي در غشاي استوانه ميشود كه همان وضعيت هايپرپلاريزاسيون (افزايش بيش از معمول بار منفي) است. اين دقيقا عكس فرآيند دپلاريزاسيون يا كاهش پتانسيل منفي است كه تقريبا در تمام گيرندههاي حسي ديگر رخ ميدهد. اين امر توسط كانالهاي وابسته به  ولتاژ، پراكنده در غشاي سلول ايجاد ميشود. يك نظريه بدين ترتيب است كه وقتي ردوپسين(ماده شيميايي حساس به نور در استوانه ها) تجزيه ميشود، هدايت غشاي قطعه خارجي استوانه براي يون سديم كاهش مييابد  كه اين امر سبب هايپرپلاريزاسيون كل غشاي استوانه به اين طريق ميشود كه قطعه  داخلي دائما سديم را از درون استوانه به بيرون پمپ ميكند و بدين ترتيب پتانسيل منفي در سمت دروني كل سلول پديد ميآورد، اما قطعه خارجي استوانه كه ديسكهاي گيرنده نور در آن واقع است، كاملا متفاوت است: در اينجا غشاي استوانه در شرايط تاريكي نسبت به سديم بسيار نشت پذير است. بنابراين يون مثبت سديم پيوسته به درون استوانه باز ميگردد و از اين طريق بخش زيادي از پتانسيل منفي درون كل سلول را خنثي ميكند. لذا در شرايط طبيعي و در تاريكي كه استوانه برانگيخته نيست، بار منفي درون غشاي استوانه به جاي آنكه نظير بيشتر گيرندههاي حسي ديگر 70-  تا 80- ميلي ولت باشد، كمتر است و در حدود 40-  ميلي ولت ميباشد. در زمانيكه ماده شيميايي حساس به نور در استوانه ها(ردوپسين) در معرض نور قرار گيرد شروع به تجزيه شدن ميكند و بدين ترتيب هدايت غشاي قطعه خارجي براي ورود سديم به داخل استوانه كاهش مييابد، درحاليكه يون سديم همچنان از غشاي قطعه داخلي به بيرون پمپ ميشود. لذا اينك تعداد يونهاي سديم كه به بيرون رانده ميشود بيش از تعدادي است كه به داخل نشت ميكند. يون سديم مثبت  است در نتيجه خروج آن از استوانه باعث افزايش بار منفي درون  غشا ميشود. هر چه مقدار انرژي نوري كه به استوانه ميخورد، بيشتر باشد بار منفي داخل يعني هايپلاريزاسيون بيشتر خواهد بود. پتانسيل غشا بر اثر حداكثر شدت نور به 70- تا 80- ميلي ولت كه نزديك پتانسيل استراحت يون سپتاسيم در طرفين غشا است، ميرسد.
هنگامي كه يك پالس لحظه اي نور به شبكيه برمي خورد، هايپرپلاريزاسيون گذرايي در استوانهها ايجاد ميشود كه ظرف حدود 0.3 ثانيه به اوج خود ميرسد و بيش از يك ثانيه طول ميكشد. تصويري كه تنها يك ميليونيم ثانيه بر روي استوانه هاي شبكيه افتاده گاهي ميتواند بيش از يك ثانيه احساس ديدن آن تصوير را به وجود آورد.
 يكي از ويژگيهاي پتانسيل گيرنده اين است كه اندازه آن تقريبا متناسب با لگاريتم شدت نور است. اين امر بسيار مهم است زيرا به چشم اجازه ميدهد محدوده قابل تميز شدت نور را چندين هزار برابر بزرگتر از زماني سازد كه چنين رابطهاي وجود ندارد.
جريانهاي يوني
بر اساس آزمايشهاي «STEVEN BARNES»  و« BERTIL HILLE» بر روي گيرنده هاي  نوري كه به صورت آنزيمي ايزوله شده بود و با استفاده از تكنيك gigaseal voltage-clamp،  جريانهاي يوني شناسايي شد كه به طور اختصار شرح داده ميشود. يك جريان قوي و با قدرت انتخاب ضعيف، جريان كاتيون Ih است كه بعد از يك تاخير در زمان هايپرپلاريزاسيون فعال شده و سپس با تاخيري غير فعال شده و به پتانسيلي بيش از mv 50- باز ميگردد. با توجه به نتايج اين كانال داراي سه حالت باز و دو حالت بسته است.
زماني كه با تحريك نوري  ولتاژ  استوانه از ولتاژ استراحت خود عبور كرده و هايپرپلاريزاسيون اتفاق ميافتد يك جريان بزرگ(Ih) به سمت داخل در زمان وجود تحريك ايجاد ميشود. مطالعات و آزمايشهاي انجام شده  نشان داده است كه Ih  يك جريان كاتيوني با قدرت انتخاب كم و  با برتري دادن كم  يون Na+ نسبت به يون K+  است. به دليل اينكه  پاسخ به نور در گيرندههاي نوري مهره داران  توسط Ih شكل داده ميشود، بنابراين بهتر است يك توصيف كيفي براي اين جريان، ميتوان حالت دريچه كانالي اين جريان را با پنج حالت، سه حالت باز و دو حالت بسته با نرخ ثابت وابسته به ولتاژ در حالت گذرا بيان كرد.
مي توان اين حالتها را اين گونه تفسير كرد كه گيت كانال مورد نظر چهار تكه است كه نرخ ثابت باز بودن و بسته بودن  هر كدام به ترتيب α  و β است. حال باز بودن حداقل دو تكه از اين چهار تكه براي باز بودن  دريچه كانال كافي  است.
دپلاريزاسيون سبب ايجاد جريان كلسيمي(Ica) كمي ميشود.
با كمك آنزيمهاي متفاوت رفتار اين جريان به گونهاي است كه يك كانال كلسيم L-type با با آستانه نسبي بالا و غير فعال شدن آهسته را پيشنهاد ميكند.
دو جريان پتاسيمي نيز در زمان دپلاريزاسيون ايجاد ميشود:
 (Ikx) Noninactivating K current: يك جريان وابسته به ولتاژ كه داراي حركتي آهسته در زمان فعالشدگي و غير فعالشدگي است (ثابت زماني τ آن در دماي اتاق در حدود چند صد ميلي ثانيه است). اين جريان در تنظيم پتانسيل استراحت در تاريكي و در سرعت بخشيدن به پاسخ به نور تار (dim light) مشاركت ميكند.
Delayed rectifying K current (IKv): بر اساس شواهد تجربي به دست آمده توسط «Baylor, Matthews, Nunn»، گيرندههاي نوري استوانهاي داراي جرياني وابسته به ولتاژ است كه مشخصات آن شبيه يك يك سو كننده با تاخير است.
Ca-Dependent Potassium current (Ik(ca) ) و Ca-Dependent Chloride current ( Icl(ca)) حاصل از تعامل كانالهاي كلسيمي و پتاسيمي و كلسيمي و كلرايد است. فعال شدن اين كانالها وابسته به غلظت داخل سلولي كلسيم است.
 Ik(ca) حاصل از كانال پتاسيمي فعال شونده توسط غلظت كلسيم است كه داراي هدايت بالا است و Icl(ca) حاصل از كانال كلرايد است كه توسط غلظت  كلسيم فعال ميشود.
مدلسازي گيرنده نوري استوانهاي
در اين مدلسازي از نرم افزار «Neuron» استفاده شده است. اين مدل يك تكه است به اين معنا كه هر دو قطعه داخلي و خارجي را در آن  يك تكه در نظر گرفته شده است. به دليل اينكه كانالها در طول غشاي سلول پراكنده است، مكان در اين مدلسازي لحاظ نشده است. جهت تحريك اين سلول به جاي شبيه سازي فرآيند phototransduction  از موج جريان نوري شيبهسازي استفاده شده است.. در شكل (3) اين مدل با 4 كانال وابسته به ولتاژ رسم شده است، (كانال پتاسيم وابسته به كلسيم و كانال كلرايد وابسته به كلسيم در اين شكل رسم نشده است).
جريان يوني مرتبط با هر 4 كانال وابسته به ولتاژ توسط معادلات مشابه «هاجكين هاكسلي» مدل شده است.
در ميان كانالهايي كه در اين سلول وجود دارد، در مورد جريان هايپرلاريزاسيون و مدل آن توضيح داده ميشود كه بيشترين اثر را در  نتيجه اين مقاله دارد و در مورد  مدلسازي كانالهاي ديگر و جريانهاي آنها تنها به اين نكته بسنده ميشود كه توسط معادلات هاجكين هاكسلي مدل شده است.
جريان هايپرپلاريزاسيون(Ih)
با توجه به توضيحات ارائه شده، وقتي دريچه اين كانال باز است كه حداقل دو تكه از آن باز باشد و در نتيجه پنج حالت متفاوت خواهيم داشت. در شبيه سازي انجام شده،اين پنج حالت به ترتيب نشان داده شده در شكل (4)  مدل شده است.
حالت اول: دريچه كانال بسته است، يعني 4 تكه كانال در حالت بسته قرار دارد:
ميتوان اين حالتهاي باز و بسته بودن دريچه كانال را مشابه 4 كليد دانست كه دو به دو سري و موازي است. يعني دو سوئيچ سري، موازي با دو سوئيچ سري ديگر قرار ميگيرد.
در صورتي دريچه باز است كه مطابق شكل  (a) 5 داشته باشيم:
n = (A and B ) or (C and D),
 و براي شكل (b) 5خواهيم داشت:
n = (E or F) and (G or H),
احتمال باز بودن دريچه كانال توليد كننده جريان هايپرپلاريزاسيون را ميتوان با اين رابطه نشان داد:
n=1-(1+3r) (1-r) 3
به گونهاي كه r احتمال باز بودن يك تكه از دريچه ميباشد. براي مدلسازي اين كانال از معادلات «هاجكين هاكسلي» استفاده شده است.
مدلسازي جريان نوري تحريك كننده
براي مدلسازي فرآيند phototransduction  از معادله زير براي يك موج نوري روشن (bright light) استفاده شده است.
اين معادلات جرياني را كه دائما از قطعه خارجي به قطعه داخلي سرازير ميشود، شبيه سازي ميكند. كه در پاسخ به روشنايي زياد  به صورت تدريجي كاهش مييابد ولي در پاسخ به فلشهاي روشنايي كامل و سريع حذف ميشود.
نتايج شبيه سازي
شكل (7) پاسخ ولتاژ به يك سري از تحريكات با افزايش دامنه جريان اعمالي را نشان ميدهد.
براي اينكه تاثير جريانهايپرپلاريزاسيون بر اين پاسخ را مشاهده كنيم، اين پاسخ در زمانيكه اين جريان حضور ندارد نيز در شكل (8) رسم شده است. با مقايسه دو شكل 7 و 8 ديده ميشود كه پاسخ ولتاژ در سه مورد متفاوت شود. اين سه مورد عبارت است از:
1) افزايش پيك ولتاژ،
2) افزايش زمان رسيدن به پيك و
3)  از بين رفت حالت گذرا.
كاهش جريان تاريكي در پاسخ به نور سبب هايپرپلاريزاسيون شده كه مسبب كاهش تدريجي رهاسازي نوروترانزميترها ميشود. پاسخ ولتاژ كنترلكننده رهاسازي نوروترانزميترها است پس در اين مقاله به جاي مطالعه پاسخ شدت نور و جريان نوري به مطالعه پاسخ ولتاژ پرداخته شده است تا امكان بررسي اين مدل در مدل كامل شبكيه نيز وجود داشته باشد. چراكه رهاسازي نوروترانزميتر، سيگنالي است كه در طول شبكيه پخش شده و به سلولهاي افقي و دوقطبي ميرسد. شكل (9) پيك نرماليزه شده پاسخ ولتاژ نسبت به دامنه پريان را نشان ميدهد.
براي مشخص كردن نقش Ih، محدوده ديناميكي را به صورت زير محاسبه ميشود.
كه I90  و I60  جريانهايي است كه به ازاي آنها پاسخ به 90% و 60% مقدار V/Vmax رسيده است. اين محدوه ديناميكي در زمانيكه Ih وجود دارد در حدود 1.1078 و در زماني كه اين جريان وجود ندارد تقريبا 5303./0 است، يعني مكانيزمهاي داخل سلولي در نتيجه جريان هايپرپلاريزاسيون سبب ميشود كه گيرنده نوري استوانهاي محدوده وسيعتري از تحريكها را كد كند كه اين به معناي افزايش حساسيت اين گيرنده نوري به نور با شدن كم است.
نتيجه گيري
در اين مقاله مدلي از يك گيرنده نوري استوانه ارائه شد و نتايج شبيه سازي نشان داد كه جريان هايپرپلاريزاسيون نقش موثري در شكل دهي پاسخ ولتاژ به تحريكات نوري  داشته و سبب تقويت سيگنال phototransduction  ميشود كه در نتيجه محدوده ديناميكي افزايش مييابد. در حقيقت پاسخ به اين سوال كه چه چيز سبب ميشود كه چشم انسان در تاريكي به ضعيفترين نورها نيز حساس باشد، وجود جريان هايپرپلاريزاسيون است كه در مدلسازيهاي گذشته اين جريان از كانالي استفاده شده است كه تنها يك حالت باز و بسته شدن دارد و در نتيجه پاسخ ولتازهاي حاصل از اين گزارشات با نتايج اين مقاله متفاوت است كه دليل صحت نتايج اين مقاله وجود نتايج آزمايشگاهي منطبق با نتايج به دست آمده است.
پاسخ ولتاژ كنترل رهاسازي نوروترنسميتر  را بر عهده دارد و اين سيگنالي است كه به سلولهاي ديگر موجود در شبيكه، از جمله سلولهاي افقي و دوقطبي ميرسد و ادامه روند بينايي را به آنها واگذار ميكند.  هم اكنون  محققان و مهندسان  زيادي در سرتاسر جهان به دنبال راهي جهت اعمال تحريكهاي سيستم بينايي هستند تا بتوانند دركي از بينايي را براي برخي افراد نابينا فراهم كنند كه مدلسازي كامپيوتري شبكيه و چگونگي سيگنال دهي سلولها و تعاملات آنها كمك شاياني به اين هدف مينمايد.
References:
1. Rodrigo Publioa, Rodrigo F. Oliveirab, Antonio C. Roquea,  “A realistic model of rod photoreceptor for use in a retina network model”, Neurocomputing 69 (2006) 1020–1024
2. S. Barnes, B. Hille, “Ionic channels of the inner segment of tiger salamander cone photoreceptors”, J. Gen. Physiol. 94 (1989) 719–743
3. X.D. Liu, D.E. Kourennyi, “Effects of tetraethylammonium on Kx channels and simulated light response in rod photoreceptors”, Ann.Biomed. Eng. 32 (2004) 1428–1442.
4.  “Medical Physiology”, Guyton & Hall
5. Kourennyi DE, Liu XD, Hart J, Mahmud F, Baldridge WH, Barnes S, “Reciprocal modulation of calcium dynamics at rod and cone photoreceptor synapses by nitric oxide”. J Neurophysiol. 2004 Jul;92(1):477-83. Epub 2004 Feb 25.
6. M.L. Hines, N.T. Carnevale, “The NEURON simulation environment”, Neural Comput. 9 (1997) 1179–1209.

شكل (1): طرحي از قسمتهاي عملكردي گيرنده نوري استوانهاي
شكل (2): حالتهاي باز و بسته شدن كانال مربوط به جريان هايپرپلاريزاسيون
شكل (3): (A) گيرنده نوري استوانهاي. (B) مدل يك تكهاي گيرنده نوري استوانهاي.(C) مدار معادل
شكل (6): تحريك جريان نوري اعمال شده به مدل با دامنههاي تحريك جرياني 40 و 60 و 80 و 100 پيكو آمپر
شكل (7): پاسخ ولتاژ به ازاي دامنههاي تحريك جرياني 40 و 60 و 80 و 100 پيكو آمپر به كه به مدت 8 ثانيه تحريك اعمال شده است.
شكل (8): پاسخ ولتاژ به ازاي دامنههاي تحريك جرياني 40 و 60 و 80 و 100 پيكو آمپر در زماني كه جريان Ih وجود ندارد
شكل (9): نمودار لگاريتم خطي پيك نرماليزه شده پاسخ ولتاژ برحسب دامنه جريان تحريك براي دو حالت يكي بدون  Ih و ديگري به Ih.خطوط
شكل (4): (A) و (B)، دريچه كانال مربوط به جريان هايپرپلاريزاسيون بسته است. براي باز شدن كانال بايد حداقل دو تكه در حالت باز باشد. حالت C1 و C2 ( به ترتيب) نشان داده شده در شكل (2). (C)، (D) و (E)، دريچه كانال مربوط به جريان هايپرپلاريزاسيون در حالت باز قرار دارد. اين حالتها با منفيتر شدن ولتاژ در نتيجه هايپرپلاريزاسيون در حلت باز قرار دارد. اين حالتها با منفيتر شدن ولتاژ در نتيجه هايپرپلاريزاسيون به ترتيب اتفاق ميافتد. حالت O1، 2O و O3 (به ترتيب) نشان داده شده.
شكل (5): نمايش كانال توليدكننده جريان هايپرپلاريزاسيون به صورت 4 كليد كه از and دو كليد سري و or دو شاخه موازي، حالت بسته يا باز كانال مشخص ميشود.

بازگشت