معلومة

هل تختلف النسبة بين الخلايا المخروطية M و L في حالة فردية؟

هل تختلف النسبة بين الخلايا المخروطية M و L في حالة فردية؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

ويكيبيديا تقول:

تختلف نسبة المخاريط M و L اختلافًا كبيرًا بين مختلف الأشخاص ذوي الرؤية العادية (على سبيل المثال ، قيم 75.8٪ L مع 20.0٪ M مقابل 50.6٪ L مع 44.2٪ M في مادتين من الذكور).

جعلني هذا أتساءل عما إذا كان بإمكان الأشخاص الآخرين بعد ذلك إدراك الألوان أكثر أو أقل من اللون الأخضر / الأحمر مني. ولكن بعد ذلك سألت نفسي لماذا أرى جميع الألوان بشكل مشابه لكلا الجسمين على خط الرؤية الخاص بي وعلى الجانبين (باستثناء 90 + درجة من خط الرؤية أفقيًا). هل هذا لأن نسبة الخلايا المخروطية متشابهة في الشبكية بأكملها (في فرد واحد)؟


الشكل مهم: العلاقة بين هندسة الخلية والتنوع في العوالق النباتية

يؤثر الحجم والشكل بشكل عميق على الأداء الفيزيولوجي البيئي للكائن الحي واللياقة التطورية ، مما يشير إلى وجود صلة بين التشكل والتنوع. ومع ذلك ، لا يُعرف الكثير عن كيفية ارتباط شكل الجسم بالثراء التصنيفي ، خاصة في الميكروبات. نحن هنا نحلل مجموعات البيانات العالمية للعوالق النباتية البحرية أحادية الخلية ، وهي مجموعة رئيسية من المنتجين الأساسيين مع تنوع استثنائي في أحجام الخلايا وأشكالها ، بالإضافة إلى الطلائعيات غيرية التغذية. باستخدام مقياسين لاستطالة شكل الخلية ، نحدد التنوع التصنيفي كدالة لحجم الخلية وشكلها. نجد أن الخلايا ذات الحجم المتوسط ​​لها أكبر تباين في الشكل ، من الأشكال المفلطحة إلى الأشكال الممدودة للغاية ، بينما تكون الخلايا الصغيرة والكبيرة في الغالب مدمجة (على سبيل المثال كروية أو مكعبة). يرتبط التنوع التصنيفي ارتباطًا وثيقًا باستطالة الخلية وحجم الخلية ، مما يفسر معًا ما يصل إلى 92 ٪ من التباين الكلي. يتحلل التنوع التصنيفي بشكل كبير مع استطالة الخلية ويعرض اعتمادًا على السجل الطبيعي على حجم الخلية ، ويبلغ ذروته للخلايا ذات الحجم المتوسط ​​ذات الأشكال المضغوطة. تكشف هذه الأنماط الواسعة التي لم يتم الإبلاغ عنها سابقًا في تنوع العوالق النباتية عن ضغوط انتقائية وقيود فيزيولوجية بيئية على هندسة خلايا العوالق النباتية والتي قد تحسن فهمنا للبيئة البحرية والقواعد التطورية للحياة.


خلفية

على الرغم من مرونة الكائنات الحية الدقيقة في محتواها من النيتروجين (N) والفوسفور (P) بسبب قدرتها على تخزين هذه العناصر الغذائية ، فإن متوسط ​​نسب P: N وتنوعاتها تشير إلى تشابه مذهل بين الأنواع الميكروبية وداخلها وحتى مع النباتات وآكلات الحشرات العاشبة. على سبيل المثال ، بالنسبة للعوالق النباتية البحرية ، تكون الاختلافات في نسبة P: N حسب الكتلة بين 0.04 و 0.30 ، بمتوسط ​​إجمالي قريب من نسبة Redfield 0.14 [1]. يتراوح متوسط ​​قيمة النسبة في النباتات الأرضية في مواقع الحقول الطبيعية بين 0.07 و 0.08 [2-4]. تظهر أيضًا العوالق الحيوانية في المياه العذبة والحيوانات العاشبة من النظم البيئية الأرضية تشابهًا ، بمتوسط ​​نسب P: N يبلغ 0.10 و 0.08 على التوالي [2].

تعتبر القيود المتكافئة عاملاً مهمًا في تنظيم نمو الميكروبات وفي تفاعلها مع البيئة. لقد تم اقتراح أن الزيادة في معدل النمو تتطلب زيادة في التخليق الحيوي للبروتين ، وبالتالي تخصيصًا إضافيًا للموارد الخلوية لتخليق الريبوسومات والحمض النووي الريبي الريباسي ، والتي تشكل الجزء الرئيسي من الحمض النووي الريبي الخلوي. نتيجة لهذا التخصيص ، تزداد نسبة P: N في الخلية. يشار إلى هذه الفكرة باسم فرضية معدل النمو (GRH) [5-7]. بالاتفاق مع هذه الفرضية ، يتم الحفاظ على تخليق الرنا الريباسي في البكتيريا بما يتناسب مع متطلبات الخلية ، ويرتبط عدد جينات الرنا الريباسي مع معدل استجابة البكتيريا المتنوعة نسبيًا لتوافر الموارد [8 ، 9]. في البكتيريا البحرية ، يمكن تقدير معدلات النمو الخاصة بالأنواع عن طريق قياس محتوى الرنا الريباسي للكائنات الحية [10].

عادة ما تأخذ الدراسات البيئية التي تدعم GRH في الاعتبار قياس العناصر المتكافئة P: N ومعدل النمو ومحتوى RNA عبر الكائنات الحية المختلفة. كما تم توثيق تأثير كبير لمعدل نمو كائن حي وحيد الخلية على تركيبته الجزيئية بشكل جيد [11-16]. وجد أن ضعف النمو في البكتيريا والخميرة والطحالب والفطريات أدى إلى انخفاض في مجموع RNA و rRNA ومحتويات البروتين ونسبة RNA إلى البروتين. التناسب المباشر بين معدل النمو المحدد و RNA: تم الإبلاغ عن نسبة البروتين في الإشريكية القولونية [11]. تتفق هذه النتيجة مع GRH ، لأن N و P في RNA والبروتينات تهيمن على الكميات الإجمالية لهذه العناصر في خلايا الكائنات وحيدة الخلية [5]. يمكننا أن نستنتج من هذه الدراسات أن بعض الآليات الجزيئية التي يتم تنشيطها في خلايا كائن حي فردي استجابة للظروف البيئية قد تكون مسؤولة عن التغييرات في قياس العناصر المتكافئة P: N. في الوقت الحاضر ، ومع ذلك ، فإن هذه الآليات ليست واضحة. حسب دراسات الكفاءة الترجمية في المختبر [17 ، 18] ، أسرع نمو للبكتيريا يتطلب ريبوسومات ذات كفاءة قصوى. نظرًا لأن عدد الريبوسومات يتناسب مع محتوى الرنا الخلوي ومحتويات الحمض النووي الريبي [19] ، فإن زيادة كفاءة تخليق البروتين بواسطة الريبوسومات في ظل النمو الأسرع المبلغ عنه في هذه الدراسات قد يؤدي إلى انخفاض في نسبة البروتين في الخلية: RNA: نسبة البروتين في الخلية. ومع ذلك ، فإن هذا الرأي لا يتفق مع GRH ولا تدعمه الدراسات المذكورة أعلاه للتركيب الجزيئي. بالإضافة إلى ذلك ، تُظهر دراسات الحمض النووي الريبي الريبوزومي ، والرسول ، ونقل الحمض النووي الريبي في الخميرة أثناء التحول الغذائي [20] أنه على الرغم من انخفاض الحمض النووي الريبي الريباسي بشكل كبير بعد تثبيط النمو ، إلا أن الحمض النووي الريبي المرسال ونقله يزدادان بشكل طفيف [21]. تقدم هذه الملاحظات دعمًا غير مباشر للفكرة القائلة بأن تخليق البروتينات في الكائنات الحية الدقيقة تحت ضعف النمو قد يتطلب عددًا أقل من الريبوسومات مقارنة بالنمو الإيجابي ، مما يؤدي إلى انخفاض في نسب RNA: البروتين و P: N. قد يكون هذا الانتظام الخلوي أساس تأثير معدل النمو على RNA: نسب البروتين و P: N على مستوى الكائن الحي الفردي. الهدف من هذه الدراسة هو التحقق من هذه الفرضية وبيان أن نسبة P: N الخلوية المقدرة من RNA: نسبة البروتين تستنسخ متوسط ​​نسب P: N التي تم الحصول عليها تجريبياً للكائنات الحية الدقيقة والنباتات المتنوعة. قمنا بتحليل التركيب الجزيئي ، وعدد الريبوسومات النشطة ، ومعدل استطالة الببتيد في مجموعة من الكائنات أحادية الخلية بدائية النواة وحقيقية النواة (البكتيريا ، والخميرة ، والفطريات ، والطحالب) كوظائف لمعدلات نموها. تم استخدام هذه المعلومات لحساب P: N قياس العناصر المتكافئة للكائنات وحيدة الخلية والمتطلبات الخلوية للريبوسومات لتخليق البروتين في ظروف النمو المختلفة.

لقد وجد أن نسب P: N المقدرة المشتقة من RNA ومحتويات البروتين لهذه الكائنات كانت في نفس النطاق مثل النسب المتوسطة المبلغ عنها للكائنات الأخرى المتنوعة. كان هناك تناسق مباشر بين متطلبات الريبوسوم لإنتاج البروتين في الخلية ونسبة RNA: البروتين ، والتي قد تكمن وراء هذا التشابه والعلاقة الإيجابية لنسبة P: N مع معدل نمو الكائنات الحية الدقيقة. يمكن تفسير الانخفاض في متطلبات الريبوسوم لإنتاج البروتين مع زيادة معدل النمو من حيث نظرية سوما للتخلص.


هل تختلف النسبة بين الخلايا المخروطية M و L في حالة فردية؟ - مادة الاحياء

تتوقف العقيدة المركزية على وجود وخصائص جيش من جزيئات الرنا المرسال التي ظهرت بشكل عابر في عملية النسخ وغالبًا ما تتحلل بعد ذلك بوقت قصير. خلال الفترة القصيرة التي توجد فيها في الخلية ، تعمل هذه الرنا المرسال كقالب لإنشاء جيل جديد من البروتينات. السؤال المطروح في هذه المقالة القصيرة هو: في المتوسط ​​، ما هي نسبة الرسالة المترجمة إلى الرسالة نفسها؟

على الرغم من وجود العديد من العوامل التي تتحكم في نسبة البروتين إلى الرنا المرسال ، إلا أن أبسط نموذج يشير إلى تقدير من حيث عدد قليل من المعدلات الرئيسية. لمعرفة ذلك ، نحتاج إلى كتابة "معادلة معدل" بسيطة تخبرنا كيف سيتغير محتوى البروتين في فترة زمنية صغيرة جدًا. بتعبير أدق ، نسعى إلى الاعتماد الوظيفي بين عدد نسخ البروتين للجين (ع) وعدد جزيئات الرنا المرسال (م) التي تولده. معدل تكوين p يساوي معدل الترجمة مضروبًا في عدد الرسائل ، m ، نظرًا لأن كل جزيء mRNA يمكن اعتباره مصدرًا للبروتين. ومع ذلك ، في نفس الوقت الذي يتم فيه تصنيع بروتينات جديدة ، يؤدي تدهور البروتين بشكل مطرد إلى إخراج البروتينات من الدورة الدموية. علاوة على ذلك ، فإن عدد البروتينات المتدهورة يساوي معدل التحلل مضروبًا في العدد الإجمالي للبروتينات. يمكن تغليف هذه الكلمات المرهقة بشكل أكثر أناقة في معادلة تخبرنا كيف يتغير عدد البروتينات في لحظة صغيرة ، أي ،

حيث α هو معدل التدهور و هو معدل الترجمة (على الرغم من أن الأدبيات ممزقة للأسف بين أولئك الذين يعرّفون الترميز بهذه الطريقة وأولئك الذين يستخدمون الأحرف ذات المعنى المعاكس تمامًا).

الشكل 1: الريبوسومات على الرنا المرسال كخرز على سلسلة (من: http://bass.bio.uci.edu/

نحن مهتمون بحل الدولة المستقرة ، أي ما يحدث بعد مرور وقت طويل بما فيه الكفاية ولم يعد النظام يتغير. في هذه الحالة dp / dt = 0 = m-αp. هذا يخبرنا بدوره أن نسبة البروتين إلى mRNA تعطى بواسطة p / m = β / α. نلاحظ أن هذا ليس هو نفسه عدد البروتينات المنتجة من كل مرنا ، هذه القيمة تتطلب منا أيضًا معرفة معدل دوران الرنا المرسال الذي نأخذه في نهاية المقالة القصيرة. ما هي قيمة ب ؟ سيحتوي mRNA الذي تمت ترجمته بسرعة على ريبوسومات تزينه مثل الخرز على خيط كما تم التقاطه في الرسم المجهر الإلكتروني الكلاسيكي الموضح في الشكل 1. المسافة بينهما على طول mRNA هي على الأقل حجم البصمة المادية للريبوسوم (20 نانومتر ، BNID 102320 ، 105000) وهو طول حوالي 60 زوجًا قاعديًا (طول النيوكليوتيدات ≈0.3 نانومتر ، BNID 103777) ، أي ما يعادل ≈20 أأ. معدل الترجمة حوالي 20 aa / sec. وبالتالي ، يستغرق الريبوسوم ثانية واحدة على الأقل للتحرك على طول أثر حجمه المادي على mRNA مما يعني أن معدل الترجمة الإجمالي الأقصى هو b = 1 s -1 لكل نص.

لا ينشأ معدل التحلل الفعال فقط من تدهور البروتينات ولكن أيضًا من تأثير التخفيف مع نمو الخلية. في الواقع ، من بين هذين التأثيرين ، غالبًا ما يكون تأثير تخفيف انقسام الخلية هو السائد ، وبالتالي فإن وقت التحلل الفعال الإجمالي ، الذي يأخذ في الاعتبار التخفيف ، يتعلق بالفاصل الزمني لدورة الخلية ،. وبالتالي لدينا α = 1 / τ.

في ضوء هذه الأرقام ، فإن النسبة p / m هي 1 s -1 / (1 /τ)= τ. ل بكتريا قولونية, τ ما يقرب من 1000 ثانية وبالتالي ص / م

1000. بالطبع إذا لم يتم نسخ mRNA بالمعدل الأقصى فإن النسبة ستكون أصغر. دعونا نجري فحص سلامة على هذه النتيجة. في ظل نمو أسي بمعدل نمو متوسط بكتريا قولونية من المعروف أنه يحتوي على حوالي 3 ملايين بروتين و 3000 mRNA (BNID 100088 ، 100064). تشير هذه الثوابت إلى أن نسبة البروتين إلى mRNA هي 1000 ، على وجه التحديد بما يتماشى مع التقدير الوارد أعلاه. يمكننا إجراء فحص سلامة ثانٍ بناءً على معلومات من المقالات القصيرة السابقة. في المقالة القصيرة حول "ما هو أثقل mRNA أو البروتين الذي يرمز إليه؟" اشتقنا نسبة كتلة تبلغ حوالي 10: 1 لـ mRNA إلى البروتينات التي يتم ترميزها. في المقالة القصيرة على "ما هو التركيب الجزيئي للخلية؟" ذكرنا أن البروتين يمثل حوالي 50٪ من الكتلة الجافة في بكتريا قولونية الخلايا بينما mRNA لا يمثل سوى حوالي 5 ٪ من إجمالي الحمض النووي الريبي في الخلية التي تمثل نفسها حوالي 20 ٪ من الكتلة الجافة. وهذا يعني أن mRNA يمثل بالتالي حوالي 1٪ من إجمالي الكتلة الجافة. لذا يجب أن تكون نسبة mRNA إلى البروتين حوالي 50 مرة 10 ، أو 500 إلى 1. من وجهة نظرنا ، كل هذه الفحوصات الصحية تتماسك بشكل جيد للغاية.

الشكل 2: القياس المتزامن لـ mRNA والبروتين في E. coli. (أ) الصور المجهرية لمستوى الرنا المرسال في خلايا E. coli. (ب) الصور المجهرية للبروتين في خلايا E. coli. (ج) رقم نسخة البروتين مقابل مستويات الرنا المرسال كما تم الحصول عليها باستخدام كل من طرق الفحص المجهري مثل تلك الموضحة في الجزء (أ) وباستخدام الأساليب القائمة على التسلسل. من تانيجوتشي وآخرون. علم. 329 ، 533 (2010).

تجريبياً ، كيف يتم تحديد هذه الأرقام على نسب البروتين إلى mRNA؟ تتمثل إحدى الطرق الأنيقة في استخدام الفحص المجهري الفلوري لمراقبة الرنا المرسال في وقت واحد باستخدام التهجين الفلوري في الموقع (FISH) ومنتجاتها البروتينية التي تم دمجها في بروتين فلوري. يوضح الشكل 2 صورًا مجهرية لكل من الرنا المرسال وبروتين الاندماج المترجم المقابل لجين معين في بكتريا قولونية. يُظهر الشكل 2C النتائج باستخدام هذه الطرق لجينات متعددة ويؤكد وجود فائض بمقدار 100 إلى 1000 ضعف من أرقام نسخ البروتين على mRNAs المقابلة لها. كما هو موضح في هذا الشكل ، ليس التصور المباشر عن طريق الفحص المجهري مفيدًا فحسب ، بل تم أيضًا استدعاء الأساليب القائمة على التسلسل.

بالنسبة للكائنات الحية البطيئة النمو مثل الخميرة أو خلايا الثدييات ، نتوقع نسبة أكبر مع التحذير من أن افتراضاتنا حول معدل الترجمة الأقصى أصبحت أكثر هشاشة ، وبهذا تكون ثقتنا في التقدير. بالنسبة للخميرة ذات معدلات النمو المتوسطة إلى السريعة ، تم الإبلاغ عن عدد الرنا المرسال في حدود 10000-60.000 لكل خلية (BNID 104312 ، 102988 ، 103023 ، 106226 ، 106763). حيث أن خلايا الخميرة أكبر بـ50 مرة من الحجم بكتريا قولونية، يمكن تقدير عدد البروتينات على أنها أكبر بهذه النسبة ، أو 200 مليون. ثم تكون النسبة p / m ≈2 & # 21510 8/2 & # 21510 4 10 4 ، بما يتماشى مع القيمة التجريبية لحوالي 5000 (BNID 104185 ، 104745). بالنسبة لتقسيم الخميرة كل 100 دقيقة ، يكون هذا حسب عدد الثواني في وقت توليدها ، وفقًا لتقديرنا الخام أعلاه.

الشكل 3: نسبة البروتين إلى مرنا في الخميرة الانشطارية. (أ) رسم بياني يوضح عدد نسخ الرنا المرسال والبروتين على النحو المحدد باستخدام طرق التسلسل وقياس الطيف الكتلي ، على التوالي. (ب) مؤامرة وفرة البروتين ووفرة مرنا على أساس الجين تلو الجين. مقتبس من S. Marguerat et al.، Cell، 151: 671، 2012. يشير التحليل الأخير (R. Milo، Bioessays، 35: 1050، 2014) إلى أن مستويات البروتين قد تم التقليل من شأنها وأن عامل تصحيح يزيد بنحو 5 أضعاف يجب تطبيقه ، مما يجعل نسبة البروتين إلى mRNA أقرب إلى 104.

كما هو الحال مع العديد من الكميات الموصوفة في جميع أنحاء الكتاب ، فإن جنون الإنتاجية العالية والجينوم الواسع قد أصاب موضوع هذه المقالة القصيرة أيضًا. على وجه التحديد ، باستخدام مزيج من RNA-Seq لتحديد أرقام نسخ mRNA وطرق قياس الطيف الكتلي والتنميط الريبوزومي لاستنتاج محتوى البروتين في الخلايا ، من الممكن تجاوز التقديرات والقياسات المحددة للجين على حدة الموصوفة أعلاه. كما هو مبين في الشكل 3 لخميرة الانشطار ، فإن التوزيع على مستوى الجينوم من الرنا المرسال والبروتين يؤكد التقديرات المقدمة أعلاه والتي تظهر أكثر من ألف ضعف من البروتين إلى الرنا المرسال في معظم الحالات. وبالمثل ، في خطوط خلايا الثدييات ، يتم استنتاج نسبة البروتين إلى الرنا المرسال تبلغ حوالي 10 4 (BNID 110236).

الشكل 4: ديناميات إنتاج البروتين. (أ) انفجارات في إنتاج البروتين ناتجة عن جولات متعددة من الترجمة على نفس جزيء الرنا المرسال قبل أن يتحلل. (ب) توزيع أحجام الانفجار لبروتين بيتا غالاكتوزيداز في الإشريكية القولونية. (مقتبس من L. Cai et al.، Nature، 440: 358، 2006.)

حتى الآن ، ركزنا على العدد الإجمالي لنسخ البروتين لكل mRNA وليس على عدد البروتينات المنتجة لكل انفجار إنتاجي يحدث من mRNA معين. يوضح الشكل 4 هذا ما يسمى بقياس حجم الانفجار ، حيث يظهر البروتين بيتا غالاكتوزيداز في بكتريا قولونية توزيع أحجام الرشقات المرصودة ، تتناقص بسرعة من العدد المشترك إلى عدد أقل بكثير من الحالات التي تزيد عن 10.

أخيرًا ، نلاحظ أن هناك معنى ثالثًا للسؤال الذي يخول هذه المقالة القصيرة ، حيث يمكننا أن نسأل عن عدد البروتينات التي تتكون من كل مرنا فردي قبل أن يتحلل. على سبيل المثال ، في النمو السريع بكتريا قولونية، تتحلل mRNAs تقريبًا كل 3 دقائق كما تمت مناقشته في المقالة القصيرة حول "ما هي معدلات تحلل الرنا المرسال والبروتينات؟". هذا النطاق الزمني أقصر بحوالي 10-100 مرة من وقت دورة الخلية. نتيجة لذلك ، للانتقال من العبارة القائلة بأن نسبة البروتين إلى mRNA هي عادةً 1000 إلى عدد البروتينات المنتجة من mRNA قبل أن تتحلل ، نحتاج إلى قسمة عدد فترات حياة mRNA لكل دورة خلية. نجد ذلك في هذا الانقسام السريع بكتريا قولونية سيناريو ، كل mRNA ينتج حوالي 10-100 بروتين قبل أن يتحلل.

تشير دراسة حديثة (G.Csardi et al.، PLOS genetics، 2015) إلى إعادة النظر في السؤال الأساسي لهذه المقالة القصيرة. يشير التحليل الدقيق لعشرات الدراسات حول مستويات mRNA والبروتين في الخميرة الناشئة ، وهو الكائن النموذجي الأكثر شيوعًا لمثل هذه الدراسات ، إلى وجود علاقة غير خطية حيث سيكون للجينات ذات المستويات العالية من mRNA نسبة بروتين أعلى إلى نسبة mRNA من mRNAs التي يتم التعبير عنها بشكل منخفض. يشير هذا إلى أن العلاقة بين الرنا المرسال والبروتين لا تحتوي على منحدر قدره 1 في مقياس لوغاريتم لوغاريتمي بل منحدر يبلغ حوالي 1.6 وهو ما يفسر أيضًا سبب كون النطاق الديناميكي للبروتينات أكبر بكثير من نطاق الرنا المرسال.


نتائج

مظهر اللون: تدرج تدرج اللون والتشبع

يوضح الشكلان 1 أ و 1 ب ، بالنسبة إلى Newtonian-View و Maxwellian-View ، على التوالي ، مجموعة بيانات مقياس تدرج اللون كدالة لطول الموجة. تمت إعادة قياس قيم الصبغة من خلال وظائف التشبع المرتبطة بها بحيث لا يصل مجموع درجات الألوان إلى 100٪ ، ولكن إلى قيم التشبع المرتبطة بها (انظر أعلاه) ، يتم عرض الوسائل الخاصة بالإناث بالرموز والوسائل للذكور بخطوط متصلة . أشرطة الخطأ هي SEMs من أجل الوضوح ، وتمتد تلك الخاصة بالذكور فقط أسفل نقاط البيانات ، بينما تمتد تلك الخاصة بالإناث فقط فوق نقاط البيانات. في كل طول موجي ، تم الحصول على وسائل المجموعة و SEMs الخاصة بهم عن طريق حساب متوسط ​​قيم R و Y و G و B التي تم الحصول عليها من كل مشارك.

ظهور اللون في نقرة الأضواء أحادية اللون. يعني تجميع وظائف الصبغة الفردية المعاد تحجيمها بواسطة قيم التشبع المرتبطة مجموع قيم الصبغة لقيم التشبع. (أ) المنبهات التي شوهدت في وجهة نظر نيوتن. تمتد أشرطة الخطأ (SEMs) فوق رموز الإناث وأسفل الخطوط للذكور. (ب) رأي ماكسويل. (ج) تم تجانس البيانات من العرض النيوتوني وإعادة رسمها على مساحة لونية ثنائية الأبعاد (مخطط المظهر الموحد انظر النص للحصول على التفاصيل). (د) تم تنعيم البيانات من عرض Maxwellian وإعادة رسمها على مخطط مظهر موحد.

يبدو أن هناك اختلافات متعلقة بالجنس ، لكنها تبدو صغيرة ، وليس من السهل تقدير حجمها أو اتجاهها. تكون التأثيرات أكثر وضوحًا عندما يتم عرض البيانات الموجودة في الشكل 1 أ ، ب في مساحة لونية ، UAD ، في الشكل 1 ج ، د. يتم تدوير البيانات الخاصة بالإناث قليلاً فيما يتعلق ببيانات الذكور: في معظم أجزاء الطيف ، يكون دوران البيانات الأنثوية في اتجاه عقارب الساعة فيما يتعلق ببيانات الذكور - وهذا الدوران ضمني في البيانات وليس نتيجة التلاعب التحليلي.ضع في اعتبارك ، على سبيل المثال ، النقاط المسماة 510 نانومتر في الشكل 1 ج للإناث ، النقطة تقريبًا على المحور الرأسي GR ، مما يعني أن الإحساس قريب من G الفريد ولكن بالنسبة للذكور ، لا يزال نفس الطول الموجي داخل ربع BG ، مما يعني أن الطول الموجي يجب أن يزداد ببضعة نانومترات لكي يظهر بشكل فريد G.

نحن نتعامل مع البيانات من شرطين للمشاهدة. لقد أظهرنا سابقًا أن هذه الظروف تؤدي إلى اختلافات منهجية في الأشكال التي يثيرها كل طول موجي [25]. استطردنا لنوضح أن الاختلافات المتعلقة بالجنس والتي تمثل النقطة المركزية في هذه الورقة لا ترجع إلى أي اختلافات في ظروف المشاهدة.

على الرغم من أن النتائج كانت متشابهة نوعياً ، إلا أن هناك مشكلة تمنعنا من دمج مجموعتي البيانات ببساطة. على الرغم من وجود نفس إضاءة شبكية العين ، إلا أن هناك فرقًا مهمًا: تم تقديم محفزاتنا على شكل ومضات قصيرة بحد أدنى من ITI يبلغ 20 ثانية في غرفة اختبار مظلمة ، مما يعني أن حدقات المشاركين قد اتسعت على نطاق واسع. وهكذا ، في النظرة النيوتونية ، دخل الكثير من الضوء عبر محيط التلميذ ، وبالتالي اصطدم بالمستقبلات بزوايا أكبر من تلك الخاصة بالضوء الذي يدخل من خلال مركز التلميذ ، كما هو الحال في Maxwellian-View. من المعروف أن أشعة "الحافة" تنتج تغيرات في المظهر اللوني للأضواء أحادية اللون (النوع الثاني Stiles-Crawford Effect (SC-II) [46 ، 47]).

يقارن الشكل 2 بياناتنا من شرطي العرض. يُظهر الإحداثي حدود الطول الموجي ، من أجل عرض Maxwellian ، الأطوال الموجية التي أثارت سلسلة من أحاسيس الصبغة ، تتراوح من 100٪ B إلى 20٪ Y & amp 80٪ R ، في 5٪ خطوات تدرج. (يقتصر نطاق نسب تدرج الألوان على تلك التي شاهدها جميع المشاركين.) يُظهر التنسيق التغيير في الطول الموجي المطلوب لإنتاج نفس الإحساس بالتدرج في عرض نيوتن كما في عرض Maxwellian. تمت إعادة رسم منحنى المجموعة الصلبة من ورقتنا السابقة لمقارنة ظروف العرض هذه ، وتناقش الأسباب المحتملة للتأثير بشكل كامل في تلك الورقة [25]. يوضح المنحنيان الآخران في الشكل 2 ، من البيانات الواردة في هذه الورقة (الشكل 1 ج ، د) ، التأثير حسب الجنس: يبدو أن هناك بعض الاختلافات المتعلقة بالجنس ، لكنها ليست مهمة (انظر التحليل الإحصائي أدناه).

التحول في الطول الموجي التحفيزي مطلوب لجعل مظهر اللون الذي يُرى في نيوتن كما هو الحال في عرض ماكسويل. مجموعة تعني الوظائف مصنفة حسب الجنس. تمتد أشرطة الخطأ (SEMs) فوق رموز الإناث وتحت رموز الذكور.

التحليل الإحصائي للفروق بين الجنسين

على الرغم من أن تأثيرات الجنس على مظهر اللون بدت متسقة بين شرطي المشاهدة ، إلا أنها كانت صغيرة وليست متطابقة. لإثبات أن التأثيرات الجنسية حقيقية ، استخدمنا طريقة مقبولة لدمج مجموعات البيانات التي لها وسائل مختلفة: حساب الفروق الفردية من وسائل كل حالة.

نظرًا لوجود ما يقرب من ضعف عدد المشاركات من الذكور ، فإن المتوسط ​​عبر جميع المشاركين من شأنه أن يؤدي إلى تحيز كبير في النتيجة نحو الأطوال الموجية المطلوبة من قبل الإناث لكل لون. لذلك ، بالنسبة لكل حالة عرض ، تم اشتقاق متوسط ​​عالمي للأطوال الموجية المطلوبة لاستنباط كل لون: متوسط ​​النظام البصري = (المتوسط ​​للذكور + المتوسط ​​للإناث) / 2. تم حساب الوسائل بشكل منفصل لكل جنس لإزالة آثار الفروق في أحجام العينات بين الذكور والإناث.

بعد ذلك ، بالنسبة لكل إحساس بالتدرج من أحد شرطي المشاهدة (نيوتن أو ماكسويل) ، تم طرح الطول الموجي المطلوب لكل مشارك من متوسط ​​الطول الموجي لجنس ذلك المشارك. تم دمج هذه الاختلافات من كل متوسط ​​نظام بصري ، في مصفوفة واحدة كبيرة ، تم تنظيمها للاحتفاظ بالجنس وواصفات النظام البصري.

تظهر الفروق بين الذكور والإناث في الطول الموجي المطلوب لظل معين في الشكل 3. يوضح هذا الشكل بوضوح النقطة المركزية في هذه الورقة: يحتاج الذكور إلى طول موجي أطول قليلاً من الإناث لتجربة نفس اللون.

الفروق بين الجنسين في التحولات في أطوال الموجات (البيانات المجمعة من وجهات نظر نيوتونية وماكسويل انظر النص لوصف إجراء المجموعة) المرتبطة بأحاسيس تدرجات معينة. الأطوال الموجية المطلوبة للإناث لتجربة نسبة لون محددة (أزرق ، أزرق / أخضر ، أخضر / أصفر ، أصفر / أحمر) مطروح من الأطوال الموجية المطلوبة من قبل الذكور لنفس نسب التدرج.

في الشكل 3 ، تكون الإحداثيات عبارة عن سلسلة من أحاسيس الصبغة ، تتراوح من 100٪ B إلى 20٪ Y & amp 80٪ R ، في 5٪ خطوات تدرج ، يقتصر نطاق نسب تدرج الألوان على تلك التي شاهدها جميع المشاركين. (على سبيل المثال ، أبلغت 30 أنثى فقط عن إحساس بنسبة 5٪ R & amp 95٪ B ، و 24 فقط لديهن إحساس بنسبة 25٪ R & amp 75٪ B من الذكور ، 18 فقط أبلغن عن إحساس بنسبة 5٪ R & amp 95٪ B ، و 14 فقط لديهم إحساس بنسبة 25٪ R & amp 75٪ B.) تم حساب متوسط ​​النتائج من المصفوفة التي تجمع جميع البيانات بشكل منفصل للذكور والإناث: تم بعد ذلك طرح متوسط ​​الطول الموجي اللازم لاستنباط كل لون للإناث من ذلك من أجل ذكور. تم رسم النتائج على تنسيق الشكل 3. بالنسبة لـ 56 من أصل 57 من هذه الأحاسيس ، والتي تغطي معظم الطيف المرئي ، يحتاج الذكور إلى طول موجي أطول من الإناث لتجربة إحساس تدرج لون معين. يظهر هذا الاختلاف أيضًا في الشكل 1 ج ، د: كما لاحظنا (انظر أعلاه) ، لكل حالة عرض ، يتم تدوير البيانات الأنثوية في اتجاه عقارب الساعة فيما يتعلق ببيانات الذكور.

تم تشغيل ANOVA (نموذج خطي عام SPSS ، مقاييس متكررة ، تصميم مختلط) باستخدام المصفوفة العالمية أعلاه: كانت العوامل هي اللون والجنس والنظام البصري. (انظر الجدول 1.) بينما كانت التأثيرات الجنسية صغيرة ، كان تأثير الجنس معنويًا: F (1 ، 92) = 7.004 ، p = 0.010. كانت درجات الحرية (92) أقل بقليل من درجات الحرية المتوقعة من العدد الإجمالي للمشاركين (105) وذلك بسبب بعض نقاط البيانات المفقودة بسبب أخطاء طفيفة في الحصول على البيانات المحوسبة. تم استبعاد البيانات من المشاركين مع مثل هذه البيانات المفقودة من التحليل الإحصائي.

في الشكل 3 ، متوسط ​​حجم تأثير الفروق بين الذكور والإناث في الطول الموجي المطلوب لاستنباط كل لون هو 2.2 نانومتر. على الرغم من وجود اختلافات في الاختلافات عبر الأشكال ، إلا أنها لا تختلف اختلافًا كبيرًا عن هذا المتوسط ​​(ANOVA: لا يوجد تأثير كبير للتدرج ، انظر الجدول 1). وهذا يعني ، بغض النظر عن درجة اللون الخاصة ، أن الذكور يحتاجون ، في المتوسط ​​، إلى طول موجة أطول بمقدار 2.2 نانومتر من الطول الموجي اللازم لاستنباط الإحساس نفسه من الإناث. وبالمثل ، لم يكن هناك تأثير كبير على درجات الاختلاف بسبب النظام البصري: كانت النتائج هي نفسها عندما تمت مقارنة مجموعة بيانات كل مشارك بالمتوسط ​​المناسب لنظام بصري معين. وهذا يعني ، من بين أشياء أخرى ، أن الفروق المحتملة بين الجنسين في البيانات من حالتي المشاهدة (انظر الشكل 2) ليست ذات دلالة إحصائية. لم تكن هناك تأثيرات أو تفاعلات مهمة أخرى.

مباريات رايلي الشاذة

البشر متعدد الأشكال للمخاريط L و M (على سبيل المثال [13]). علاوة على ذلك ، قد يعبر الأفراد عن أكثر من واحد من هذه الأليلات ، وهناك اختلافات بين الجنسين في الأعداد النسبية للأقماع L و M [14 ، 48 ، 49]. من المتفق عليه عمومًا أن العديد من الإناث لديهن أنماط ظاهرية بأصباغ ضوئية متعددة L و M. ومع ذلك ، هناك بعض الإجماع على أن الذكور قد يعبرون عن واحد فقط من كل منهم (على سبيل المثال ، [50]). قد تكون هذه النتائج هي الأساس للتأثيرات الجنسية الهامة على درجة اللون التي نبلغ عنها هنا.

يجب أن تؤثر الاختلافات بين الأفراد في الحساسيات الطيفية للمخاريط L و M في الأفراد على مباريات Rayleigh anomaloscope. في هذا الاختبار ، يضيء حقل ثنائي الأجزاء على جانب واحد بضوء يظهر Y ، وتتمثل المهمة في مطابقة مظهره مع مزيج مضاف على الجانب الآخر مع مصباحين ، أحدهما يظهر G والآخر يظهر R. (لأن كل الأطوال الموجية استخدمناها كانت أطول من 520 نانومتر ، ولم تسهم المخاريط S بشكل أساسي في أي شيء في النتيجة).

بعد اصطلاح نيتز وجاكوبس [48] ، استنتجنا متوسط ​​قياس قيمة RG المطابقة على النحو التالي. قمنا بتجميع نسب RG لجميع المشاركين ، بغض النظر عن الجنس ، وقمنا بتقييم قيم R و G بحيث يكون متوسط ​​المجموعة للكمية R / (R + G) يساوي 0.5. هذه القيمة هي نقطة المنتصف من abscissae في الشكلين 4 أ ، ب توضح هذه الأرقام توزيعات التردد لهذه النسبة للإناث والذكور على التوالي. تشير القيم العالية للنسبة إلى قيمة R أقل فعالية في المزيج المطابق والقيم المنخفضة تشير إلى أقل فعالية G. الأفراد الذين يفتقرون إلى L-cone سيكون لديهم قيم عالية للغاية للنسبة ، في حين أن أولئك الذين يفتقرون إلى M-cone سيكون لديهم قيم منخفضة للغاية يُظهر هؤلاء الأفراد شكلاً من أشكال عمى الألوان (ثنائي اللون) يشار إليه باسم protanopia أو deuteranopia على التوالي ، تشير القيم المرتفعة إلى أشكال أقل شدة (شاذة) لهذه العيوب. كان لدى جميع مراقبينا نسب بعيدة عن هذه الحدود المتطرفة - كانت طبيعية اللون.

توزيعات التردد لنسب مطابقة منظار الشذوذ: R / (R + G) ، حيث يتم إعادة ترجيح R و G لإنتاج متوسط ​​مجموعة 0.5 (انظر النص للحصول على التفاصيل). (فقط المشاركون الذين قاموا أيضًا بتحجيم تدرج اللون وتشبع المنبهات التي شوهدت في وجهة نظر نيوتن.) (أ) إناث. (ب) ذكور.

نظرًا لأن البشر ، وخاصة الإناث ، متعدد الأشكال للجينات L- و M-cone ، فقد يُتوقع أن تُظهر مباريات Rayleigh السكانية أوضاعًا متعددة ، كما هو موضح في البيانات المنشورة بناءً على عينات كبيرة: كان للذكور توزيع ثنائي الوسائط ، بينما الإناث كان لها توزيع ثلاثي الوسائط إلى حد كبير (على سبيل المثال ، [14]). على الرغم من أن توزيعاتنا لنسب RG المطابقة (الشكل 4) لا تختلف اختلافًا كبيرًا حسب الجنس ، إلا أنها تُظهر ، خاصة بالنسبة للإناث ، بعض الاختلافات المتعلقة بالجنس التي تم الإبلاغ عنها سابقًا. يتضمن كل رسم بياني أيضًا التوزيعات العادية المتوقعة (بناءً على متوسطات المجموعة والتباينات) إذا تم تضمين الاختلافات العشوائية فقط. عند تطبيق اختبار Kolmogorov-Smirnov (كما هو مضمن في SPSS) ، لم يكن توزيع التردد للذكور مختلفًا بشكل كبير عن الوضع الطبيعي (p = 0.134) ، ربما بسبب صغر حجم العينة للإناث كان هناك اختلاف كبير عن الحالة الطبيعية (p = 0.016) .

لقد أخذنا في الاعتبار توزيعات مباريات رايلي لأن الأنماط المتعددة المهمة تشير إلى مجموعات فرعية محتملة يمكن أن ترتبط كل مجموعة فرعية بأساليب متعددة في التوزيعات الطيفية للأشكال الفريدة. ندرس هذا أدناه.

ألوان فريدة

يمكن للمخاريط المفردة فقط الإبلاغ عن المعدل الذي تمتص به أصباغها الضوئية الفوتونات - بمجرد امتصاص الفوتون ، تُفقد جميع المعلومات المتعلقة بطول موجته. لتوفير معلومات حول الطول الموجي (اللون) ، يجب على الجهاز العصبي مقارنة استجابات المخاريط التي تحتوي على أصباغ ضوئية مختلفة ، ويتم إجراء هذه المقارنة بواسطة خلايا معارضة طيفية في شبكية العين - على سبيل المثال ، قد يثير نوع مخروطي أكثر حساسية للأطوال الموجية الأطول هذه الخلايا ، في حين أن نوعًا مخروطيًا آخر ، أكثر حساسية للأطوال الموجية الأقصر ، يثبطها.

تبدو أنظمة الخصوم الطيفية منتشرة في كل مكان في الأنواع ذات الرؤية اللونية ، بدءًا من أسماك المياه الضحلة المتنوعة من عائلة Mugilidae [51] ، إلى الثعابين [52] ، إلى قرود المكاك [53]. في قرود المكاك ، تم تحديد أربعة أنواع من الخلايا المعادية طيفيًا في شبكية العين والمنطقة المرئية من المهاد (النواة الركبية الجانبية) [53-56]. تحتوي هذه الخلايا المعادية على نقاط طيفية يكون عندها الإثارة والتثبيط متساويين ولا توجد استجابة صافية (نقطة فارغة). الأحاسيس النفسية للون لها أيضًا أصفار طيفية - على سبيل المثال ، الإحساس الذي هو Y فقط (Y فريد) يتزامن مع النقطة الفارغة لـ R مقابل G (انظر الشكل 1). ومع ذلك ، فإن النقاط الفارغة الفيزيائية النفسية (الأشكال الفريدة) لا تتطابق مع أصفار خلايا الخصم الطيفي. يجب أن تعتمد الأحاسيس في النهاية على إعادة معالجة هذه المدخلات العصبية لتحديد آليات لون الخصم (الحسية) [30].

تعد المواقع الطيفية للأشكال الفريدة مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنها تحدد النقاط الفارغة لأحاسيس الخصم الطيفي - أي آليات التدرج. نحن نجادل بأن آليات الصبغة هي معارضة ، بناءً على مجموعة متنوعة من الأدلة ، بما في ذلك الملاحظات التي تشير إلى أنه يمكن استخدام نصف نظام الخصم لإلغاء إحساس خصمه [57 ، 58]. وبالتالي ، يحدث Y الفريد عند الطول الموجي الذي يثير إحساسًا بعدم وجود R أو G ، فهذه هي النقطة الفارغة لآلية RG. تلعب القيم الدقيقة لهذه المواقع دورًا مهمًا في تقييد العديد من نماذج رؤية الألوان بناءً على معالجة الخصم الطيفي للمعلومات المرئية (على سبيل المثال ، [30 ، 57 ، 59-61]).

تم رسم UADs لكل فرد ، تم العثور على الطول الموجي لكل لون فريد من خلال الاستيفاء على الشريحة المجهزة. توضح الأشكال من 5 أ إلى ج توزيعات التردد للمواقع الطيفية الفريدة من نوعها Y و G و B. في هذه الأشكال ، من أجل التبسيط ، نعرض فقط البيانات الخاصة بالمنظور النيوتوني - النتائج والاستنتاجات الخاصة بنظرة Maxwellian متشابهة جدًا (على سبيل المثال ، انظر الجدول 2). للمقارنة عبر هذه الرسوم البيانية الثلاثة ، تم تعيين عرض الحاوية عند 0.33 من الانحراف المعياري لكل توزيع. (تم تضمين بعض نقاط البيانات في هذه الأرقام في [41] ، لكننا هنا أضفنا عددًا كبيرًا من المشاركين الجدد.) لاحظ أنه بالنسبة لمعظم الأفراد ، لا يوجد طول موجي طيفي يتوافق مع R الفريد - تؤدي الأطول الموجية الأطول إلى إحساس يحتوي على بعض Y. لكل لون ، نعرض أيضًا التوزيع المتوقع إذا تم توزيع الموقع بشكل طبيعي. من اختبارات Kolmogorov-Smirnov (كما هو مضمن في SPSS) ، تختلف جميع توزيعات بيانات المجموعة اختلافًا كبيرًا عن توزيعاتها الطبيعية المتوقعة: بالنسبة لـ Y ، p = 0.0043 لـ G ، p = 0.0004 لـ B ، p = 0.0003. تشير الاختلافات المهمة عن الحالة الطبيعية ووجود قمم فرعية إلى أنه بالنسبة للأشكال الفريدة ، فإن البشر ليسوا مجموعة سكانية متجانسة. على وجه الخصوص ، فإن توزيع Y ضيق للغاية ، وهو اكتشاف تم الإبلاغ عنه أيضًا من قبل آخرين باستخدام أحجام عينات قابلة للمقارنة ولكن تقنيات نفسية فيزيائية مختلفة تمامًا [62].

توزيعات التردد للمواقع الطيفية ذات الأشكال الفريدة (عرض نيوتن) ، جنبًا إلى جنب مع التوزيعات العادية بناءً على الوسائل والانحرافات المعيارية للبيانات. عرض الصندوق = 0.33 من SD لتوزيع معين. (أ) أصفر. (ب) لون أخضر. (ج) أزرق.

قد تكون القمم المتعددة التي تظهر في التوزيعات في الشكل 5 مرتبطة بالجنس ، تُظهر الأشكال 6 أ-ج نفس البيانات ، ولكنها تنقسم بين الذكور والإناث لفحص ذلك. عند تطبيق اختبار Kolmogorov-Smirnov ، تظهر توزيعات التردد للإناث انحرافات كبيرة عن الوضع الطبيعي: Y ، p = 0.01 G ، p = 0.0005 B ، p = 0.0002. ومع ذلك ، لا تختلف توزيعات الذكور اختلافًا كبيرًا عن التوزيعات العادية المتوقعة (ربما بسبب حجم العينة الصغير): Y، p = 0.152 G، p = 0.2 B، p = 0.119. ولكن في جميع هذه الحالات ، تم تحويل مواقع الذكور نحو أطوال موجية أطول ، مما يكرر الاكتشاف العام بأن الذكور يحتاجون إلى طول موجي أطول من الإناث لتجربة نفس الإحساس بالتدرج (الشكل 3).

توزيعات التردد للمواقع الطيفية ذات الأشكال الفريدة (وجهة نظر نيوتن) ، مصنفة حسب الجنس. عرض الصندوق = 0.33 من SD لتوزيع معين. (أ) أصفر. (ب) لون أخضر. (ج) أزرق.

يظهر تشابه النتائج لشرطي العرض في الجدول 2: فيما يتعلق بالمواقع الطيفية للأشكال الفريدة ، فإن متوسط ​​الأطوال الموجية للمجموعة ، من أجل وجهات النظر Newtonian و Maxwellian ، يرد في الجدول 2. ليست القيم متشابهة فحسب ، ولكن في جميع الحالات ، يتم تحويل قيم الذكور إلى أطوال موجية أطول.

لفحص ما إذا كانت هناك أي ارتباطات بين المواقع الطيفية للأفراد ونسب التنظير الشاذ المرتبطة بها ، قمنا بحساب قيم R 2 بشكل منفصل للذكور والإناث. لم تكن أي من الارتباطات ، لأي من الأشكال الفريدة ، ذات أهمية كبيرة ، وكانت في الأساس خطوطًا مسطحة مع R 2 تتراوح من 0.001 (ذكور ، B- فريد) إلى 0.17 (ذكور ، Y- فريد). من المثير للاهتمام عدم وجود أي ارتباط واضح. بالنظر إلى النطاق الواسع نسبيًا لنسب التنظير الشاذ ، وإشارات القمم الفرعية ، التي قد تكون مرتبطة بالتعبير عن أليلات مخروطية L و M مختلفة ، ربما توقعنا علاقة أوثق بين نسبة المنظار الشاذ للمشارك وموقعه أو موقعها. هوى طيفي. Y الفريدة على وجه الخصوص هي وظيفة فقط لمدخلات L- و M-cone لآلية صبغة G-R الخصم التي تتزامن مع النقطة الفارغة الطيفية لنظام G-R. ولكن ، يجب ترجيح مدخلات المخروط هذه بالنسبة لبعضها البعض: على وجه التحديد ، يجب ترجيح المدخلات من المخاريط M بقوة أكبر من تلك الواردة من المخاريط L من أجل تحويل Y الفريد إلى موضعها الطيفي المرصود.

علاوة على ذلك ، يجب أن تكون الأوزان النسبية لهذه المدخلات مقيدة بشدة لأن توزيع Y الفريد الموضح في الشكل 5 ضيق (انظر [30] لمزيد من المناقشة الكاملة). هذا الضيق ملحوظ لسببين: أولاً ، هناك اختلافات في الحساسية بين الحساسيات الطيفية L- و M-cone ، كما يتضح من نطاق نسب التنظير الشاذ ثانيًا ، هناك اختلافات كبيرة بين الأفراد في الأعداد النسبية لهذه المخاريط [33 ]. يجب أن يعوض الترجيح القشري لمدخلات المخروط في نظام G-R عن هذه الفروق الفردية.

أخيرًا ، بحثنا عن أي ارتباطات محتملة بين المواقع الطيفية لكل زوج من الأشكال الفريدة. لم نعثر على أي شيء يؤكد الاستنتاجات السابقة المماثلة [61 ، 63].

تمييز الطول الموجي

نظرًا لأن UAD للفرد لظروف عرض معينة له مقياس موحد ، يمكن استخدامه لاشتقاق دالة تمييز الطول الموجي [23-27]. تم اشتقاق وظائف المشاركين عن طريق قياس ، لكل محفز ، (على طول وظيفة الشريحة المجهزة لكل من UAD لكل فرد - انظر أعلاه) التغيير في الطول الموجي اللازم لإنتاج تغيير معياري ثابت في الإحساس ، تم حساب متوسط ​​هذه التحولات في الطول الموجي عبر المشاركين للحصول على المجموعة وظائف تمييز الطول الموجي للذكور والإناث.

يوضح الشكل 7 وظائف تمييز الطول الموجي لظروف العرض البصري مقسمة حسب الجنس. في الشكل 7 أ ، نعرض منحنيات العرض النيوتوني ، وفي الشكل 7 ب نفس الشيء بالنسبة إلى Maxwellian View. الاتجاهات العامة متشابهة بشكل ملحوظ. بينما لا توجد فروق ذات دلالة إحصائية بين الجنسين ، فإن منحنيات الذكور والإناث ليست متطابقة. تطبيق تحليل البيانات الاستكشافية [64] على هذه البيانات: يبدو أن هناك اختلافات منهجية بين الجنسين. في منتصف الطيف ، يمتلك الذكور نطاقًا أوسع قليلاً من التمييز الضعيف نسبيًا (540-560 نانومتر للعرض النيوتوني 530-570 نانومتر لعرض Maxwellian). نقترح أن الاختلافات بين الجنسين في تمييز الطول الموجي حقيقية.

وسائل المجموعة لوظائف تمييز الطول الموجي المستمدة من مخططات المظهر الموحدة الفردية المصنفة حسب الجنس. (أ) رأي نيوتن. (ب) رأي ماكسويل. أشرطة الخطأ: SEMs.


المواد والأساليب

نوع الكاشف
(محيط
أو مورد
تعيينالمصدر أو
المرجعي
معرفاتإضافي
معلومة
الجسم المضادمكافحة OPN1SW
(الفأر
وحيدة النسيلة)
سانتا
كروز بيوتكنولوجي
القط #: sc14363(1:50)
الجسم المضادمكافحة الماعز IgG
(H + L) مرحبا
فلور 750
أنا سبيك
(1:100)
ثانوي
جسم مضاد
بيولوجي
عينات
المكاك
شبكية العين
واشنطن الإقليمية
الرئيسيات
مركز البحوث
غير متاححاشية مكاكا ،
مكاكا nemestrina
و مكاكا مولاتا
من كلا الجنسين ،
من عمر 2 حتى
20 سنه
المواد الكيميائية
مركب المخدرات
أميسسيجما1420
المواد الكيميائية
مركب المخدرات
DNase1سيجما11284932001
برمجة،
الخوارزميات
ايغور بروWaveMetricshttps://www.wavemetrics.com/
برمجة،
الخوارزميات
ماتلابماثووركسhttps://ch.mathworks.com/products/matlab
برمجة،
الخوارزميات
سمفونيةسيمفوني- DAShttp://symphony-das.github.io/

الأنسجة والخلايا والمحاليل

تم إجراء تسجيلات الفيزيولوجيا الكهربية على شبكية العين الرئيسية التي تم الحصول عليها من خلال برنامج توزيع الأنسجة التابع للمركز الإقليمي لأبحاث الرئيسيات بجامعة واشنطن. تم إجراء التسجيلات من شبكية العين من Macaca fascicularis ، Macaca nemestrina ، و مكاكا مولاتا من كلا الجنسين الذين تتراوح أعمارهم بين 2 و 20 سنة. تم استخدام جميع أنسجة الرئيسيات وفقًا للجنة رعاية واستخدام الحيوان المؤسسية بجامعة واشنطن. تم الحصول على الأنسجة وتحضيرها كما هو موضح سابقًا (Angueyra and Rieke ، 2013 Sinha et al. ، 2017). باختصار ، كانت شبكية العين مظلمة متكيفة (& gt1 ساعة) ومخزنة في دافئة (32 درجة مئوية) ، كان وسط Ames المؤكسج هذه المرة كافياً لتكييف الشبكية المظلمة تمامًا ، كما تم الحكم عليه من خلال الاستجابات للفوتونات الفردية في العصي والخلايا المصب (Ahnelt وآخرون ، 1987 ، Ala-Laurila and Rieke ، 2014). بعد التكيف المظلم ، تم فصل قطعة من شبكية العين تقريبًا 2-3 مم على جانب من الظهارة الصباغية ووضعت جانب المستقبل الضوئي لأعلى (تسجيلات مخروطية) أو لأسفل (تسجيلات الخلايا العقدية للشبكية) على ساترة مغلفة بالبولي ليسين (BD العلوم البيولوجية ، سان خوسيه ، كاليفورنيا) التي كانت بمثابة أرضية غرفة التسجيل لدينا. للتسجيلات المخروطية ، عولجت شبكية العين بـ DNase1 (Sigma-Aldrich ، St.

3 دقائق) قبل وضعه في غرفة التسجيل. خلال التسجيلات ، تم ترطيب الأنسجة باستمرار بمحلول أميس الدافئ المؤكسج.

تسجيلات التصحيح المشبك

تم إجراء تسجيلات مشبك التصحيح المخروطي في قطع سليمة من شبكية العين المثبتة على شكل مسطح كما هو موضح سابقًا (Angueyra and Rieke ، 2013 Sinha et al. ، 2017). باختصار ، قمنا بقياس استجابات الضوء المخروطي باستخدام مجموعة من المشبك الكهربائي للخلية الكاملة (احتمال الإمساك = 60 مللي فولت غير مصحح لإمكانات الوصلة السائلة) والتسجيلات الحالية (القابضة الحالية = 0 باسكال). تم إجراء التسجيلات خارج الخلية من الخلايا العقدية الشبكية كما هو موضح سابقًا (Sinha et al. ، 2017). تم ترشيح البيانات بتمرير منخفض عند 3 كيلو هرتز ، وتم رقمنتها عند 10 كيلو هرتز ، وتم الحصول عليها باستخدام مضخم Multiclamp 700B. لم يتم تطبيق أي ترشيح إضافي على أي من البيانات المقدمة باستثناء الشكل 4 أ. تم التحكم في جميع التسجيلات باستخدام برنامج Symphony Data Acquisition Software ، وهو برنامج مفتوح المصدر للفيزيولوجيا الكهربية يعتمد على MATLAB (https://github.com/symphony-das).

تحديد مخروط S.

تشكل المخاريط S أقلية من المستقبلات الضوئية المخروطية داخل شبكية العين الرئيسية. أثناء التسجيل ، تم تصور مجموعة المستقبلات الضوئية باستخدام الفحص المجهري DIC ، مما يجعل كل المخاريط تبدو متشابهة. في البداية ، حاولنا تسمية مخاريط S في شبكية العين في المختبر باستخدام جسم مضاد موجه ضد جزيء S-opsin (مضاد لـ OPN1SW ، sc-14363 ، التكنولوجيا الحيوية في سانتا كروز ، دالاس ، تكساس). على الرغم من أننا لم نستخدم هذا النهج لجمع أي من البيانات التي تم الإبلاغ عنها هنا ، إلا أنه ساعدنا في تعلم تحديد مخاريط S بناءً على مورفولوجيتها وموقعها داخل مجموعة مستقبلات الضوء (Ahnelt et al. ، 1987 Packer et al. ، 2010). أدى استهداف المخاريط التي بدت أصغر قليلاً ، ومرتاحة ، وخارج مكانها داخل مصفوفة المستقبلات الضوئية إلى زيادة كبيرة في احتمال أن تكون الأقماع عبارة عن مخاريط S. سمح لنا استهداف الأقماع بهذه الطريقة بجمع عدد كبير من تسجيلات S-cone بكفاءة.

معايير اختيار الخلايا

اخترنا خلايا لجمع البيانات بناءً على سعة استجابتها للوميض الساطع. بالنسبة لتسجيلات المشبك الحالية ، تم جمع البيانات فقط من الأقماع ذات الاستجابة القصوى التي تتجاوز 10 مللي فولت. بالنسبة لتسجيلات المشبك الجهد ، كان هذا المعيار 100 باسكال (بجهد احتجاز 60 مللي فولت). الافتراض الكامن وراء هذه المعايير هو أن الخلايا ذات الاستجابات الأكبر تشبه إلى حد كبير الخلايا الموجودة في الجسم الحي. لقد تحكمنا في ثلاثة عوامل إضافية يمكن أن تؤدي إلى تحيز نتائجنا. أولاً ، تتباطأ استجابات المخروط بمرور الوقت أثناء تسجيلات الخلية الكاملة ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى غسل المكونات داخل الخلايا الضرورية للنقل الضوئي. لقد جمعنا البيانات لمدة لا تزيد عن 4 دقائق بعد بدء التسجيل لتقليل مصدر وقت التحيز هذا إلى الذروة وتغيير سعة الاستجابة إلى الحد الأدنى خلال هذا الوقت ، ولم يتغير شكل موجة الاستجابة بشكل ملحوظ. ثانيًا ، تم جمع البيانات الواردة هنا بين 1 و 15 ساعة بعد جمع شبكية العين ، ويمكن أن تتغير استجابات المخروط خلال هذا الوقت. للتحقق من هذا الاحتمال ، قمنا بتجميع الخلايا في فترات من 1-6 ، و6-10 ، و10-15 ساعة بعد جمع الشبكية. كانت الفترة الزمنية إلى الذروة لاستجابات S-cone مختلفة اختلافًا كبيرًا عن تلك الخاصة بمخاريط LM في كل نافذة زمنية (البيانات غير معروضة). ثالثًا ، يمكن أن تختلف الاستجابات من شبكية إلى أخرى. للتحكم في هذه الاختلافات بين شبكية العين ، أشرنا إلى كل مخروط S مسجل إلى L و / أو M المخاريط المسجلة في نفس شبكية العين. الاختلافات التي نلاحظها في الردود التي تم جمعها عبر جميع المخاريط المسجلة (الشكل 1) كانت موجودة أيضًا في ردود الخلايا داخل قطعة معينة من شبكية العين (الشكل 2E و F والشكل 4C). تمثل البيانات المبلغ عنها هنا تسجيلات من إجمالي 72 مخاريط S و 60 M مخاريط و 112 L مخاريط من شبكية العين المحيطية و 32 مخاريط S و 25 M مخاريط و 28 L مخاريط من شبكية نقرة. لكل مجموعة بيانات باستثناء الشكل 6 ، استخدمنا ما لا يقل عن خمسة شبكية عين من خمسة حيوانات. في الشكل 6 ، استخدمنا شبكيتين من حيوانين.

التحفيز الضوئي

تم تقديم المحفزات من مصابيح LED التي يقودها الكمبيوتر بأطوال موجية قصوى تبلغ 406 و 515 و 640 نانومتر لتوفير المرونة لتحفيز جميع أنواع المخروط الثلاثة بشكل فعال. غطت المنبهات الضوئية أ

قرص 500 ميكرومتر متمركز على الخلية المستهدفة. بعد تسجيل ناجح من شبكية العين المحيطية ، انتقلنا إلى موقع على شبكية العين خارج المنطقة المعرضة للضوء قبل محاولة تسجيل آخر ، مما يضمن أن جميع الخلايا المسجلة كانت مظلمة تمامًا في بداية التسجيل. وقد اقتصر هذا على 2-3 مواقع لكل نقرة نظرًا لصغر حجمها. كان الحد الأدنى لمستوى الضوء المستخدم (500 R * / cone / s) كافياً لإزالة استجابات القضيب بشكل فعال (Grimes et al. ، 2018).

تم إنشاء جميع بروتوكولات التحفيز باستخدام امتدادات مخصصة تستند إلى MATLAB لبرنامج Symphony Data Acquisition Software ، وتم تسليمها عند 10 كيلو هرتز. لحساب معدلات الأزمرة المخروطية ، قمنا بقياس أطياف LED ، واستخدمنا قياسات طاقة LED ، وأطياف المستقبلات الضوئية الرئيسية من Baylor et al. (1987) ، ومنطقة تجميع فعالة تبلغ 0.37 ميكرومتر 2 (Schnapf et al. ، 1990). كمرجع ، يبلغ حجم عربة التصوير الضوئي 10-30 R * / cone / s (Spillmann and Werner ، 1990 Crook et al. ، 2009). بناءً على الاختلافات المورفولوجية ، يمكن أن يكون للمخاريط S مساحة تجميع أصغر من المخاريط LM (Ahnelt et al. ، 1987 Packer et al. ، 2010) ومع ذلك ، من غير المرجح أن تفسر هذه الاختلافات نتائجنا ، مثل استجابات مخاريط S في الخلفيات من 50000 R * / cone / s أبطأ من تلك الموجودة في LM cones عند 5000 R * / cone / s. علاوة على ذلك ، كانت مناطق التجميع المخروطية المقدرة للضوء المنقول من أعلى وأسفل الشبكية (أي مباشرة إلى الجزء الخارجي مقابل أول اجتياز للجزء الداخلي) متشابهة وبالتالي ، فإن تركيز الضوء عبر الجزء الداخلي يساهم بشكل ضئيل في تحضيراتنا ، وبالتالي الاختلافات في من غير المحتمل أن يؤثر حجم الجزء الداخلي بين الأقماع S و LM على منطقة التجميع.

تم إنشاء محفزات عزل المخروط باستخدام مصفوفة تم تعيينها من مدخلات LED إلى الأزمرات المحسوبة لدينا في كل نوع مخروطي. يرسم معكوس هذه المصفوفة من التماكبات في كل نوع مخروطي إلى إدخال لكل LED. باستخدام هذه المصفوفة ، تمكنا من تحديد محفزاتنا من حيث التشابهات لكل نوع مخروطي. أي فشل في عزل مخاريط S مقابل مخاريط LM من شأنه أن يقلل من حجم الاختلافات الحركية التي رأيناها في التحليل المقدم في الشكل 6.

لحساب المرشحات الخطية في الشكلين 4 و 6 ، قدمنا ​​محفزات ضوضاء غاوسية متغيرة بمرور الوقت مع تباين 50 ٪ (SD / متوسط) وعرض نطاق من 0 إلى 60 هرتز. تم تقديم هذا التحفيز بمتوسط ​​نصوع 2500 R * / مخروط / ثانية لتجارب الشكل 4 وإما 1000 أو 10000 R * / مخروط / ثانية لتجارب الشكل 6.

استندت تسجيلات الضوضاء في الشكل 7 إلى 3 خطوات ضوئية من الظلام إلى مستويات إضاءة خلفية مختلفة. في مجموعة فرعية من الخلايا ، تمت زيادة مدة الخطوة وتم فرض ومضات خافتة على الخطوة لتوفير البيانات اللازمة لحساب عتبات الكشف.

التحليلات

تم تحليل جميع البيانات باستخدام إجراءات تحليل MATLAB المكتوبة خصيصًا.

حساب الوقت إلى الذروة

تم تكرار جميع التحليلات من الوقت إلى الذروة باستخدام سلسلة من التقنيات المختلفة لحساب أوقات ذروة استجابات الفلاش المخروطي والمرشحات الخطية ذات الخلايا العقدية الصغيرة. ظلت النتائج مهمة بغض النظر عن التقنية المستخدمة. بالنسبة للنهج الأول ، أخذنا الوقت الذي وصل فيه متوسط ​​الاستجابة الأولية أو المرشح الخطي إلى قيمته القصوى. بسبب الضوضاء التي لا يمكن تجنبها ، كان من الواضح في بعض التسجيلات أن الارتفاع العشوائي في الضوضاء قد أثر على وقت تحديد الذروة. للتحكم في ذلك ، استخدمنا نهجين قائمين على التركيب. لأول مرة ، نلائم توزيع غاوسي مبتور يمتد

20 مللي ثانية إلى منطقة الذروة لمتوسط ​​استجابة وميض أو مرشح خطي. تم أخذ وقت الذروة ليكون الوقت الذي وصل فيه التوافق الغاوسي إلى قيمته القصوى. تضمن النهج النهائي تركيب وظيفة تم عرضها سابقًا (Angueyra and Rieke ، 2013) لالتقاط بنية استجابة الفلاش (المعادلة 1). وجدنا أن هذه الوظيفة تتمتع بالقوة التمثيلية اللازمة لتناسب كل من استجابات الفلاش المخروطي ومرشحات SBC الخطية وحددنا وقت الذروة باعتباره الوقت الذي وصلت فيه وظيفة الملاءمة هذه إلى قيمتها القصوى. بالنسبة للمخاريط ، تم حساب استجابة جميع الأوقات حتى الذروة المبلغ عنها هنا باستخدام تقنية تركيب غاوسي المبتورة. تم حساب أوقات المرشح الخطي للخلية المصغرة الصغيرة حتى الذروة باستخدام النوبات من المعادلة 1.

التحليل الطيفي

تم حساب أطياف الضوضاء واستجابة الفلاش باستخدام تحويل فورييه السريع المدمج في MATLAB وتحويلها إلى كثافة طيفية للقدرة على الوجهين بوحدات من pA 2 / هرتز. تحتوي تسجيلات استجابة الوميض الخافت على مزيج من الضوضاء الخلوية والضوضاء الآلية واستجابة الفلاش. لعزل قوة استجابة الفلاش ، تم حساب الكثافة الطيفية للطاقة باستخدام النوبات لاستجابة الوميض الخافت (باستخدام المعادلة 1). لحساب القدرة في نطاقات التردد المختلفة ، تم دمج الكثافة الطيفية للقدرة عبر النطاق.

عزل الضوضاء

تم إجراء عزل الضوضاء الخلوية كما في Angueyra و Rieke (2013). أي تقلبات حالية في تسجيلات المشبك الجهد هي مزيج من الضوضاء الناشئة في النقل الضوئي في الأقماع (الضوضاء الخلوية) والضوضاء من التسجيل نفسه (الضوضاء الآلية). يؤدي توفير حافز ضوئي قريب من التشبع إلى إيقاف النقل الضوئي وعزل الضوضاء الآلية. على افتراض أن الضوضاء الخلوية والضوضاء الآلية مستقلة ، يمكن عزل الضوضاء الخلوية عن طريق طرح طيف الطاقة للضوضاء في الضوء المشبع من طيف قدرة الضوضاء في كل خلفية.

منحنيات ضبط التردد الزمني

تم إنشاء منحنيات ضبط التردد باستخدام استجابات المخروط للمنبهات الجيبية عبر مجموعة من الترددات. لتحديد سعة استجابة المخروط عند تردد معين ، تم العثور على أفضل ملاءمة باستخدام المعادلة التالية:

تمت مطابقة f مع تردد التحفيز. كانت أ ، ب ، ج حرة في التغيير. تم اعتبار سعة الاستجابة هي القيمة الملائمة لـ a مقسومة على تباين الحافز. كانت خطوة تطبيع التباين هذه ضرورية لأنه كانت هناك حاجة إلى تباينات أعلى للحصول على استجابات بترددات أعلى حيث كانت الخلايا أقل استجابة. قبل حساب متوسط ​​منحنيات الضبط عبر الخلايا ، تم تطبيع منحنى التوليف لكل خلية بحيث يكون اتساعها عند التردد مع أقوى استجابة 1.

تم حساب التردد الذي انخفضت عنده استجابة المخروط بعامل 10 عن طريق استيفاء دالة سلسة تتناسب مع منحنى الاستجابة للتردد. في ظل افتراض الخطية ، يكون شكل منحنى ضبط التردد مكافئًا لطيف القدرة لاستجابة وميض المخروط. لذلك ، تم العثور على أفضل ملاءمة لكل منحنى باستخدام طيف القدرة في المعادلة 1. تم العثور على أفضل النوبات باستخدام دالة الخسارة التالية:

حيث F (ω i، θ) هو التنبؤ من توافق مع المعلمات θ عند التردد ω i و D i هي البيانات.

منحنيات التكيف: بالنسبة لكل خلية ، كان متوسط ​​استجابات الوميض الخافت عبر مجموعة من مستويات الإضاءة الخلفية متلائمًا مع المعادلة 1. تم اعتبار اتساع مثل هذه الاستجابة هو سعة وظيفة الملاءمة وتحويلها إلى استجابة لكل أزمرة عن طريق القسمة على قوة الفلاش. سعات استجابة الخلية لكل أزمرة عبر مستويات ضوء الخلفية تتناسب مع منحنى ويبر:

تم أخذ نصف السعة القصوى لمنحنى التكيف ليكون قيمة I 0 من الملاءمة. تم إجراء النوبات باستخدام دالة الخسارة من المعادلة 3. قبل حساب متوسط ​​منحنيات التكيف عبر الخلايا ، تم قياس كل منها بحيث يكون أفضل ملاءمة لها مع المعادلة 4 استجابة لكل أزمرة 1 على خلفية 0 R * / s.

حساب المرشح الخطي المخروطي

تم حساب المرشحات الخطية باستخدام استجابات مخروطية لمنبهات الضوضاء الغوسية كما هو موصوف سابقًا (Wiener ، 1949 Rieke et al. ، 1997 Chichilnisky ، 2001).

بناء نموذج LN

تم بناء نماذج LN من استجابات الخلايا العقدية ثنائية النواة الصغيرة لمحفزات الضوضاء الغاوسية من خلال سلسلة من الخطوات. أولاً ، تم إجراء الكشف عن السنبلة. بعد ذلك ، تم حساب تعيين المرشح الخطي الأمثل من التحفيز إلى المتجهات الثنائية لاستجابات السنبلة (Chichilnisky ، 2001). أخيرًا ، تم حساب اللاخطية لتعيين ناتج الحافز الملتف باستخدام هذا المرشح الخطي (إشارة المولد) إلى احتمال حدوث تصاعد. تم إنشاء هذا عن طريق التفاف كل متجه محفز للضوضاء البيضاء مع المرشح الخطي المحسوب ، وبناءً على التموجات المكتشفة ، وتحديد احتمال حدوث ارتفاع في ضوء بعض إشارة المولد. كانت اللاخطية تتناسب مع دوال التوزيع التراكمي الغاوسي.


خلفية

يعد تنظيم الخلايا العصبية في شبكات من السمات المميزة للجهاز العصبي. الشبكات ضرورية للحسابات الأكثر تعقيدًا وجميع تحويلات المدخلات الحسية إلى المخرجات الوظيفية. يتم تحقيق تنظيم الشبكة هذا عن طريق نقاط الاشتباك العصبي ، والتي توفر طرق الاتصال بين الخلايا العصبية. في جميع الأنظمة العصبية ، تعد التغييرات في القوة المشبكية أداة أساسية لتعديل الشبكة لمهمة محددة ، للتأكيد على مدخلات أو مخرجات محددة ، وللتعلم.

نوعان مختلفان من الناحية الهيكلية والوظيفية من المشابك ، الكيميائية والكهربائية ، يحملان عبء الاتصال بين الخلايا العصبية. منذ فترة طويلة يُفهم أن المشابك الكيميائية ، ذات العناصر المعقدة المنفصلة قبل المشبكي وما بعد المشبكي ، هي بلاستيكية ، وتخضع لتغيرات تقوي أو تضعف المشبك في ظل ظروف معينة. تعتبر المشابك الكهربائية بوساطة الفجوة أبسط من الناحية الهيكلية ، مما يؤدي إلى الاعتقاد الخاطئ بأنها أيضًا بسيطة وظيفيًا. ومع ذلك ، فقد وجد أن المشابك الكهربائية تتمتع بقدر كبير من المرونة ، مما يساهم بعدة طرق في تعديل حسابات الشبكة الضرورية لتحسين وظيفة الجهاز العصبي. ستقدم هذه المراجعة بإيجاز المشابك الكهربائية وتلخص الآليات البلاستيكية المستخدمة للتحكم في اقتران الخلايا العصبية من أجل تحسين وظائف الشبكة.

خصائص النقل الكهربائي المتشابك

تتكون تقاطعات الفجوة من مجاميع من القنوات بين الخلايا التي تربط سيتوبلازم خليتين ، وتشكل مسارًا لانتشار المواد المذابة الصغيرة داخل الخلايا بين الخلايا [1 ، 2]. إلى جانب هذا الاقتران الكيميائي ، تدعم تقاطعات الفجوة الاقتران الكهربائي بناءً على قدرتها على السماح بحركة الأيونات ، وبالتالي تمثل مسارًا منخفض المقاومة للتدفق المباشر للتيار الكهربائي بين الخلايا (الشكل 1 أ ، ب). نظرًا لأن اتصال تقاطع الفجوة يحدث دون تدخل أي رسول وسيط كما هو الحال في المشابك الكيميائية ، فإنها توفر آلية سريعة للانتقال المتشابك بين الخلايا.

الخصائص الأساسية للتوصيلات الكهربائية. أ رسم تخطيطي للتصميم التجريبي لدراسة الخصائص الفيزيولوجية الكهربية للمشابك الكهربائية التي توضح التسجيلات المتزامنة داخل الخلايا باستخدام تقنية مشبك التصحيح المزدوج للخلية الكاملة المطبقة على زوج من الخلايا المقترنة. ب عندما يتم حقن نبضة تيار مفرط الاستقطاب في الخلية 1 (الخلية الأولى 1) ينتج انحراف للجهد في تلك الخلية (V1) وأيضًا في الخلية 2 (V2) ، على الرغم من أن تغير الجهد في وقت لاحق يكون بسعة أصغر. الآثار هي رسومات تمثيلية. ج ينتج عن جهد الفعل في خلية واحدة (الخلية 1) لزوج مقترن كهربائيًا إمكانية اقتران أو شوكة في الخلية الأخرى (الخلية 2) ، والتي تقدم مسارًا زمنيًا أبطأ بكثير مقارنة بالارتفاع قبل المشبكي. د على اليسار ، يُظهر الرسم الدائرة المكافئة لزوج من الخلايا المقترنة أثناء الحقن الحالي في الخلية 1 (السهم المائل ، I) حيث يمثل R1 و R2 مقاومة الغشاء للخلية 1 والخلية 2 على التوالي ويمثل Rj المقاومة الوصلية. لتغيير الجهد في حالة ثابتة (أحمر جزء من الآثار في ب) السعة الغشائية مشحونة بالكامل والتيار مقاوم فقط. تشير الأسهم الأصغر إلى اتجاه التدفق الحالي في الدائرة. يمينًا ، الدائرة التي تمثل مقسم الجهد المكون من المقاومة الوصلة (Rj) المتصلة في سلسلة بمقاومة الغشاء لخلية ما بعد المشبكي (R2). جهد الإدخال هو تغير جهد الغشاء في الخلية قبل المشبكية (الخلية 1 ، V1) ، في حين أن الجهد الناتج للمقسم هو تغير جهد الغشاء في خلية ما بعد المشبكي (الخلية 2 ، V2)

بالإضافة إلى الوصف الأول في المشبك الحركي العملاق لجراد البحر [3 ، 4] ، تم إنشاء النقل الكهربائي في الأنظمة العصبية للعديد من الشعب ، من الحيوانات البدائية مثل قنديل البحر إلى الحيوانات الأكثر تطورًا مثل الثدييات [5]. في دماغ الثدييات ، تم التعرف على اقتران كهربائي بين الخلايا العصبية في كل بنية تقريبًا بما في ذلك القشرة المخية الحديثة ، والحصين ، والنواة الزيتية السفلية ، والقشرة المخيخية ، والنواة متوسطة التوائم ، والنواة الدهليزي ، وما تحت المهاد ، والحبل الشوكي والشبكية من بين أمور أخرى (للاطلاع على المراجعة ، راجع [ 6]).

في كثير من الحالات ، تتصرف هذه الوصلات كمقاومات أومية بسيطة يتم من خلالها تحديد تدفق التيار من خلال الاختلاف في جهد الغشاء للخلايا المقترنة (الجهد الوراثي) ومقاومة الوصلة. على هذا النحو ، فهي تدعم الاتصال ثنائي الاتجاه وتميل إلى معادلة إمكانات الغشاء للخلايا المقترنة. هذا يعني أن تنشيط أي خلية من زوج مقترن سينتج إمكانات موهنة قابلة للمقارنة (إمكانية الاقتران أو السنيبلات) في الخلية الأخرى (الشكل 1 ج). تحدد خصائص النقل بوساطة تقاطع فجوة اثنين من الخصائص الفسيولوجية المميزة للمشابك الكهربائية: السرعة العالية وحفظ الإشارات.كل من هذه الخصائص قد تعزز التنشيط المتزامن للمجموعات العصبية. ومع ذلك ، بالإضافة إلى هذين الدورين الراسخين والكلاسيكيين ، فإن الاقتران الكهربائي بالاقتران مع خصائص الغشاء غير الوصلي للخلايا العصبية يوفر آليات لعمليات أكثر تعقيدًا مثل التثبيط والتضخيم والانتقال الانتقائي للتردد.

محددات قوة المشابك الكهربائية

في معظم الحالات ، يمكن اعتبار المشابك الكهربائية بمثابة مقاومة بسيطة بين اثنين من الخلايا العصبية المقترنة. وبالتالي ، يمكن وصف الدرجة التي يقترن بها أحد الخلايا العصبية بآخر من خلال التأثير الكهربائي لتغير الجهد في خلية عصبية واحدة على جارها المقترن ، أي معامل الاقتران (C):

حيث V.1 هو جهد خلية "المحرك" و V.2 هو جهد خلية "التابع". يتضح من هذه العلاقة أن إمكانات الاقتران تقدم نفس علامة إشارات ما قبل المشبكي لكنها أصغر في الاتساع (الشكل 1 ب). في حالة عدم وجود آليات تعتمد على الجهد في خلية ما بعد المشبكي ، يختلف هذا المعامل بين 0 و 1 ، وكلما زادت قيمته ، زادت درجة اقتران خليتين كهربائيًا.

بالنسبة لتغيير الجهد في حالة ثابتة ، فإن أبسط تمثيل كهربائي لخليتين متصلتين بواسطة تقاطع فجوة هو الدائرة الموضحة في اللوحة اليسرى من الشكل 1 د ، حيث تمثل Rj مقاومة الوصلات ، بينما تمثل R1 و R2 مقاومة الغشاء للخلايا المقترنة [ 7]. يقدم التيار المحقون في الخلية 1 مسارين متوازيين للتدفق ، أحدهما عبر R1 والآخر يشتمل على Rj و R2 ، مما ينتج عنه تغيير في الجهد في كل من الخلية قبل المشبكية (V1) وفي خلية ما بعد المشبك (V2). من ناحية أخرى ، نظرًا لأن Rj و R2 متصلان في سلسلة ، فإنهما يشكلان مقسمًا للجهد أو مخففًا ، أي دائرة بسيطة حيث يتم تقسيم جهد الدخل بين المكونين بطريقة تناسبية وفقًا لقيمة مقاومتهما ، جهد الدخل V1 والمخرج V2 (الشكل 1 د ، اللوحة اليمنى). في مقسم الجهد ، يعتمد جهد الخرج على جهد الدخل وفقًا للمعادلة التالية [8]:

من التحليل أعلاه يمكن استنتاج أن معامل الاقتران يعتمد على كل من مقاومة الوصلات ومقاومة الغشاء (غير الوصلي) للخلية الثانية بعد المشبكية [7]. ومع ذلك ، فإن قوة النقل الكهربائي لا تعتمد على القيمة المطلقة لأي من هذه المقاومة ولكن بدلاً من ذلك على العلاقة بينهما (انظر أدناه). في حين أن المقاومة الوصلة تعتمد على خصائص قنوات الوصلات بين الخلايا ، فإن مقاومة الغشاء تعتمد على عدد قنوات الغشاء غير المفصلي المفتوح عند إمكانات الراحة وهو محدد رئيسي لمقاومة مدخلات الخلايا العصبية ومن ثم الطريقة التي يتم بها ذلك. الاستجابة للمدخلات متشابك.

ليونة المشابك الكهربائية

بالنظر إلى أن قوة الاقتران بين الخلايا العصبية تعتمد على عوامل ديناميكية مثل مقاومة تقاطع الفجوة ومقاومة الغشاء لخلية ما بعد المشبكي ، يجب أن يكون واضحًا أن الاقتران يتغير أيضًا ديناميكيًا. في الواقع ، يمكن أن تتغير جميع الجوانب التي تتحكم في قوة التشابك الكهربائي على مدى مجموعة متنوعة من المقاييس الزمنية التي تتراوح من ميلي ثانية إلى أيام ، مع مشاركة آليات مختلفة في نطاقات زمنية مختلفة. سيتم التعامل مع هذه الآليات بشكل منفصل أدناه.

التغييرات في توصيل المشابك الكهربائية

بوابات الجهد لقنوات كونيكسين

مثل العديد من القنوات الأيونية الغشائية الأخرى ، تعرض قنوات تقاطع الفجوات درجة معينة من حساسية الجهد [1 ، 9]. ينتج عن بوابات الجهد لقنوات connexin تحولات إلى حالة ناقلة منخفضة أو حالة ناقلة فرعية على مستوى القناة الفردية [9]. لوحظ حدوث بوابات الجهد الديناميكي أثناء جهود عمل الخلايا العضلية القلبية [10] وتساهم في شكل الموجة وانتشار جهد الفعل من خلال المخلوقات. يُعزى هذا السلوك النافذ إلى حد كبير إلى قنوات Cx43 ، والتي تعد من العوامل المهيمنة في الخلايا العضلية القلبية.

على النقيض من تقاطعات الفجوة القلبية ، فإن قنوات الوصلات الفراغية التي شكلتها Cx36 ، الوصلة المشبكية الرئيسية لدماغ الثدييات ، تمثل اعتمادًا ضعيفًا على الجهد. في الواقع ، التوصيل الوصلي غير حساس تقريبًا للجهد متعدد الوظائف حتى ± 30 مللي فولت وينخفض ​​تدريجيًا إلى

60٪ على مدى 90 ميغا فولت. علاوة على ذلك ، فإن المسار الزمني لعملية البوابة الأساسية يتطلب مئات من الألف من الثانية إلى الثواني للوصول إلى الحالة المستقرة [11-13]. في حين أن عمليات البوابات لقنوات تقاطع الفجوة قادرة على إنتاج تعديل جوهري للتوصيل الوصلي ، فإن هذه التغييرات تحدث في المقاييس الزمنية بعدة أوامر من الحجم أكبر من تلك المسامير المفردة والجهد المتشابك ، المصدر الرئيسي لإمكانيات الاقتران في الظروف الفسيولوجية. وبالتالي ، من غير المحتمل أن تكون المشابك الكهربائية المكونة من Cx36 عرضة لبوابة الجهد أثناء النشاط العصبي العادي.

تُظهر الروابط الأخرى التي تشكل المشابك الكهربائية في الجهاز العصبي للفقاريات بوابات جهد أكثر قوة. Cx45 ، الموجود في عدد صغير من المشابك الكهربائية ، حساس بشكل خاص للجهد المحول [14 ، 15] ، مع تقليل نصف الحد الأقصى للتوصيل الحساس للجهد عند 13.4 مللي فولت في الحالة المستقرة. في حين أن بوابة الجهد لقنوات connexin مدفوعة إلى حد كبير بـ "البوابة السريعة" [9] ، فإن حركية هذه الآلية بطيئة إلى حد ما ومن غير المرجح أن يكون لها تأثير كبير على توصيل القناة أثناء جهد الفعل العصبي. ومع ذلك ، من المحتمل أن يحدث التبويض في الخلايا العصبية التي تستخدم إشارات الجهد المستمر والمتدرجة مثل الخلايا ثنائية القطب في شبكية العين ، والتي يستخدم بعضها Cx45 في المشابك الكهربائية [16-18]. إن تأثير أي من هذه التغييرات على الإشارات الكهربائية غير معروف.

الفسفرة ونزع الفسفرة من القنوات

تحدث تغيرات كبيرة جدًا في التوصيل الكلي لقنوات الوصلات الفجوة التي تشكل المشابك الكهربائية من خلال مسارات الإشارات التي تؤدي إلى الفسفرة أو نزع الفسفرة للكونيكسينات. أظهرت الدراسات التي أجريت على الخلايا الأفقية للشبكية أن الكاتيكولامينات ، والدوبامين على وجه الخصوص ، تقلل من حجم المجال المستقبلي والاقتران الكاشف [19-22]. وقد ثبت أن هذه التأثيرات ناتجة عن تنشيط مستقبلات الدوبامين D1 التي أدت إلى ارتفاع cAMP داخل الخلايا عبر نشاط إنزيم adenylyl cyclase [23-25] ، وتعتمد على تنشيط بروتين كيناز A [26]. نتج التقارن الكهربائي المنخفض في الخلايا الأفقية للأسماك عن انخفاض الاحتمال المفتوح لقنوات الوصلة الفراغية دون تغيير في التوصيل الأحادي [27]. تحتوي الخلايا الأفقية في الأسماك على عدة كونيكسينات: Cx55.5 و Cx52.6 و Cx52.9 تم التعرف عليها جميعًا في أسماك الزرد [28-30]. ليس من الواضح أي منها ، إن وجد ، يساهم في اللدونة التي لوحظت في الخلايا الأفقية من أنواع الأسماك المدروسة من الناحية الفسيولوجية.

الغالبية العظمى من المشابك الكهربائية في الجهاز العصبي المركزي للثدييات تستخدم Cx36 (متماثل لـ Cx35 في الفقاريات غير الثديية). أظهر عدد من الدراسات في المختبر أن الاقتران الكهربائي أو اقتران التتبع عبر هذا connexin ينظمه الفسفرة التي يقودها cAMP / PKA [31 ، 32] ، وأكسيد النيتريك / PKG [33] ، ومسارات إشارات Ca 2+ / CaMKII [34 ، 35] ، مع وجود عدد قليل من مواقع الفسفرة المحفوظة التي تعتبر المنظمين الرئيسيين للاقتران. لم يتم توضيح الأساس البيوفيزيائي للتغيرات في الاقتران العياني ولكن التغييرات في احتمالية فتح القناة ، بناءً على التغيرات في متوسط ​​الوقت المفتوح ، تم اقتراحها كآلية لدونة [35].

كشف عدد من الدراسات أن حالة الفسفرة Cx36 تتغير مع الظروف التي تغير الاقتران وهي مؤشر دقيق وخطي أساسًا للاقتران كما تم تقييمه بواسطة نقل التتبع [36-39]. في الخلايا العصبية الشبكية ، التغيرات المعتمدة على الفسفرة في الاقتران مدفوعة بالتكيف مع الضوء [38-40] و / أو إيقاعات الساعة البيولوجية [41-43]. تمت دراسة مسارات الإشارات التي تتحكم في هذه التغييرات بالتفصيل في خلايا المستقبلات الضوئية وخلايا AII amacrine في السنوات الأخيرة ، مما يكشف عن موضوع مشترك للتنظيم من خلال مسارات إشارات متعارضة محددة جيدًا.

دور المستقبلات الشبيهة بالدوبامين D2 في التحكم في اقتران مستقبلات الضوء المخروطي من قضيب إلى مخروطي معروف منذ بعض الوقت [44 ، 45]. في القوارض ، هذا هو في الواقع مستقبل D4 [39 ، 46] ، والذي يثبط إنزيم الأدينيليل عبر Gi ويقلل من مستوى cAMP. يتم التحكم في فسفرة Cx36 عن طريق نشاط بروتين كيناز A (PKA) ، يتغير استجابة لتغير cAMP السيتوبلازمي [38 ، 39 ، 47] (الشكل 2). في كل من الفأر وسمك الزرد ، يتم معارضة عمل مستقبلات الدوبامين D4 بفعل مستقبل الأدينوزين A2a المقترن بـ Gs [39 ، 47]. تختلف مستويات إفراز الدوبامين والأدينوزين خارج الخلية في شبكية العين في المرحلة المعاكسة ويتم تنظيم كلاهما من خلال إيقاعات الساعة البيولوجية [48]: يكون الدوبامين مرتفعًا في النهار أو في النهار بينما يكون الأدينوزين مرتفعًا في الليل أو في الليل الذاتي. لي وآخرون. [47] اكتشفوا مؤخرًا أن مستقبل الأدينوزين A1 موجود أيضًا. يمتلك مستقبل A1 المقترن بـ Gi تقارب أعلى للأدينوزين مقارنةً بـ A2a ويتم تنشيطه في النهار عن طريق مستوى الأدينوزين السفلي خارج الخلية المتبقي. يعزز تنشيط مستقبل A1 هذا العمل التثبيطي لمستقبل الدوبامين D4 على محلقة الأدينيل ، مما يثبط بشدة الفسفرة Cx36 والاقتران المستقبلات الضوئية في النهار [47]. نظرًا لأن جميع المستقبلات الثلاثة تعمل على نفس الهدف ، وهو adenylyl cyclase ، فإن تنظيم الفسفرة Cx36 و اقتران مستقبلات الضوء هو وظيفة ثنائية الطور شديدة الانحدار تحافظ على الاقتران عند الحد الأدنى خلال النهار (الشكل 2).

مسارات الإشارات التي تتحكم في الاقتران في نوعين من الخلايا العصبية الشبكية. يتم تنظيم الاقتران من خلال تقاطعات الفجوة Cx36 بواسطة الفسفرة Cx36 من خلال نطاق ديناميكي من حيث الحجم. تعمل الفسفرة على تحسين الاقتران ويتم تلوين المسارات التي تعزز الفسفرة Cx36 باللون الأخضر في هذا المخطط بينما يتم تلوين تلك التي تقلل الفسفرة باللون الأحمر. يُفترض أن تلعب العناصر الملونة باللون الأزرق دورًا ولكن لم يتم توضيحها على وجه التحديد. أ يتم زيادة اقتران الخلايا الشبكية AII amacrine عن طريق الفسفرة Cam Kinase II مدفوعة بتدفق Ca 2+ من خلال مستقبلات الغلوتامات من النوع NMDA غير المشبكي. تعتمد هذه العملية على الجلوتامات غير المباشرة المشتقة من الخلايا ثنائية القطب ويتم تعزيزها عن طريق تنشيط مستقبلات الغلوتامات من نوع AMPA المتشابك التي تزيل استقطاب الخلية. يتم تقليل الفسفرة Cx36 بواسطة مسار مستقل حيث يؤدي تنشيط مستقبلات الدوبامين D1 إلى زيادة نشاط إنزيم adenylyl cyclase ، مما يؤدي إلى تنشيط بروتين كيناز A ، والذي بدوره ينشط بروتين فوسفاتيز 2A. يقوم بروتين الفوسفاتيز 1 بقمع هذا المسار. يتم تنشيط كلا المسارين بواسطة الضوء ، ولكن بعتبات مختلفة ، مما يؤدي إلى منحنى التكيف للضوء المقلوب على شكل حرف U. ب يتم تحسين اقتران المستقبلات الضوئية عن طريق الفسفرة Cx36 مدفوعة مباشرة بنشاط بروتين كيناز أ تحت سيطرة إنزيم أدينيليل (AC). يتم التحكم في نشاط التيار المتردد بدوره من خلال مجموعة معقدة من مستقبلات البروتين G التي ينظمها الوقت اليومي والتكيف مع الضوء. يزيد الظلام أثناء الطور الليلي من الأدينوزين خارج الخلية بحيث يهيمن تنشيط مستقبلات الأدينوزين A2a على الإشارات وينشط التيار المتردد. يؤدي التكيف الخفيف أو النهار الذاتي إلى تقليل الأدينوزين خارج الخلية وزيادة إفراز الدوبامين بحيث يهيمن تنشيط مستقبلات الدوبامين D4 على الإشارات لقمع نشاط التيار المتردد. وتكمل مستقبلات الأدينوزين A1 هذا التأثير. تضفي مسارات الإشارات المتعارضة التي يتم توجيهها عبر مستجيب مشترك طابعًا أحادي الطور حادًا إلى التكيف مع الضوء والتحكم اليومي في الاقتران في هذه الشبكة العصبية

في خلايا شبكية العين AII amacrine ، تم التعرف على مرونة أداة التوصيل الكهربائية لما يقرب من 25 عامًا [49]. هذه اللدونة مدفوعة بالضوء ، بنمط ثنائي الطور يُظهر اقترانًا منخفضًا جدًا في ظروف مطولة متكيفة مع الظلام ، اقتران عالي مع إضاءة منخفضة الكثافة ، واقتران منخفض مرة أخرى بإضاءة ساطعة [50 ، 51]. يتم التوسط في التقليل الناجم عن الضوء الساطع في الاقتران عن طريق الدوبامين ، حيث تزيد مستقبلات الدوبامين D1 من نشاط محلقة الأدينيل وتعزز نشاط بروتين كيناز أ [49 ، 52]. تستخدم خلايا AII amacrine Cx36 [53] ، كما أن قمع الاقتران بواسطة بروتين كيناز A يتعارض مع التأثير الإيجابي لنشاط بروتين كيناز A على اقتران مستقبلات الضوء بوساطة Cx36 [38 ، 39]. تم حل هذا التناقض بواسطة Kothmann et al. [37] ، الذي أظهر أن نشاط PKA بدوره ينشط بروتين فوسفاتيز 2A لدفع نزع الفسفرة من Cx36 في خلايا AII amacrine (الشكل 2) ، مما أدى إلى فك الاقتران.

تعتمد الساق الصاعدة لمنحنى التكيف مع الضوء ثنائي الطور لخلية AII amacrine على نشاط الجلوتاماتيرجيك على المسار ثنائي القطب ، وهي عصبونات داخلية مثيرة من الدرجة الأولى بعد المشبكية للمستقبلات الضوئية. مثل الأشكال الأخرى من التقوية المعتمدة على النشاط ، ينتج تعزيز اقتران خلايا AII amacrine عن تنشيط مستقبلات NMDA وتدفق Ca 2+ وتفعيل Cam Kinase II ، الذي يفسفر Cx36 [40]. إن مستقبلات NMDA الموجودة على خلايا AII amacrine غير متشابكة وترتبط ارتباطًا وثيقًا بـ Cx36 [40] ، لذلك يعتمد تنشيطها على انتشار الجلوتامات. يأتي هذا على الأرجح من خلايا قضيب ثنائية القطب ، والتي تكون قبل المشبكي لخلية AII amacrine ، ولكنها قد تأتي أيضًا من الخلايا ثنائية القطب المخروطية القريبة. لأن مسارات الإشارات في خلايا AII amacrine التي فسفوريلات وديفوسفوريلات Cx36 مستقلة (الشكل 2) ولها عتبات إضاءة مختلفة ، فإن منحنى التكيف الخفيف لخلية AII amacrine يظهر نمطها ثنائي الطور المميز.

إن التقوية المعتمدة على النشاط للمشابك الكهربائية لخلايا AII amacrine تشبه تلك التي تم وصفها في الأصل في المشابك المختلطة لنهايات العصب الثامن السمعية على خلايا Mauthner في السمكة الذهبية [54 ، 55]. تختلف اللدونة في خلية Mauthner في أن مستقبلات NMDA التي توفر إشارة Ca 2+ متشابكة وتتطلب تحفيزًا عالي التردد لتحفيزها. شكل مشابه من اللدونة يعتمد على مستقبلات NMDA غير المشبكية تم وصفه مؤخرًا في عصبونات الزيتون السفلية لدى الفئران [56].

تم العثور على مجموعة متنوعة من مسارات الإشارات الأخرى لتعديل المشابك الكهربائية. في الخلايا العصبية الداخلية للنواة الشبكية المهادية (TRN) ، تعمل المدخلات المثيرة على تثبيط المشابك الكهربائية من خلال تنشيط مستقبلات الغلوتامات الأيضية (mGluRs) [57]. تم استكشاف هذه الإشارة بالتفصيل مؤخرًا. تعدل كل من المجموعة الأولى والمجموعة الثانية mGluRs الاقتران ، ولكن مع تأثيرات معاكسة [58]. يبدو أن التأثير المهيمن يكون من خلال تنشيط المجموعة الأولى mGluRs ، والتي تنتج اكتئابًا طويل الأمد عن طريق تنشيط مسار إشارات Gs ، وتحفيز adenylyl cyclase وتنشيط PKA. ومع ذلك ، فإن التنشيط الانتقائي لمستقبلات المجموعة الثانية mGluR3 يعزز التقوية على المدى الطويل من خلال تنشيط Gi / o [58]. يشترك هذا في نفس المسار ، ويتم التوجيه في النهاية من خلال نشاط PKA. نظرًا لأن الخلايا العصبية TRN تستخدم Cx36 [59] ، والتي من خلالها يتم زيادة الاقتران الكهربائي عن طريق الفسفرة [35 ، 37-39] ، يجب أن تشتمل آلية الإشارة هذه على فوسفاتيز ينشط PKA لتقليل فسفرة Cx36 عند تنشيط PKA بطريقة مماثلة لتلك الموجودة في شبكية العين خلايا AII amacrine.

تم العثور على مستقبلات الهيستامين H1 و H2 لتعديل الاقتران بين مجموعات مختلفة من الخلايا العصبية في النواة فوق البصرية [60 ، 61]. تشير مستقبلات H2 من خلال محلقة adenylyl ، ولكن مستقبلات H1 بدلاً من ذلك تقوم بتنشيط NO synthase ، والإشارة من خلال أكسيد النيتريك ، و guanylyl cyclase ، و protein kinase G. كما ينظم مسار الإشارات الذي يحركه أكسيد النيتريك بشكل انتقائي المشابك الكهربائية غير المتجانسة بين خلايا شبكية العين amacrine و مخروط على الخلايا ثنائية القطب [52]. وبالتالي فمن الواضح أنه تم استخدام مجموعة متنوعة من مسارات الإشارات لتنظيم قوة التشابك الكهربائي عبر فسفرة كونيكسين وإزالة الفسفرة في الخلايا العصبية المختلفة في جميع أنحاء الجهاز العصبي المركزي.

التغييرات في عدد القنوات

توفر التغييرات في مستوى التعبير عن connexins آلية لتغيير الاقتران بمرور الوقت من ساعات إلى أسابيع. هذه التغييرات هي الأبرز في التنمية. يميل الاقتران الكهربائي في معظم مناطق الفقاريات من الجهاز العصبي المركزي إلى الزيادة إلى مستويات عالية في المراحل المبكرة من التطور ، ثم ينخفض ​​مرة أخرى [62-64]. وجدت إحدى الدراسات أن تنشيط المجموعة الثانية mGLuRs كان مسؤولاً عن الزيادة التنموية للاقتران ، والذي يعمل من خلال آليات النسخ وما بعد النسخ [65].

كما لوحظ زيادة مماثلة بشكل مدهش في اقتران الخلايا العصبية بعد أنواع مختلفة من الإصابات [66]. تؤدي الإصابات الإقفارية إلى زيادة في الاقتران العصبي ومستوى بروتين Cx36 ، دون زيادة واضحة في مستوى النسخ [67 ، 68]. يُعزى هذا إلى تنشيط المجموعة II mGluR ، وكذلك الزيادة التنموية ، مع الاعتماد على مسار إشارات cAMP / PKA [68]. تؤدي الإصابات الرضية [69 ، 70] والنوبات [71 ، 72] أيضًا إلى زيادة اقتران الخلايا العصبية ، على الرغم من أن هذه الإهانات تؤدي إلى زيادة في مستوى نسخة Cx36. في هذه السياقات ، يعد التغيير في مستوى التعبير عن العلاقات التي تشكل المشابك الكهربائية عوامل مهمة في التغييرات طويلة المدى في اقتران الخلايا العصبية.

يعتمد الاقتران الكهربائي للخلايا العصبية الناضجة بشكل حاسم على الحفاظ على الحالة المستقرة لبروتينات تقاطع الفجوة. أظهرت دراسة حديثة أن الاقتران الكهربائي في المشابك المختلطة لخلية ماوثنر الذهبية قد انخفض في غضون بضع دقائق إذا كان مضطربًا من الببتيدات التي عطلت تفاعلات استقرار Cx35 مع بروتينات السقالات أو منعت الاتجار بوساطة SNARE من Cx35 الجديد [73]. وجدت دراسة أخرى تنظيم الساعة البيولوجية لمستويات نسخة Cx36 والبروتين في المستقبلات الضوئية [74]. تكشف هذه الدراسات أن المشابك الكهربائية عبارة عن هياكل ديناميكية يتم قلب قنواتها بشكل نشط ، مما يشير إلى أن الاتجار المنظم للربط قد يساهم في تعديل التوصيل المفصلي للفجوة.

دور الخصائص السلبية لخلية ما بعد المشبكي

مقاومة غشاء الخلية ما بعد المشبكي

كما ذكرنا سابقًا ، يعتمد الاقتران الكهربائي على كل من مقاومة تقاطع الفجوة ومقاومة الغشاء لخلية ما بعد المشبك. في الواقع ، في حين أن التغييرات في مقاومة تقاطع الفجوة بسبب تعديلات توصيل القناة الواحدة أو عدد القنوات بين الخلايا قد تؤدي إلى تغييرات كبيرة في معامل الاقتران ، فإن تعديلات الغشاء ما بعد المشبكي يمكن أن تكمن أيضًا في تغييرات كبيرة وديناميكية للغاية في قوة اقتران كهربائي يمثل نقطة تنظيم إضافية. حقيقة أن المقاومة الوصلة (Rj) ومقاومة الغشاء لخلية ما بعد المشبك (R2) تشكل مقسم جهد (الشكل 1 د) يعني أنه عندما تكون Rj كبيرة مقارنة بـ R2 ، فإن معظم جهد الدخل سينخفض ​​عبر Rj وفقط جزء بسيط عبر R2 يعني تغيرًا متواضعًا في الجهد في خلية ما بعد المشبكي والذي يتوافق مع معامل اقتران منخفض. في المقابل ، إذا كان R2 كبيرًا مقارنةً بـ Rj ، فسيظهر جزء كبير مماثل من جهد الدخل (V1) عبر غشاء خلية ما بعد المشبكي (V2).يتوافق الانخفاض الكبير في الجهد عبر R2 مع معامل اقتران كبير مما يعني أن الخلايا مترابطة بقوة. تحدد هذه التبعية لمعامل الاقتران على مقاومة المدخلات لخلية ما بعد المشبك اتجاهية الإرسال عندما يحدث اقتران كهربائي بين خلايا ذات مقاومات مدخلات غير متشابهة. في الواقع ، سيكون النقل الكهربائي أكثر كفاءة من مقاومة المدخلات المنخفضة إلى خلية مقاومة الإدخال الأعلى مقارنة بالاتجاه المعاكس. لذلك ، على الرغم من وجود جهات اتصال غير مصححة ، لن يحدث الاتصال المتماثل فقط عندما تقدم الخلايا المتصلة مقاومات إدخال مماثلة. ومن ثم ، فإن اتجاهية النقل الكهربائي التي يفرضها عدم تناسق الخصائص السلبية للخلايا المتصلة قد تكون عاملاً محددًا رئيسيًا لتدفق المعلومات داخل الدوائر العصبية.

تعديل خصائص الغشاء المنفعل عن طريق المدخلات المشبكية

ومن المثير للاهتمام ، أن تعديلات مقاومة الغشاء (Rm) للخلايا المقترنة بسبب الإجراءات المتشابكة القريبة بوساطة كيميائية يمكن أن تعدل بشكل كبير قوة الاقتران الكهربائي بطريقة ديناميكية للغاية [5 ، 75]. في الواقع ، نظرًا لأن هذه الإجراءات المتشابكة عادةً ما تتضمن تغييرات في نفاذية الغشاء لأنواع أيونات مختلفة ، فإنها تكون مصحوبة بتغيرات مقابلة في مقاومة الغشاء لخلية ما بعد المشبك وبالتالي في قوة الاقتران الكهربائي. عادة ، يتم التوسط في الإجراءات التشابكية الاستثارة إما عن طريق زيادة نفاذية الغشاء إلى Na + و K + (انخفاض Rm) أو عن طريق انخفاض النفاذية إلى K + (زيادة Rm). عادة ، يتم تحديد الإجراءات المتشابكة من خلال علامة تأثيرها على إمكانات الغشاء لخلية ما بعد المشبك (إزالة الاستقطاب مقابل فرط الاستقطاب). اللافت للنظر هو أنه على الرغم من أن كلا الفعلين التشابكيين يعملان على إزالة استقطاب التحولات في جهد الغشاء ، إلا أنهما لهما تأثيرات معاكسة على فعالية النقل الكهربائي. في حين أن الإجراءات التشابكية التي تنطوي على زيادة في Rm تعزز قوة الاقتران ، فإن انخفاض Rm يؤدي إلى فك اقتران الخلايا المتصلة كهربائيًا [76]. تم اقتراح تأثير تحويل مماثل بواسطة مدخلات GABAergic القريبة لتأكيد الفصل في أزواج من الخلايا العصبية الزيتية السفلية [77 ، 78]. تشير هذه النتائج إلى أن مقاومة الغشاء لخلية ما بعد المشبكي هي عنصر أساسي لتنظيم الاقتران الكهربائي ، فهي لا تقل أهمية عن مقاومة الوصلات. هذا يعني أن التغييرات في فعالية المشابك الكهربائية يمكن أن تتحقق من خلال تعديل أي من هاتين المقاومات. بدلاً من ذلك ، عندما يُتوقع أن يكون الاقتران الكهربائي ثابتًا من أجل ضمان وظيفة الشبكة المستقرة ، تتطلب التغييرات في الخصائص الكهربية للخلايا المقترنة تغييرات مقابلة في مقاومة الوصلات. في الواقع ، تم اقتراح التغييرات المتزامنة للمقاومة الوصلية والغشائية للخلايا المقترنة بطريقة التماثل الساكن لتأكيد استقرار قوة الاقتران الكهربائي بين الخلايا العصبية للنواة الشبكية المهادية أثناء التطور [79].

ثابت الوقت لخلية ما بعد المشبكي

تهيمن سعة الخلية على الدورة الزمنية لتغيرات جهد الغشاء ، والتي تنتج عن قدرة الأغشية البيولوجية على فصل الشحنات الكهربائية. في الواقع ، بينما يستجيب المقاوم الأومي البسيط لتيار متدرج بخطوة جهد مماثلة ، تظهر الخلايا استجابات جهد ترتفع وتتحلل بشكل أبطأ من الخطوة الحالية (الشكل 1 ب). يمكن نمذجة خاصية الغشاء هذه بواسطة المقاوم المتصل بالتوازي مع مكثف. تنتج قدرة هذه الدائرة على إبطاء التغيرات في الجهد من حقيقة أن السعة المفرغة لا تقدم أي مقاومة لتدفق التيار ، مما يحدد أنه في بداية الخطوة الحالية سوف يتدفق كل التيار عبر السعة ولا شيء من خلال المقاومة. عندما يتم شحن السعة ، فإنها تطور تدريجياً مقاومة أكثر للتيار وسيتدفق المزيد من التيار عبر المقاومة [80].

تشتمل هذه الدائرة على مرشح تمرير منخفض بسيط لتيارات الدخل التي تتميز بثباتها الزمني. في الواقع ، تتصرف مقاومة تقاطع الفجوة المتصلة في سلسلة بالمقاومة المتوازية والسعة لخلية ما بعد المشبك كمرشح تمرير منخفض يحدد أن المكونات عالية التردد للإشارات قبل المشبكية تكون أكثر توهينًا نسبيًا. أي أن التقلبات البطيئة لجهد الغشاء تمر بين الخلايا بشكل أكثر فاعلية من الإشارات السريعة [7 ، 81]. هذه خاصية مميزة لنقل الكهرباء وتكمن وراء حقيقة أن جهود الاقتران تقدم دورة زمنية أبطأ مقارنة بالإشارات قبل المشبكية التي ولّدتها (الشكل 1 ج). نتيجة لهذه الخاصية ، يتم تقديم تأخير في استجابات ما بعد المشبكية فيما يتعلق بإشارات ما قبل المشبكي. هذه الخاصية لمرشحات التمرير المنخفض ، والمعروفة باسم تأخر الطور ، تمثل التأخير المشبكي للمشابك الكهربائية. على الرغم من أن التيار يبدأ في التدفق عبر التقاطع دون تأخير ، إلا أن الوقت مطلوب لشحن سعة ما بعد المشبكي إلى مستوى كبير لتوليد تغيير جهد يمكن اكتشافه فوق مستوى الضوضاء [81].

اقترحت الأوصاف المبكرة للمشابك الكهربائية في اللافقاريات أن هذه الاتصالات تقدم خصائص ترشيح تمرير منخفض [4 ، 82 ، 83]. في الآونة الأخيرة ، تم إثبات خصائص الترشيح الخاصة بالنقل الكهربائي بين الخلايا العصبية المركزية للثدييات باستخدام تسجيلات رقعة خلية كاملة مزدوجة وحقن التيارات الجيبية بترددات مختلفة (الشكل 3 ب). في ظل هذه الظروف التجريبية ، تم تحديد معاملات الاقتران وتأخر المرحلة كدالة للتردد الجيبي. هذا النهج التجريبي في أنواع مختلفة من الخلايا مثل GABAergic interneurons of the neocortex [84-86] ، الخلايا العصبية للنواة الشبكية المهادية [59] ، خلايا جولجي للمخيخ [87] ، خلايا الشبكية AII amacrine [88] من بين أمور أخرى ، أكدت ذلك يقدم النقل الكهربائي خصائص مرشح التمرير المنخفض ، مما يسمح بمرور إشارات التردد المنخفض ولكنه يخفف بشدة ويؤخر الإشارات ذات التردد العالي [6].

انتقائية التردد لنقل الكهرباء. أ دارة مكافئة لزوج من الخلايا المقترنة بما في ذلك العناصر السلبية (المقاومة والسعة ، أسود) والموصلات النشطة المعتمدة على الجهد (INap و IK) ممثلة كمقاوم متغير في سلسلة إلى EMF. ب اللوحة العلوية ، يتم حقن الشكل الموجي للتيار الجيبي ذي التردد المتزايد (بروتوكول ZAP) في الخلية 1 (الخلية الأولى 1) من أجل اختبار الخصائص المعتمدة على التردد للنقل الكهربائي بين الخلايا المقترنة. يُصوَّر الوسط ، المتراكب ، استجابات غشاء الجهد للخلية قبل المشبكية (الخلية Vm 1) والخلية ما بعد المشبكي (الخلية Vm 2) لزوج من الخلايا المقترنة التي تتضمن عناصر سلبية فقط (دائرة RC ، عناصر سوداء في الدائرة في A) . كلا الاستجابتين هما خصائص مرشح تمرير منخفض حيث تقل سعة استجابة الغشاء بشكل رتيب مع زيادة التردد الجيبي. على النقيض من ذلك ، عندما تقدم الخلايا تيارات سلبية ونشطة تعتمد على الجهد (IK و INap) ، فإن استجابات الغشاء تقدم انتقائية معينة للتردد حيث تكون الإشارات القريبة من التردد المميز ذات سعة أكبر مقارنة بالإشارات التي يكون ترددها بعيدًا عن هذه القيمة. ج رسم تخطيطي لخصائص نقل التردد للإرسال الكهربائي محسوبًا كنسبة FFT لاستجابة الغشاء بعد المشبكي على FFT لاستجابة الغشاء قبل المشبكي الموضحة في B ، لزوج من الخلايا السلبية (أثر رمادي) ولزوج من الخلايا التي تقدم أيضًا تيارات طنين ومضخمة (IK و INap على التوالي). في حين أن وظيفة النقل عندما تقدم الخلايا عناصر سلبية فقط تُظهر المظهر الجانبي النموذجي لمرشح تمرير منخفض (أثر رمادي) ، فإن وجود التيارات المعتمدة على الجهد يحدد أن إرسال الإشارات بالقرب من التردد المميز (خط متقطع عمودي) أقل توهينًا ، مما يحدد الحد الأقصى في الوظيفة (أثر أحمر). الآثار هي رسومات تمثيلية

تحدد خاصية المشابك الكهربائية هذه أن التغييرات المحتملة البطيئة (عادةً ما تكون عتبة فرعية) يتم نقلها بشكل تفضيلي عبر إمكانات الفعل ، مما يمنح المشابك الكهربائية القدرة على نقل معلومات مختلفة عن المسامير التي تنتقل عبر المشابك الكيميائية. على سبيل المثال ، في أنواع الخلايا التي يُتبع فيها إمكانات الفعل بفرط استقطاب كبير وطويل الأمد (AHP) بسبب تأخر التنشيط لتيار K + المعتمد على الجهد و / أو Ca ++ ، تميل إمكانات الاقتران إلى أن تكون في الغالب أحداث استقطاب مفرط . تنتج هذه الظاهرة عن خصائص مرشح التمرير المنخفض لنقل الكهرباء. في الواقع ، نظرًا لأن المكونات عالية التردد لإمكانية عمل ما قبل المشبك السريع تكون أكثر توهينًا من AHP البطيء ، فإن احتمالية الاقتران تؤدي إلى إشارة صافية مفرطة الاستقطاب ، مما يثبط النشاط العصبي بدلاً من تعزيز تنشيط الخلايا العصبية بعد المشبكي [85 ، 87 ، 89 ]. في قشرة المخيخ ، شارك هذا التأثير في إلغاء تزامن سكان خلايا جولجي بسبب ندرة المدخلات المتشابكة المزيلة للاستقطاب [90].

دور خصائص الغشاء النشط لخلية ما بعد المشبكي

الخصائص الكهربية للخلايا العصبية

بالإضافة إلى خصائص الغشاء المنفعل (تلك التي تكون خطية فيما يتعلق بجهد الغشاء) ، فإن الخلايا القابلة للاستثارة مثل الخلايا العصبية تقدم خصائص غشاء نشطة ، وهي آليات غير خطية إلى حد كبير بسبب الوقت المعقد والعمليات المعتمدة على الجهد. النتيجة الأكثر بروزًا لخصائص الغشاء النشط هي توليد جهد الفعل الذي تبطئه موصلات Na + و K الكلاسيكية التي وصفها Hodgkin و Huxley في محور الحبار [91]. على الرغم من هذه الآليات المولدة للارتفاعات والتي تسمح للخلايا العصبية بالتواصل عبر مسافات طويلة بطريقة غير متناقصة ، فإن الخلايا المثيرة عادةً ما تقدم مجموعة كبيرة ومتنوعة من الخصائص النشطة دون العتبة. تحدد هذه الآليات النشطة جنبًا إلى جنب مع الخصائص السلبية الطريقة التي تتكامل بها الخلايا العصبية مع المدخلات المتشابكة الموزعة مكانيًا وزمانيًا ، وكيف يتم ترجمة هذه المدخلات أو تشفيرها في سلسلة زمنية من إمكانات العمل. تعتمد خصائص الغشاء النشط للخلايا العصبية على نوع وكثافة وتوزيع القنوات الأيونية التي تعمل بالجهد في الغشاء السطحي للأجزاء الخلوية المختلفة. تقدم الخلايا العصبية المركزية ذخيرة غنية من القنوات الأيونية الغشائية التي تعمل بالجهد والتي تمنحها قدرات تشفير قوية تتمثل في القدرة على تحويل مدخلاتها إلى أنماط إطلاق معقدة. في الواقع ، تعبر الخلايا العصبية عن عشرات من نواقل الغشاء التي تعمل بالجهد وفقًا لانتقائها الأيوني ، ونطاق الجهد للتنشيط ، والحركية ، ووجود التعطيل ، والتعديل بواسطة رسل ثانية داخل الخلايا مما أدى إلى ظهور مجموعة متنوعة من الأنماط الظاهرية الفيزيولوجية الكهربية [92-95].

اعتماد الجهد على اقتران الجهد

على الرغم من محدودية بوابات الجهد لقنوات connexin بين الخلايا التي تفرضها حركتها البطيئة ، فإن الاقتران الكهربائي بين الخلايا العصبية قد يقدم اعتمادًا ملحوظًا على الجهد. ومع ذلك ، لا تمثل هذه الظاهرة خاصية تعتمد على الجهد لتقاطعات الفجوة ولكنها بدلاً من ذلك مدعومة بالخصائص النشطة للغشاء غير الوصلي لخلية ما بعد المشبكي. على سبيل المثال ، في الأسماك زوج من الخلايا العصبية الحاكمة العملاقة ، يتم الاتصال بخلايا ماوثنر ، المسؤولة عن بدء استجابات الهروب ، من خلال فئة خاصة من الوصلات السمعية من خلال اتصالات متشابكة كهربائية وكيميائية مختلطة [96]. لا تسمح هذه التلامسات الكهربائية فقط بالانتقال الأمامي للإشارات (من الواصلات إلى خلية ماوثنر) ، ولكنها تدعم أيضًا الإرسال الرجعي من خلال السماح بانتشار نزع الاستقطاب الشجيري بعد المشبكي إلى الواردات قبل المشبكي. علاوة على ذلك ، تمثل إمكانات اقتران رجعية في الوصلات تبعية ملحوظة للجهد. في الواقع ، يؤدي إزالة الاستقطاب عن إمكانات الغشاء لهذه الوصلات إلى زيادة كبيرة في اقتران السعة المحتملة ، والتي تكفي في النهاية لتنشيطها ، وبالتالي دعم آلية الإثارة الجانبية حيث يمكن للتفعيل الذي يثيره الصوت لبعض الوصلات تجنيد المزيد من المؤيدين لتعزيز عمل متشابك على خلايا ماوثنر [97 ، 98]. يتم حظر آلية التضخيم هذه عن طريق التطبيق خارج الخلية للسموم الرباعية (TTX) أو الحقن داخل الخلايا لـ QX-314 ، مما يشير بقوة إلى تورط Na + الحالي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن نطاق الجهد الفرعي للتنشيط ، من بين خصائص أخرى ، يشير إلى أن تيار الصوديوم المستمر (INap) لهذه العناصر الوافدة هو الآلية الكامنة وراء هذا التضخيم [98].

إن INap عبارة عن جزء غير معطل من تيار Na + ، والذي ينشط بجهد غشاء تحت العتبة السفلية وهو مناسب بشكل خاص لأداء مثل هذا التضخيم بسبب حركته السريعة ونطاق جهد الغشاء تحت العتبة التنشيط. في دماغ الثدييات ، تم وصف آليات تضخيم مماثلة لإمكانات اقتران تتضمن تيارات الصوديوم في نواة الفئران المتوسطة الدماغية (MesV) [99]. تقترن هذه المجموعة من الخلايا في الغالب في أزواج وينتج تنشيط خلية عصبية واحدة لزوج مقترن كهربائيًا شبيكة في الخلية ما بعد المشبكي (الشكل 1 ج). تعتمد إمكانية الاقتران هذه بشكل حاسم على إمكانات الغشاء ، حيث يتم تعزيزها عن طريق إزالة استقطاب الخلية ما بعد المشبكية وفي النهاية إطلاق إمكانية عمل في هذه الخلية. يُظهر هذا السنيكلت ارتباطًا إيجابيًا مع إمكانات الغشاء لخلية ما بعد المشبكي ، وبسبب نطاق الجهد للتنشيط والحساسية لحاصرات قنوات الصوديوم ، فإنه يمثل تنشيط تيار الصوديوم المستمر [99]. تم اقتراح آلية تضخيم مماثلة في القشرة المخية [87 ، 100] والنواة الشبكية المهادية [101]. وبالتالي ، يمنح INap اقترانًا كهربائيًا مع تضخيم يعتمد على الجهد ، مما يشير إلى مساهمة ذات صلة لتوصيلات الغشاء النشط في تنظيم فعالية النقل الكهربائي بين الخلايا العصبية. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن تضخيم الإمكانات الكهربية قد يكون كافيًا لتجنيد خلية ما بعد المشبكي ، فإنه يميل إلى مزامنة نشاط شبكات الخلايا العصبية ، مع التركيز على دور الموصلات النشطة في ديناميات شبكات الخلايا العصبية المقترنة كهربائيًا.

التردد الانتقائي

يمتلك النقل الكهربائي عادةً بين الخلايا العصبية خصائص مرشح تمرير منخفض تفرضها دائرة RC لخلية ما بعد المشبكي. في المقابل ، يُظهر الاقتران الكهربائي بين الخلايا العصبية MesV خصائص مرشح تمرير النطاق حيث يتم إرسال الإشارات ذات الترددات في النطاق من 50 إلى 80 هرتز بشكل تفضيلي ، حتى أفضل من إشارات التيار المستمر (الشكل 3) [99]. وبناءً على ذلك ، فإن انتقال النتوءات عبر هذه الملامسات يكون أكثر فاعلية بكثير من الملامسات الكهربائية بين الخلايا العصبية الداخلية FS أو LTS في القشرة المخية الحديثة ، والتي يشبه نقل ترددها مرشح تمرير منخفض [86]. يشير هذا إلى أن النقل الكهربائي بين الخلايا العصبية MesV مناسب تمامًا لنقل إمكانات العمل ، والتي تشكل على الأرجح مصدر الإشارة الرئيسي للاقتران وتعزز التنشيط المتزامن لأزواج من الخلايا العصبية MesV [99].

تنتج خصائص انتقائية التردد أو تمرير النطاق عن الخصائص الرنانة للخلايا العصبية MesV. الرنين هو خاصية تمكن الخلايا العصبية من التمييز بين مدخلاتها على أساس محتوى التردد الخاص بها ، بحيث تنتج المدخلات المشبكية ذات المحتوى الترددي القريب من تردد الطنين أكبر استجابات. ينشأ الرنين من تفاعل آليتين مع خصائص مجال تردد محددة: الخواص الخاملة وخصائص الغشاء النشط. كما تمت مناقشته سابقًا ، تعمل الخصائص السلبية بسبب السعة بالتوازي مع توصيل الغشاء كمرشح تمرير منخفض (يتم ضبط تردد القطع الخاص به بواسطة ثابت الوقت للغشاء) ، مما يخفف من الاستجابات للمدخلات ذات المحتوى عالي التردد. من ناحية أخرى ، قد تمنح بعض المواصلات المعتمدة على الجهد والتي تعارض بنشاط التغيرات في جهد الغشاء ، مثل تيارات K + ، خصائص مرشح التمرير العالي (يتم تحديد تردد القطع من خلال ثابت وقت التنشيط) ، وبالتالي تخفيف الاستجابات للمدخلات ذات القيمة المنخفضة. محتوى التردد. في حين أن هاتين الآليتين مع خصائص المرشح المعاكس موجودة في كل نوع عصبي تقريبًا ، حيث أن الترشيح المنخفض التمرير بسبب دائرة RC هو خاصية أساسية للأغشية البيولوجية وتيارات K هي موصلات في كل مكان ، لا يعبر كل خلية عصبية عن صدى. في الواقع ، لإنتاج الرنين K + يجب أن ينشط التيار ببطء مقارنة بثابت زمن الغشاء. وبالتالي ، فإن الجمع بين هاتين الآليتين مع ترددات القطع المناسبة يخلق تمرير نطاق أو مرشح طنين ، قادر على رفض المدخلات التي تقع تردداتها خارج هذا النطاق [102].

على الرغم من أن الجمع بين هاتين الآليتين يحدد وتيرة الرنين ، فإن تعبيره يعتمد عادة على تنشيط التيارات المتضخمة. هذه التيارات هي في الأساس عكس التيارات الرنانة ، أي أنها تضخم تغيرات الجهد وتنشط بسرعة بالنسبة لثابت زمن الغشاء. إن تيار Na + المستمر هو مثال على تيار تضخيم كهذا الذي يعزز تفاعله مع التيارات الرنانة الرنين. هذا التفضيل الترددي يمنح الخلايا العصبية القدرة على توليد تذبذبات تلقائية في جهد الغشاء والتفريغ المتكرر ، أو الاستجابة بشكل أفضل للمدخلات ضمن نافذة تردد ضيقة [102]. في سياق الإرسال المتشابك الكهربائي ، سيحدد الرنين أن الإشارات ذات المحتوى الترددي بالقرب من تردد الطنين ستكون أكثر سهولة في الإرسال من الإشارات الأخرى ، حتى أفضل من إشارات التيار المستمر ، مما يعزز إرسال الإشارات ذات الصلة البيولوجية (الشكل 3).

تتمتع الخلايا العصبية MesV بمجموعة غنية من نواقل الغشاء ذات الجهد الكهربائي ، مثل التيار من النوع K + (IA) والرنين الداعم لـ INap ، مما ينتج عنه تذبذبات غشائية تحت العتبة الفرعية والتفريغ المتكرر في نطاق 50 إلى 100 هرتز [103 ، 104]. باستمرار ، يُظهر النقل الكهربائي بين الخلايا العصبية MesV خصائص مرشح تمرير النطاق بدلاً من خصائص مرشح التمرير المنخفض الكلاسيكية [99]. في الواقع ، تقييم خصائص المرشح عن طريق حقن تيارات موجة جيبية معدلة التردد (بروتوكولات ZAP ، الشكل 3 ب) وحساب نسبة تحويل فورييه السريع (FFT) لتغييرات الجهد بعد المشبكي على FFT من قبل المشبكي أظهرت تغيرات الجهد ذروة في المدى 50-100 هرتز (الشكل 3 ج) [99]. وبالتالي فإن وظيفة نقل التردد للإرسال الكهربائي بين الخلايا العصبية MesV تقدم حدًا أقصى عند ترددات قريبة من 80 هرتز ، مما يشير إلى أن إرسال الإشارات الكهربائية بين الخلايا العصبية MesV يُظهر درجة معينة من تفضيل التردد وبالتالي لا يتصرف كمرشح تمرير منخفض بسيط [99] .تمشيا مع الدور الحاسم لخصائص الغشاء النشط في تحديد الإرسال الانتقائي للتردد عند هذه الملامسات الكهربائية ، تؤدي إضافة TTX (0.5 ميكرومتر) إلى المحلول خارج الخلية إلى تقليل سعة وظيفة النقل ، خاصة للقيم حول 50-80 هرتز ، مما يشير إلى مشاركة مواصلات Na +. تعمل الإضافة اللاحقة لـ 4-AP (1 ملي مولار) ، وهو مانع للتيار من النوع A بين مواصلات K + الأخرى ، على تعديل خصائص النقل التي تشبه الآن خصائص مرشح تمرير منخفض بسيط (الشكل 3 ج). لا تعمل هذه المواصلات المعتمدة على الجهد فقط على تحسين الإرسال من حيث اتساع إشارات ما بعد المشبكي ، ولكن أيضًا عن طريق تقليل تأخر الطور بين استجابات ما قبل المشبكي وما بعد المشبكي. ومن ثم ، في حين أن التضخيم يزيد من فعالية الإرسال المتشابك ، فإن تخفيف تأخر الطور في نفس النطاق الترددي يحسن دقته ، ويعزز التنشيط المتزامن لأزواج من الخلايا العصبية المقترنة MesV [99].

لذلك ، قد تلعب خصائص الغشاء النشط للخلايا العصبية دورًا مهمًا في النقل الكهربائي المتشابك من خلال توفير آلية حساسة للغاية للتضخيم المعتمد على الجهد لإمكانيات الاقتران الكهربائي ومنح هذه الطريقة للتواصل العصبي الداخلي مع انتقائية التردد. علاوة على ذلك ، فإن تعديل الموصلات المعتمدة على الجهد للغشاء غير الوصلي بفعل الناقلات العصبية يمثل مصدرًا محتملاً لتعديل فعالية النقل الكهربائي.


جلسات الخبراء

رئيس (ق) البرنامج تاريخ موقع الحدث
لاري أندرسون ، دكتوراه في الطب ، دكتوراه
أجاي شاري ، دكتوراه في الطب
1 مايو 2021 افتراضية مشاهدة التسجيل مشاهدة الشرائح
ميليسا السينا ، دكتوراه في الطب
سعد ز. عثماني، MD
27 فبراير 2021 افتراضية مشاهدة التسجيل مشاهدة الشرائح
إيرين غبريال ، دكتوراه في الطب
شاجي ك كومار ، دكتوراه في الطب
19 ديسمبر 2020 افتراضية رأي
تسجيل
مشاهدة الشرائح
جوناثان ل.كوفمان ، دكتوراه في الطب
ساجار لونيال ، دكتوراه في الطب
26 سبتمبر 2020 افتراضية مشاهدة التسجيل مشاهدة الشرائح
روبرت ز. أورلوسكي MD ، دكتوراه
إليزابيث إي مانانسانش ، دكتوراه في الطب
2 مايو 2020 افتراضية مشاهدة التسجيل مشاهدة الشرائح


المقدمة

للأمراض والاضطرابات التي تصيب الإنسان أسباب تطورية نهائية بالإضافة إلى أسباب تقريبية وآلية. تشمل الأسباب التطورية للمرض الموروثات التطورية (التي يمكن أن تقيد التكيف وتحفز سوء التكيف) ، والمفاضلات (التي يمكن أن تمنع تحسين الهيكل أو الوظيفة) ، وعدم التطابق مع الحداثة (التي يمكن أن تسبب سوء التكيف عن طريق الاختلاف بين الأنماط الظاهرية والبيئات) ، والصراعات الجينية (التي يمكن أن تسبب أو تولد مجالًا جديدًا لسوء التكيف) وفوائد على الإنجاب مقترنة بالتكاليف المتعلقة بالصحة على الذات [1]. يمكن للتحليلات المتكاملة للأسباب القريبة والنهائية للمرض أن تعمق الرؤى في كل من مسببات المرض والعمليات التطورية. هذه الدراسات مهمة بشكل خاص عندما تكون الأمراض خاصة بالبشر أو من صنع الإنسان ، وتستمد جزئيًا من تأثيرات الانتقاء الحديث على طول النسب المؤدي إلى الإنسان الحديث.

في هذه المقالة ، نقوم بتجميع الأسباب النهائية في دراسة الانتباذ البطاني الرحمي. وصفنا أولاً الأعراض والسمات التشخيصية للانتباذ البطاني الرحمي ، ونراجع الفرضيات السابقة حول محدداته الفسيولوجية. ثانيًا ، نقوم بتحليل أسس الانتباذ البطاني الرحمي من خلال تطبيق [2] أسئلة نيكو تينبرجن الأربعة لتحليل الأنماط الظاهرية: (1) تاريخ التطور والتطور ، (2) التطور ، (3) الآلية و (4) الأهمية التكيفية. تتيح معالجة هذه الأسئلة الأربعة إجراء تحليل تكاملي متعدد التخصصات لأسباب وارتباطات الانتباذ البطاني الرحمي والسمات التي تميزه ، في سياق فهم سبب وكيفية استمرار هذا الاضطراب في البشر نظرًا لارتفاع درجة توارثه. عند القيام بذلك ، نقوم أيضًا بوصف وتقييم وتقديم اختبارات لفرضية تم تطويرها مؤخرًا لسبب رئيسي للانتباذ البطاني الرحمي: أن تطورها مدفوع بمستويات منخفضة نسبيًا من هرمون التستوستيرون في تطور ما قبل الولادة [3].


التنظيم في Meristem القمي

يعد تنويع الخلايا في النسيج الإنشائي القمي عملية معقدة يتحكم فيها عدد من الجينات. في الواقع ، تحدد هذه الجينات شكل وهيكل النبات. مع نمو النسيج الإنشائي القمي ، فإنه يتفرع من مواقع النسيج الإنشائي الأصغر ، والتي ستتطور إلى فروع من السيقان والجذور. يتم التحكم في توقيت وعدد هذه الأحداث من خلال سلسلة من الجينات داخل النباتات. تؤدي التعبيرات المختلفة لهذه الجينات إلى أشكال مختلفة ، بعضها أكثر نجاحًا من البعض الآخر. أدى التفاعل بين هذه الجينات ونمو النسيج الإنشائي القمي إلى ظهور ملايين الأنواع المختلفة من النباتات الموجودة اليوم.

يُعزى تنوع الأشكال في النباتات بشكل حصري تقريبًا إلى الاختلافات في كيفية عمل النسيج الإنشائي القمي. بعض النباتات ، مثل الشجيرات ، تتفرع بشكل مستمر ومتساو ، بينما النباتات مثل أشجار الصنوبر لها فرع رئيسي واحد. النسيج الأساسي القمي مسؤول أيضًا عن تطور الجذر. يمكن أن تكون الجذور عميقة ، وتركز على فرع واحد ، مثل الصنبور الجذر، المشتركة بين العديد من الحشائش. من ناحية أخرى ، فإن الذرة والخيزران أكثر تشتتًا و جذور ليفية النظام الذي يعتمد على الكثير من المتفرعة و الجذور الجانبية.

1. ما هو الفرق بين النسيج الإنشائي القمي والنسيج الإنشائي القاطع؟
أ. لا فرق
ب. النسيج الإنشائي القمي في الطرف
ج. يمكن أن تكون meristems intercalary قمي

2. كيف يمكن معالجة النسيج الإنشائي القمي لزيادة حصاد المحصول؟
أ. يمكن قصها لإنشاء نبات كثيف
ب. المزيد من الإنزيمات يعني المزيد من الفاكهة
ج. لا يمكن التلاعب بها

3. كيف يشبه النسيج الإنشائي القمي الخلايا الجذعية في الجنين البشري؟
أ. كلاهما لديه القدرة على التفريق
ب. إنهم مختلفون تمامًا
ج. هم يقسمون بنفس الطريقة


شاهد الفيديو: تأثير العمليات الموجهة في تغيير الحالة الثابتة في العشائر المندلية: أولاـ تأثير الطفرات (أغسطس 2022).