فعالیت الکتریکی چشم از این قرار است

مطالعات اخیر نشان داده است كه راه های سیگنال دهی استوانه ها به صورت های مختلف و پیچیده ای در شبكیه انجام میشود، دلیل وجود چنین راه های متعددی برای استوانه ها هنوز نامعلوم است و مدلسازی كامپیوتری در درك این موضوع كمك شایانی میكند. گام اول در ساختن یك مدل واقعی از شبكیه برای مطالعه راههای سیگنالدهی استوانه ها، ساختن مدلی از خود سلول گیرنده نوری استوانه ای است.
امروزه دانشمندان و محققان به دنبال راهی جهت اعمال تحریكهای سیستم بینایی است تا بتواند دركی از بینایی را برای برخی افراد نابینا فراهم كند كه مدلسازی كامپیوتری شبكیه و چگونگی سیگنال دهی سلولها و تعاملات آنها كمك شایانی به این هدف میكند. در این مقاله ابتدا در رابطه با فیزیولوژی، پتانسیل و جریانهای یونی موجود در گیرنده نوری استوانهای و سپس مدل استفاده شده جهت شبیه سازی و نتایج شبیه سازی بیان خواهد شد. در انتها نیز نتیجه گیری ارائه میگردد.
● گیرنده نوری استوانه
وقتی استوانه در معرض نور قرار میگیرد، پتانسیلی كه در آن ایجاد میشود با پتانسیلی كه تقریبا در تمام گیرندههای حسی دیگر ایجاد میگردد، متفاوت است. به عبارت دیگر تحریك استوانه باعث ا فزایش پتانسیل منفی در غشای استوانه میشود كه همان وضعیت هایپرپلاریزاسیون (افزایش بیش از معمول بار منفی) است. این دقیقا عكس فرآیند دپلاریزاسیون یا كاهش پتانسیل منفی است كه تقریبا در تمام گیرندههای حسی دیگر رخ میدهد. این امر توسط كانالهای وابسته به ولتاژ، پراكنده در غشای سلول ایجاد میشود.
یك نظریه بدین ترتیب است كه وقتی ردوپسین(ماده شیمیایی حساس به نور در استوانه ها) تجزیه میشود، هدایت غشای قطعه خارجی استوانه برای یون سدیم كاهش مییابد كه این امر سبب هایپرپلاریزاسیون كل غشای استوانه به این طریق میشود كه قطعه داخلی دائما سدیم را از درون استوانه به بیرون پمپ میكند و بدین ترتیب پتانسیل منفی در سمت درونی كل سلول پدید میآورد، اما قطعه خارجی استوانه كه دیسكهای گیرنده نور در آن واقع است، كاملا متفاوت است: در اینجا غشای استوانه در شرایط تاریكی نسبت به سدیم بسیار نشت پذیر است. بنابراین یون مثبت سدیم پیوسته به درون استوانه باز میگردد و از این طریق بخش زیادی از پتانسیل منفی درون كل سلول را خنثی میكند.
لذا در شرایط طبیعی و در تاریكی كه استوانه برانگیخته نیست، بار منفی درون غشای استوانه به جای آنكه نظیر بیشتر گیرندههای حسی دیگر ۷۰- تا ۸۰- میلی ولت باشد، كمتر است و در حدود ۴۰- میلی ولت میباشد. در زمانیكه ماده شیمیایی حساس به نور در استوانه ها(ردوپسین) در معرض نور قرار گیرد شروع به تجزیه شدن میكند و بدین ترتیب هدایت غشای قطعه خارجی برای ورود سدیم به داخل استوانه كاهش مییابد، درحالیكه یون سدیم همچنان از غشای قطعه داخلی به بیرون پمپ میشود.
لذا اینك تعداد یونهای سدیم كه به بیرون رانده میشود بیش از تعدادی است كه به داخل نشت میكند. یون سدیم مثبت است در نتیجه خروج آن از استوانه باعث افزایش بار منفی درون غشا میشود. هر چه مقدار انرژی نوری كه به استوانه میخورد، بیشتر باشد بار منفی داخل یعنی هایپلاریزاسیون بیشتر خواهد بود. پتانسیل غشا بر اثر حداكثر شدت نور به ۷۰- تا ۸۰- میلی ولت كه نزدیك پتانسیل استراحت یون سپتاسیم در طرفین غشا است، میرسد.
هنگامی كه یك پالس لحظه ای نور به شبكیه برمی خورد، هایپرپلاریزاسیون گذرایی در استوانهها ایجاد میشود كه ظرف حدود ۰.۳ ثانیه به اوج خود میرسد و بیش از یك ثانیه طول میكشد. تصویری كه تنها یك میلیونیم ثانیه بر روی استوانه های شبكیه افتاده گاهی میتواند بیش از یك ثانیه احساس دیدن آن تصویر را به وجود آورد.
یكی از ویژگیهای پتانسیل گیرنده این است كه اندازه آن تقریبا متناسب با لگاریتم شدت نور است. این امر بسیار مهم است زیرا به چشم اجازه میدهد محدوده قابل تمیز شدت نور را چندین هزار برابر بزرگتر از زمانی سازد كه چنین رابطهای وجود ندارد.
‌● جریانهای یونی
بر اساس آزمایشهای «STEVEN BARNES» و« BERTIL HILLE» بر روی گیرنده های نوری كه به صورت آنزیمی ایزوله شده بود و با استفاده از تكنیك gigaseal voltage-clamp، جریانهای یونی شناسایی شد كه به طور اختصار شرح داده میشود. یك جریان قوی و با قدرت انتخاب ضعیف، جریان كاتیون Ih است كه بعد از یك تاخیر در زمان هایپرپلاریزاسیون فعال شده و سپس با تاخیری غیر فعال شده و به پتانسیلی بیش از mv ۵۰- باز میگردد. با توجه به نتایج این كانال دارای سه حالت باز و دو حالت بسته است.
زمانی كه با تحریك نوری ولتاژ استوانه از ولتاژ استراحت خود عبور كرده و هایپرپلاریزاسیون اتفاق میافتد یك جریان بزرگ(Ih) به سمت داخل در زمان وجود تحریك ایجاد میشود. مطالعات و آزمایشهای انجام شده نشان داده است كه Ih یك جریان كاتیونی با قدرت انتخاب كم و با برتری دادن كم یون Na+ نسبت به یون K+ است. به دلیل اینكه پاسخ به نور در گیرندههای نوری مهره داران توسط Ih شكل داده میشود، بنابراین بهتر است یك توصیف كیفی برای این جریان، میتوان حالت دریچه كانالی این جریان را با پنج حالت، سه حالت باز و دو حالت بسته با نرخ ثابت وابسته به ولتاژ در حالت گذرا بیان كرد.
می توان این حالتها را این گونه تفسیر كرد كه گیت كانال مورد نظر چهار تكه است كه نرخ ثابت باز بودن و بسته بودن هر كدام به ترتیب &#۹۴۵; و &#۹۴۶; است. حال باز بودن حداقل دو تكه از این چهار تكه برای باز بودن دریچه كانال كافی است. دپلاریزاسیون سبب ایجاد جریان كلسیمی(Ica) كمی میشود.
با كمك آنزیمهای متفاوت رفتار این جریان به گونهای است كه یك كانال كلسیم L-type با با آستانه نسبی بالا و غیر فعال شدن آهسته را پیشنهاد میكند.
● دو جریان پتاسیمی نیز در زمان دپلاریزاسیون ایجاد میشود:
۱) (Ikx) Noninactivating K current: یك جریان وابسته به ولتاژ كه دارای حركتی آهسته در زمان فعالشدگی و غیر فعالشدگی است (ثابت زمانی &#۹۶۴; آن در دمای اتاق در حدود چند صد میلی ثانیه است). این جریان در تنظیم پتانسیل استراحت در تاریكی و در سرعت بخشیدن به پاسخ به نور تار (dim light) مشاركت میكند.
۲)( Delayed rectifying K current )(IKv): بر اساس شواهد تجربی به دست آمده توسط «Baylor, Matthews, Nunn»، گیرندههای نوری استوانهای دارای جریانی وابسته به ولتاژ است كه مشخصات آن شبیه یك یك سو كننده با تاخیر است.
۳) Ca-Dependent Potassium current (Ik(ca) ) و Ca-Dependent Chloride current ( Icl(ca)) حاصل از تعامل كانالهای كلسیمی و پتاسیمی و كلسیمی و كلراید است. فعال شدن این كانالها وابسته به غلظت داخل سلولی كلسیم است.
۴) Ik(ca) حاصل از كانال پتاسیمی فعال شونده توسط غلظت كلسیم است كه دارای هدایت بالا است و Icl(ca) حاصل از كانال كلراید است كه توسط غلظت كلسیم فعال میشود.
● مدلسازی گیرنده نوری استوانهای
در این مدلسازی از نرم افزار «Neuron» استفاده شده است. این مدل یك تكه است به این معنا كه هر دو قطعه داخلی و خارجی را در آن یك تكه در نظر گرفته شده است. به دلیل اینكه كانالها در طول غشای سلول پراكنده است، مكان در این مدلسازی لحاظ نشده است. جهت تحریك این سلول به جای شبیه سازی فرآیند phototransduction از موج جریان نوری شیبهسازی استفاده شده است..
در میان كانالهایی كه در این سلول وجود دارد، در مورد جریان هایپرلاریزاسیون و مدل آن توضیح داده میشود كه بیشترین اثر را در نتیجه این مقاله دارد و در مورد مدلسازی كانالهای دیگر و جریانهای آنها تنها به این نكته بسنده میشود كه توسط معادلات هاجكین هاكسلی مدل شده است.
● جریان هایپرپلاریزاسیون(Ih)
با توجه به توضیحات ارائه شده، وقتی دریچه این كانال باز است كه حداقل دو تكه از آن باز باشد و در نتیجه پنج حالت متفاوت خواهیم داشت. در شبیه سازی انجام شده،این پنج حالت به ترتیب:
▪ حالت اول: دریچه كانال بسته است، یعنی ۴ تكه كانال در حالت بسته قرار دارد:
میتوان این حالتهای باز و بسته بودن دریچه كانال را مشابه ۴ كلید دانست كه دو به دو سری و موازی است. یعنی دو سوئیچ سری، موازی با دو سوئیچ سری دیگر قرار میگیرد.
در صورتی دریچه باز است كه:
( n = (A and B ) or (C and D),
(n = (E or F) and (G or H),
● احتمال باز بودن دریچه كانال تولید كننده جریان هایپرپلاریزاسیون را میتوان با این رابطه نشان داد:
▪ n=۱-(۱+۳r) (۱-r) ۳
به گونهای كه r احتمال باز بودن یك تكه از دریچه میباشد. برای مدلسازی این كانال از معادلات «هاجكین هاكسلی» استفاده شده است.
● مدلسازی جریان نوری تحریك كننده
برای مدلسازی فرآیند phototransduction از معادله زیر برای یك موج نوری روشن (bright light) استفاده شده است.
این معادلات جریانی را كه دائما از قطعه خارجی به قطعه داخلی سرازیر میشود، شبیه سازی میكند. كه در پاسخ به روشنایی زیاد به صورت تدریجی كاهش مییابد ولی در پاسخ به فلشهای روشنایی كامل و سریع حذف میشود.
● نتایج شبیه سازی
۱) افزایش پیك ولتاژ،
۲) افزایش زمان رسیدن به پیك و
۳) از بین رفت حالت گذرا.
كاهش جریان تاریكی در پاسخ به نور سبب هایپرپلاریزاسیون شده كه مسبب كاهش تدریجی رهاسازی نوروترانزمیترها میشود. پاسخ ولتاژ كنترلكننده رهاسازی نوروترانزمیترها است پس در این مقاله به جای مطالعه پاسخ شدت نور و جریان نوری به مطالعه پاسخ ولتاژ پرداخته شده است تا امكان بررسی این مدل در مدل كامل شبكیه نیز وجود داشته باشد.
چراكه رهاسازی نوروترانزمیتر، سیگنالی است كه در طول شبكیه پخش شده و به سلولهای افقی و دوقطبی میرسد.
برای مشخص كردن نقش Ih، محدوده دینامیكی را به صورت زیر محاسبه میشود.
كه I۹۰ و I۶۰ جریانهایی است كه به ازای آنها پاسخ به ۹۰% و ۶۰% مقدار V/Vmax رسیده است. این محدوه دینامیكی در زمانیكه Ih وجود دارد در حدود ۱.۱۰۷۸ و در زمانی كه این جریان وجود ندارد تقریبا ۵۳۰۳./۰ است، یعنی مكانیزمهای داخل سلولی در نتیجه جریان هایپرپلاریزاسیون سبب میشود كه گیرنده نوری استوانهای محدوده وسیعتری از تحریكها را كد كند كه این به معنای افزایش حساسیت این گیرنده نوری به نور با شدن كم است.
● نتیجه گیری
در این مقاله مدلی از یك گیرنده نوری استوانه ارائه شد و نتایج شبیه سازی نشان داد كه جریان هایپرپلاریزاسیون نقش موثری در شكل دهی پاسخ ولتاژ به تحریكات نوری داشته و سبب تقویت سیگنال phototransduction میشود كه در نتیجه محدوده دینامیكی افزایش مییابد. در حقیقت پاسخ به این سوال كه چه چیز سبب میشود كه چشم انسان در تاریكی به ضعیفترین نورها نیز حساس باشد، وجود جریان هایپرپلاریزاسیون است كه در مدلسازیهای گذشته این جریان از كانالی استفاده شده است كه تنها یك حالت باز و بسته شدن دارد و در نتیجه پاسخ ولتازهای حاصل از این گزارشات با نتایج این مقاله متفاوت است كه دلیل صحت نتایج این مقاله وجود نتایج آزمایشگاهی منطبق با نتایج به دست آمده است.
پاسخ ولتاژ كنترل رهاسازی نوروترنسمیتر را بر عهده دارد و این سیگنالی است كه به سلولهای دیگر موجود در شبیكه، از جمله سلولهای افقی و دوقطبی میرسد و ادامه روند بینایی را به آنها واگذار میكند. هم اكنون محققان و مهندسان زیادی در سرتاسر جهان به دنبال راهی جهت اعمال تحریكهای سیستم بینایی هستند تا بتوانند دركی از بینایی را برای برخی افراد نابینا فراهم كنند كه مدلسازی كامپیوتری شبكیه و چگونگی سیگنال دهی سلولها و تعاملات آنها كمك شایانی به این هدف مینماید.

محبوبه شاه علی دانشجوی كارشناسی ارشد بیوالكتریك دانشگاه امیركبیر
References:
۱. Rodrigo Publioa, Rodrigo F. Oliveirab, Antonio C. Roquea, “A realistic model of rod photoreceptor for use in a retina network model”, Neurocomputing ۶۹ (۲۰۰۶) ۱۰۲۰–۱۰۲۴
۲. S. Barnes, B. Hille, “Ionic channels of the inner segment of tiger salamander cone photoreceptors”, J. Gen. Physiol. ۹۴ (۱۹۸۹) ۷۱۹–۷۴۳
۳. X.D. Liu, D.E. Kourennyi, “Effects of tetraethylammonium on Kx channels and simulated light response in rod photoreceptors”, Ann.Biomed. Eng. ۳۲ (۲۰۰۴) ۱۴۲۸–۱۴۴۲.
۴. “Medical Physiology”, Guyton & Hall
۵. Kourennyi DE, Liu XD, Hart J, Mahmud F, Baldridge WH, Barnes S, “Reciprocal modulation of calcium dynamics at rod and cone photoreceptor synapses by nitric oxide”. J Neurophysiol. ۲۰۰۴ Jul;۹۲(۱):۴۷۷-۸۳. Epub ۲۰۰۴ Feb ۲۵.
۶. M.L. Hines, N.T. Carnevale, “The NEURON simulation environment”, Neural Comput. ۹ (۱۹۹۷) ۱۱۷۹–۱۲۰۹.

منبع : ماهنامه مهندسی پزشکی و علوم آزمایشگاهی