יסודות ביולוגיים - הר.11 - פיזיולוגיה של רצפטורים במערכות חוש – המשך

יום ראשון 19/12

יסודות ביולוגיים של התנהגות

פיזיולוגיה של רצפטורים במערכות חוש – המשך

שק' 10:

התמרה חושית:

במערכת הסומטוסנסורית (מגע, טמפרטורה, כאב) אין תא רצפטור ספציפי, אלא יש תאים שיושבים סמוך לחוט השדרה – Dorsal Root Ganglion – אלו תאים יוניפולריים, שצד אחד של האקסון שמתפצל מהם הולך אל פני העור, והצד השני אל תוך חוט השדרה. בקצה של השלוחות של האקסונים שמגיעים אל פני העור, יש סיומות של התאים שמהווים את החיישן – הרצפטור למגע/טמפרטורה וכאב. משם הם יגיעו אל חוט השדרה, ואל המוח. כלומר: במקרה זה, שהוא יוצא מן הכלל – אותו תא הוא גם החיישן וגם מעביר המידע. בשאר החושים, יש תאי רצפטור ספציפיים שכל תפקידם לעשות את ההתמרה, ותאים אחרים מעבירים את המידע.

האינפורמציה שאנחנו מקבלים מתקבלת באמצעות קידוד של אספקטים שונים של המידע שמגיע אליו (סוג האנרגיה, תבנית האנרגיה, עוצמתה...) לשפה שמח מבין – כלומר: פוטנציאלי פעולה.

יש שני סוגי קידוד:

1. קידוד מרחבי Spatial Coding – גירויים חיצוניים מגרים באופן ספציפי תאי רצפטור ספציפיים באיבר החוש, ואלו מפעילים תאים ספציפיים באזור מוחי נמוך, ואלו מפעילים תאים ספציפיים באזור יותר גבוה, וכך נוצר מיפוי של מרחב הגירוי על פני אזור מסוים במח. למשל: החוש הסומטוסנסורי בו יש מיפוי מרחבי של האזורים השונים של העור בקורטקס הסומטוסנסורי הראשוני. (מפות מרחביות מהסוג הזה קיימות גם בחוש הראיה ובחוש השמיעה).
2. קידוד טמפורלי Temporal Coding – יצירת תבניות של פוטנציאלי פעולה בזמן שמייצגות אספקט מורכב כלשהוא של הגרוי. למשל: חוק התדר Rate Law – גירויים יותר חזקים יעוררו יותר פוטנציאלי פעולה – כלומר: תדירות של פ"פ כפונקציה של עוצמת הגרוי.

עוצמת הגירוי היא רק אספקט אחד שלו. זה לא נותן מספיק אינפורצמיה, ולכן תריך תבניות יותר מורכבות. אינטואטיבית זה דומה להעברת מידע אלקטרונית – זרם-1, לא זרם-0. גם כאן, יש מן כתב בינארי: יש פ"פ / אין פ"פ. ואכן, יש תבניות של יריית פ"פ, אם כי נחנו (עדיין לא?) יודעים איך לפענח אותן.

שק' 17 – מודלים של ארגון סנסורי:

איבר חוש --> מח --> תלמוס (חוץ מריח) --> איזור סנסורי ראשוני של אותו חוש --> איזור שניוני --> איזור אסוציאטיבי.

זוהי סכימה מאד כללית, במציאות היא הרבה יותר מסובכת, יש אזורים שונים בכל רמה, שמטפלים באספקטים שונים של הגירוי. הרעיון שעובר כאן הוא שבארגון סנסורי יש הירארכיה (בשנים האחרונות מסתבר שזו לא ממש הירארכיה, ויש אינטראקציות שונות בין אזורים שונים).

נעבור לדוגמא ספציפית – חוש הראיה.

זהו החוש המפותח ביותר באדם.

האור הנראה הוא חלק מספקטרום גדול של קרינה, ויכולה להגיע באורכי גלים שונים, ובהתאם לאורך הגל מתקבלת תכונה של האנרגיה הזאת. אנחנו תופסים גלים באורך של כ-400-700 ננומטרים.

שק' 19: הטבע הדואלי של האור:

1. חלקיקים בדידים של אור שנקראים פוטונים.
2. תכונות של גל רציף.

אנחנו נתייחס לשתי האספקטים, לסירוגין בתכונות שונות של הצבע.

האור נכנס לעין דרך הקרנית, שכבה קשיחה אך שקופה.

מתחת לקרנית יש את האישון - הצמצם, שמכניסים כמויות שונות של אור בהתאם לעוצמה הכללית של האור. זה נקבע ע"י שרירים שפותחים וסוגרים את האישון שמופעלים על ידי המערכת הפארה-סימפטטית.

מתחת לאישון יש את העדשה (שכשמה כן היא!) היא מפקסת את קרני האור, ומביאה אותן אל הרקמה שנמצאת בצד האחורי של העין – הרשתית.

הרשתית – האזור האחורי בעין בו נעשית התמרה של קרני האור לפוטנציאלים חשמליים.

יש מערכת שרירים שמחוברים לגלגל העין, ונשלטים על ידי נוירונים שנשלחים לגזע המוח. זה קריטי, כי העיניים נמצאות כל הזמן בתזוזה – אנחנו כל הזמן סוקרים את המרחב שלפנינו.

הרשתית מורכבת משלוש שכבות של תאים:

1. שכבת תאי רצפטור – פוטורצפטורים, שנמצאים בצד האחורי ביותר של העין.
2. שכבת תאים ביפולריים – השכבה האמצעית.
3. שכבת תאי גנגליון - השכבה הקידמית.

האור עובר את תאי הגנגליון והתאים הביפולריים (שהם די שקופים, אחרת האור לא היה עובר) ומגיע לפוטורצפטורים. יש שני סוגים:

1. Cones – נותנים חדות ראיה יותר גבוהה.
2. Rods - יותר רגישים לאור.

שם	מתי פועלים?	איפה נמצאים?	יתרון	כמה יש?
Cones	רב הזמן	נמצאים בחלק מרכזי של הרשתית – Fovea	חדות ראיה גבוהה	6 מיליון
Rods	בעוצמות אור נמוכות	מפוזרים מסביב, בפריפריה של הרשתית.	רגישות גבוהה לאור	120 מיליון

למה הcones יותר חדים?

כי האור נופל ישירות על ה fovea, שהיא החלק המרכזי של העין.

כי באזור זה יש לכל פוטורצפטור תא ביפולרי 1 ותא גנגליון 1. לעומת זאת, באזור של ה-rodes, יש סכימה של מספר פוטורצפטורים על תא ביפולרי, ושל כמה תאים ביפולריים על תא גנגליון, וכתוצאה מכך הרזולוציה יותר נמוכה.

בין שכבת הפוטורצפטורים והתאים הביפולריים יש את התאים ההוריזונטליים שסוכמים פעילות של פוטורצפטורים ומעביר לתאים הביפולריים.

התאים האמרקיניים - בין התאים הביפולריים ותאי הגנגליון, מתווך אינטראקציות בין התאים.

אנחנו יודעים יותר על הרשתית מאשר על תאים בתוך המח, כי יותר קל לחקור שם. זה נותן לנו מושג על המורכבות של המוח, שהיא גדולה לאין ערוך (וזה למרות שנלמד על מורכבות המוח פחות. זה לא כי זה יותר פשוט, זה כי אנחנו יודעים הרבה פחות).

תהליך ההתמרה – שק' 28:

החלק הקיצוני של הפוטורצפטורים מכיל מעין דיסקיות, ועל הממברנה שזורות מולקולות רגישות לאור. השם הכללי – פוטופיגמנט, והיא משתנה באופן כימי כאשר אור פוגע בה.

יש כמה סוגי פוטופיגמנטים.

זוהי מולוקלה שמורכבת משתי חלקים:

1. רטינל
2. אוקסין

איך הפוטורצפטור פועל? (קצת לא אינטואטיבי)

• בזמן חושך יש תעלות בממברנה של הפוטורצפטורים שפתוחות ומאפשרות כניסה של יונים חיוביים (נתרן, סידן). כלומר: בזמן חושך התא נמצא בדפולריזציה.

כלומר: הפוטורצפטור משחרר נויוטרנסמיטור באופן רציף בזמן חושך.

• כאשר יש מפגש עם אור הרטינל משתנה, דבר שגורם לו להתנתק מהאוקסין, שגורם להפעלת תהליכים ביוכימיים בפוטורצפטור, שגורם לסגירת התעלות שהיו פתוחות בחושך.

כלומר: בזמן אור, (יחסית למצב בדפולריזציה בזמן חושך,) יש מצב של היפרפולריזציה.

הפוטורצפטור משחרר טרנמיטור, שנקלט על ידי תא ביפולרי ויכול לשנות את פוטנציאל הממברנה של התא.

לשים לב: גם הפוטורצפטור וגם התא הביפולרי משחררים נ"ט באופן רציף, בהתאם לעוצמת הדפולריציה, אך לא עושים פ"פ (=פוטניאל פעולה)!

בחלק מהפוטורצפטורים הטרנסימיטור אקסיטטורי לגבי התא הביפולרי, ובחלק הוא אינהיבטורי. בכל מקרה, התגובה של התא הביפולרי לתא הפוטורצפטור תהיה הפוכה בזמן חושך ואור (היפרפולריזציה / דפולריזציה).

אם התא הביפולרי עבר אקסיטטציה באור, תא הגנגליון יירה יותר פוטנציאלי פעולה, ולהפך.

תא הגנגליון:

• מייצר פ"פ.
• יש לו קצב קבוע של פ"פ, גם בזמן חושך.

בסופו של דבר, הפעלה של אור בפוטורצפטור תתורגם לאקסיטציה / אינהיביציה בתא הביפולרי, שתתורגם ליותר או פחות פ"פ בתא הגנגליון.

לרב תאי הגנגליון יש שדה רצפטיבי = האזור בשדה הראיה שבו גירוי של אור משפיע על הפעילות של תא הגנגליון. יש שתי סוגים של שדות רצפטיביים, שניהם מורכבים משני מעגלים שנמצאים אחד בתוך השני. (--> השמות מתייסים לתגובה לאור במרכז השדה).

1. תא גנגליון מטיפוס ON Center – אם האור מאיר במרכז השדה, תא הגנגליון יירה יותר פ"פ. אם האור פגע בפריפריה, תא הגנגליון יירה פחות פ"פ.
2. תא גנגליון מטיפוס OFF Center – הפוך. גירוי במרכז גורם ליותר פ"פ בתאי הגנגליון, וגירוי בפריפריה – ליותר.

תאים הוריזונטליים אחראים לכך שיש תגובה הפוכה בתאים הפריפריאליים.

למה זה טוב? Contrast Enhancement – זה מאפשר לתפוס את הניגוד בין אזור יותר מואר ואזור פחות מואר, בין אור לצל.

תפיסת צבע:

תפיסת צבע מבוססת על העודה שיש כמה סוגים של מולוקלת רטינל (סוג אחד בrods, ושלושה סוגים בcones). כל סוג מולוקולה אחראי לאורך גל שונה – בתחום האדום, הכחול או הירוק. לכן רק בcones יש ראיית צבע.

במעבר בין הפוטורצפטור לתאי הגנגליון "נולדת" הרגישות לארבעה צבעים, במקום שלושה. אי לכך, לתאי גנגליון שמקבלים אינפורמציה מ cones יש רגישות לאורך גל מסוים.

התפיסה שלנו של צבעים מעבר לארבעה האלה, מבוססת על עיבוד יותר מתקדם.

שק' 41:

האקסונים של תאי הגנגליון נאספים מהחלקים השונים של הרשתית ומשם יוצאים לכיוון המח בתור העצב הראייתי – העצב הקרניאלי השני. איזור היציאה של האקסונים נקרא הכתם העוור – כי אין שם פוטורצפטורים, ולכן אם נופל על איזור זה גירוי ראייתי, לא נקלוט אותו.

באופן כללי, תאי הגנגליון מהווים התחלה של שתי מערכות ראיה נפרדות (שעובדות, באופן נורמלי, באינטגרציה):

1. מערעת מגנוצלולרית – מתחילה מתאי גנגליון מסוג M, שהם גדולים יחסית.
2. מערכת פרווצלולרית – תאי גנגליון קטנים יחסית.

המערכות דומות מבחינת התכונות עליהן דיברנו עד עכשיו.

הם שונות מבחינה אבולוציונית – המערכת הפרווצלולרית חדשה מבחינה יחסית, וקיימת ביונקים – בעיקר יונקים גבוהים. פירוט של התכונות השונות:

תכונה	מגנוצלולרית	פרווצלולרית
תאי גנגליון	M	P
התפתחות אבולוציונית	עתיקה	חדשה
ראיית צבע	לא	כן
רגישות לאור	גבוהה	נמוכה
הפרדה מרחבית	נמוכה	גבוהה
כמות (מתוך תאי הגנגליון)	15.00%	85.00%

שק' 44:

האקסונים של העצב האופטי מגיעים לבסיס המח, עושים סינפסה בגרעין הראייתי בתלמוס, ומשם שולחים אקסונים לאונה האוציפטילית, שם עושים סינפסות באזור הראייתי הראשוני שבקורטקס.

לאורך הדרך מהרשתית עד הגרעין הראייתי, האקסונים שיוצאים מהחלק הנזלי (קרוב לאף – nose / נזלת :) ) חוצים ועוברים לתלמוס הקונטרלטרלי, ואקסונים מהצד הטמפורלי (-של הרקה) נשארים ועושים סינפסה בצד האיפסילטרלי (-אותו צד).

כלומר: מה שמגיע לגרעין הראייתי השמאלי מגיע מהצד הטמפורלי השמאלי ומהצד הנזלי הימני (יכול להיות שקצת התבלבלתי פה). למעשה, מידע מכל צד מגיע לשתי הצדדים (מידע מהחלק המרכזי של העין מגיע לשתי הצדדים. ההבדל הוא החלקים הפריפריאלים שמידע מהם מגיע רק לצד אחד).

לחלק בו קורת החציה הזאת קוראים הצומת האופטית Optic Ciasm.

ייצוג רטינוטרופי:

יש מיפוי של המרחב בקורטקס הראייתי – זהו ייצוג רטינוטופי – יש מיפוי של הרשתית על האזורים הוויזואליים במח, וזה עוזר למח לקודד מאיפה מגיע הגירוי.

הגרעין הראייתי של התלמוס מורכב משש שכבות:

שכבות1,2 מקבלות מידע מהמערכת המגנוצלולרית, ושאר השכבות מקבלות מידע מהמערכת הפרווצלולרית. אלו שתי מערכות נפרדות, ששולחות אינפורמציה למקומות נפרדים. האינטגרציה היא בשלבים הרבה ימותר מתקדמים.

כמו כן, יש הפרדה בין העיניים מהן מגיעה האינפורמציה.

התלמוס הוא לא האזור היחיד שמקבל אינפורמציה ראייתית (אם כי הרוב המוחלט של תאי הגנגליון לוח אקסונים לשם).

אלו עוד אזורים מקבלים אינפורמציה מתאי הגנגליון?

• Superior Culiculus – נמצא בחלק העליון של הטקטום, במידבריין. הוא מקבל אינפורמציה ראייתית רק מהמערכת המגנוצלולרית. חשוב בהפנייה רפלקסיבית של תנועות העיניים ולהפניית קשב לגירוי. הגירויים העיקריים שמפעילים את המערכת הזאת הם גירויים זזים (– מורשת אבולוציונית - חיות נמוכות כמו זוחלים ודו חיים מגיבהים כמעט בלעדית לגירויים נעים.) למשל, אם ייכנס כלב לאולם בשקט בשקט, כולנו נשים לב אליוף עוד לפני שנדע שזה כלב. העמרכת הזאת מחוברת לאזורים קורטיקליים במוח – אבל לא ראשוניים, אלא אזורים יותר גבוהים – בעיקר כאלה שקשורים לתפיסת מרחב. תפועה מעניינת היא אדם שנפגע בקליפת המח הראשונית הוא למעשה עוור לכל דבר, אבל הוא מסוגל להגיב לגירויים נעים – למשל: לתפוס כדור. לתופעה זאת קוראים Blind sight. הם לא יוכלו להסביר איך הם תפסו את הכדור. הסיבה היא שהאינפורמציה לגבי הגירוים הוויזואליים מגיעה לסופריור קוליקולוס, שמכוונת אותו לאזורים קורטיקליים גבוהים. זה למרות שאין מודעות.
• Superchiasmatic Nucleus - “שעון ביולוגי" – מתאם פיזיולוגיה והתנהגות לשעות אור וחושך. (ערנות, פעילות, חום גוף, הפרשת הורמונים...).
  חלק מתאי הגנגליון שמגיעים לSuperchiasmatic Nucleus הם תאי גנגליון מיוחדים. איך גילו אותם? גילו נזק גנטי שגורם להרס תאי גנגליון, אבל עדיין היו להם מחזורים של אור וחושך, ואז הסתבר שתאי גנגליון מסוימים כן נשארו שם – תאים רגישים לאור. הם מפרישים חומר בשם Melanopsin. זהו מהפך בקונספציה – לא רק rodes וcones יכולים לעשות התמרה של אור וחושך.

מעכשיו נדבר על המסלול העיקרי של הראיה.

הקורטקס הראייתי הראשוני V1 (כמו כל הקורטקס) מורכב מ-6 שכבות של תאים:

1. הכי קרובה לpia, מעט נוירונים.
2. א
3. א
4. מאד עבה ומפותחת, מתחלקת לכמה תת שכבות. למה? כי המידע מהLGN מגיע לשכבה 4.
5. א
6. א

הקורטקס הזה מאד מפותל.

באופן כללי הנוירונים בקורטקס הוויזואלי מגיבים לאפיונים ספציפיים של הגרוי, כלומר: כל תא מגיב לגירוי ספציפי ורק לו (זווית מסוימת, צבע מסוים...).

דוגמא: תאים משכבה 4, שמקבלים את המידע. דומה לתגובת תאי הגנגליון. יש שדה רצפטיבי שמורכב משני מעגלים, on/off.

בשכבות אחרות התאים מגיבים לגירויים יותר מורכבים, למשל: לא לנקודה של אור, אלא לפס של אור. תא מסוג זה, שנקרא תא פשוט, יגיב לאוריינטציה מסויימת באזור ספציפי בשדה. יהיו יותר פ"פ אם באוריינטציה מסוימת הפס נופל על חלק של השדה, ובאינהיביציה אם הפס בותה אוריינטציה בחלק אחר בשדה.

איך גילו את זה?ֿ

החדירו לחיות אלקטרודה שרושמת פעילות של תאים הקורטקס הראייתי. הקרינו לה כל מיני גירויים וויזואליים וכך גילו איזה סוג של גירויים מפעיל/עושה אינהיביציה לתאים מסויימים (גם לתאים בקורטקס הראייתי יש פעולה ספונטנית). התא בעצם מגיב לקונטרסט בזווית מסוימת.