The blocking impact of short-wavelength light on neuronal activity in the rat dorsolateral geniculate nucleus

W warstwowej budowie siatkówki wyróżniamy komórki wyspecjalizowane do odbioru informacji świetlnej. W warstwie fotoreceptorowej znajdują się fotoreceptory klasyczne: czopki i pręciki, natomiast w warstwie zwojowej, bezpośrednio wrażliwe na światło komórki zwojowe siatkówki (ang. Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells; ipRGCs), znane również pod nazwą komórek melanopsynowych. Światłoczułe opsyny umożliwiają tym komórkom absorbcję fotonów świetlnych, a następnie generowane potencjały czynnościowe przesyłane są do odpowiednich struktur mózgowia. W siatkówce oka ludzkiego wyróżniamy 3 klasy czopkowych opsyn (SWS, MWS, LWS), natomiast u gryzoni dwie klasy (SWS, MWS). U gryzoni nocnoaktywnych odbiór informacji świetlnej obejmuje zakres wrażliwości na światło UV, które odbierane jest przez czopki SWS. U ludzi natomiast zakres wrażliwości czopkowych opsyn przesunięty jest w stronę dłuższych długości fali w zakresie światła czerwonego, tym samym uniemożliwiając odbiór światła UV. Funkcje pełnione przez fotoreceptory klasyczne skupiają się głównie na regulacji klasycznego widzenia (tworzenia obrazu) i unerwiają one m.in ciało kolankowate boczne wzgórza (LGN). Komórki melanopsynowe to komórki szczególnie wrażliwe na zakres światła niebieskiego, które przede wszystkim zaangażowane są w tzw. niewzrokowej odpowiedzi na światło, obejmującej między innymi regulację rytmiki okołodobowej, tym samym unerwiają one struktury zaangażowane w regulację tego procesu, takie jak: jądra przedpokrywowe oliwki (OPN) czy jądra nadskrzyżowaniowe podwzgórza (SCN). Co ciekawe czopki i pręciki również wspierają regulację zegara biologicznego, a komórki melanopsynowe pomagają w mechanizmie tworzenia i widzenia klasycznego obrazu. W grzbietowej części ciała kolankowatego bocznego wzgórza (dLGN) zidentyfikowano 4 typy odpowiedzi komórek na światło, zależne od unerwienia komórek nerwowych przez siatkówkowe fotoreceptory. Komórki nerwowe reprezentujące odpowiedzi przejściowe ON i OFF głównie unerwiane są przez fotoreceptory klasyczne, natomiast odpowiedzi toniczne i zahamowane przypisywane są komórkom unerwianym przez komórki melanopsynowe. Obecnie jest wiele metod, które pozwalają sprawdzić, w jaki sposób światło wpływa na aktywność neuronalną poszczególnych struktur mózgowia. Jedną z nich jest stosowanie soczewek/filtrów blokujących transmisję poszczególnych zakresów światła widzialnego dla siatkówki oka.Celem niniejszej pracy było sprawdzenie wpływu odcięcia krótkich długości fal świetlnych z zakresu światła UV i niebieskiego do siatkówki oka na aktywność neuronalną w grzbietowej części ciała kolankowatego bocznego wzgórza mózgu szczura. W przeprowadzonych eksperymentach wykorzystano pigmentowane szczury szczepu Long-Evans i rejestrowano zewnątrzkomórkową aktywność neuronalną dLGN metodą in vivo.Wyniki eksperymentów pokazały, iż w obrębie struktury dLGN występują komórki wrażliwe na światło białe i UV przy długości fali 360 nm. Co więcej na podstawie charakteru odpowiedzi na światło wyrożniono 4 typy odpowiedzi: przejściową ON, przejściową OFF, toniczną oraz zahamowaną i najliczniejszą grupę stanowiły te komórki, które reprezentowały przejściowy ON typ odpowiedzi. Po ekspozycji siatkówki na światło białe z użyciem soczewki, w przypadku komórek przejściowych ON zaobserwowano istotne zmniejszenie aktywności neuronalnej w stosunku do odpowiedzi na światło bez soczewki. Podobne wyniki zaobserwowano po zastosowaniu stymulacji światłem UV. Dodatkowo komórki toniczne i zahamowane odpowiednio istotnie: zmniejszyły i zwiększyły swoją aktywność po ekspozycji na światło UV przed i po zastosowaniu soczewki blokującej. Otrzymane wyniki przeprowadzonych eksperymentów, wskazują na istotny udział czopków SWS u szczurów w odbiorze informacji świetlnej szczególnie z zakresu światła UV. Biorąc pod uwagę fakt, że badana struktura bierze głównie udział w procesie widzenia, sugeruje iż SWS mogą uczestniczyć w procesie wzrokowym tworzenia obrazu.

In the layered structure of retina we can differentiate cells specialized in the detection of light information. In the photoreceptor layer we can distinguish rods and cones, in the ganglion layer there are found intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) also known as melanopsin cells. Light sensitive opsins allow these cells to absorb photons and transmit this information to specific structures of the brain. In humans we can identify 3 classes of cone opsins (SWS, MWS, LWS), however only two of them are present in rodents (SWS, MWS). In nocturnal rodents SWS cones play crucial role in UV light detection. In humans this detection is shifted to blue light. Classic photoreceptors are involved in regulation of image forming hence their projections are sent to the visual structures such as the LGN. The circadian structures such as the SCN and OPN have inputs mostly from melanopsin cells, which are especially sensitive to blue light. Melanopsin cells are well known for regulating a range of non-image forming functions such as circadian photoentrainment, pupil constriction or hormone secretion. Importantly, classic photoreceptors also play a role in the regulation of circadian clock, as well as, melanopsin cells help in the regulation of visual processing. In the dLGN, 4 main types of light responsive cells were identified: transient ON, transient OFF, sustained and suppressed. Transient ON and OFF responses are determined by classical photoreceptors while sustained and suppressed responses are derived by melanopsin cells. Nowadays, many methods allow for investigation of the influence of light on neuronal activity in different brain structures. One of these methods depends on filtering short wavelengths light from the polychromatic light.The aim of this study was to verify the impact of short wavelength blocking lenses on neuronal activity in the rat dorsolateral geniculate nucleus. The experiments were carried out on pigmented Long-Evan rats by using in vivo extracellular neuronal recordings.Results of these experiments showed responses to white and UV light (360 nm) in the dLGN. Four types of responses were characterised: transient ON, transient OFF, sustained and suppressed. The most numerous groups of light responsive cells (to both light stimuli) were transient ON. That the usage of amber lenses caused decreased neuronal activity in cells representing transient ON type. Similar results were observed in responses to UV light, however changes in the neuronal activity were also found in sustained and suppressed cells. These results suggest the important role of SWS cones in rodents detection of UV light and their contribution to visual processing.