• Ei tuloksia

visual angle, CPD) at the central retina but not so much better than that of rodents in the  peripheral retina (at eccentricities greater than around 12 deg) (28). The highest limit of  visual acuity set by the C57BL mouse retina is 50‐fold worse than in humans at 0.6 CPD  (9,29). However, visual pattern discrimination is not only determined by visual acuity but  also by contrast sensitivity. The peak contrast sensitivity of mice is surprisingly good at  around ~2 % compared to that of humans at ~0.5 % (30,31). Despite the differences between  the mouse and the human eye, the structure and function of the retina in mice and humans  is similar, especially at periphery (7,31). 

 

2.2 FUNCTIONAL ARCHITECTURE OF THE MAMMALIAN RETINA

The mammalian retina displays 10 distinct laminar layers under a light‐microscope (Figs. 2 

& 3, note the internal limiting membrane is missing in both images, it limits the nerve fiber  layer from the vitreous). Although the light enters from the RGC side of the retina, that side  is referred to as inner retina (proximal retina) and photoreceptor side as outer retina (distal  retina). The neural retina is circumscribed by retinal pigment epithelium (RPE) on the  photoreceptor side (Fig. 3.), and nerve fiber layer (NFL) on the RGC side of the retina. 

Energy and nutrient supplies of the retina reside immediately below the RPE and at the  NFL (32). Choriocapillaries below the RPE, i.e. choroid, receive massive blood flow and  they are vital for the high metabolic demand of the outer retina (33). The actual retinal  blood  flow enters from the central  retinal  artery from the optic nerve head forming  capillaries that nourish the inner retina (32). The blood flow in the choroid is manifold  compared to the blood flow inside the retina. The primary energy source to the retina is  provided by glucose. The retina has a high rate of anaerobic glycolysis even under basal  physiological  conditions,  but  it  can  switch  to  oxidative  metabolism  on  demand  (19). 

Photoreceptors  are  metabolically very  active due to  maintenance  of dark current, i.e. 

continuous repolarization after depolarization of cell membranes in the dark. In addition,  continuous phagocytosis of photoreceptor outer segment (POS) discs by the RPE, and their  renewal, uses a lot of energy. Because energy requirements are high, oxygen consumption  is also high. The capillary blood flow in the retina has been measured at 60 ml/min/100 g of  tissue in primates, being similar to the blood flow in the brain (34). In the choroid, the blood  flow is very high at 2000 ml/min/100 g of tissue (35), because the oxygen must diffuse from  here to the inner segments of photoreceptors where their mitochondria are located. Oxygen  usage by photoreceptors is 3‐4 times higher than in other CNS neurons (19). Thus hypoxic  state may impact the retina very quickly (36). 

  Fig. 3. Schematic image of the retina and rod and cone structures. A: The retinal pigment epithelium (RPE) has numerous supportive functions for the retina, one of the most important ones being continuous phagocytosis of photoreceptor outer segments. From the apical side of RPE start photoreceptors (rods and cones) that convert light to electrical signals. The photoreceptors synapse with bipolar and horizontal cells (modulatory cells providing lateral inhibition) at the outer plexiform layer, and the bipolar cells synaptically transmit the signal further to ganglion cells (or amacrine cells in primary rod-pathway and then to ganglion cells) at the inner plexiform layer. Ganglion cell axons run along the nerve fiber layer and finally form the optic nerve. Müller cells are radial glial cells that are present throughout the entire retina and have a crucial supportive function. B: The rod and cone photoreceptors consist of outer segment (OS), where the visual transduction (see Fig. 4) takes place, connected to inner segment via connecting cilium (CC). The inner segment contains the cell machinery of photoreceptors including mitochondria. The nuclei (N) of photoreceptors are situated at the outer nuclear layer of the retina. Ribbon synaptic terminals functionally connect the photoreceptors to the interneurons. Calyceal processes are found in primate photoreceptors but are absent in mice (37). BB: basal body of the connecting cilium (Figure adapted from (38)).

The RPE is the outermost retinal layer, consisting of a monolayer of pigmented  hexagonal cells (19). The basal side of the RPE cell is adjacent to the choroid while the apical  side faces the neural retina. The basal aspect of RPE contains numerous infoldings and is  adherent to its basement membrane forming a part of Bruch´s membrane of the choroid. 

Therefore, the attachment of RPE and the choroid is vivid. The apical side of the RPE  comprises microvilli that extend into the photoreceptor outer segments (Fig. 3). However,  this subretinal space is loose compared to RPE‐Bruch´s membrane interface and does not  contain intercellular junctions. The RPE has many functions such as fostering the retina and  choriocapillaries (reviewed in  (39)). It forms part of the blood‐retinal barrier (notably  similar  to  choroid  plexus  in  the  ventricles  of  the  brain),  which  selectively  controls  movement of nutritients and metabolites into the retina, and on the other hand, allows  waste products out of the retina (40). The most important functions of RPE (in regard to  normal vision)  are maintenance of visual cycle (visual cycle explained in Fig. 4) and  phagocytosis  of  shed  POS.  In  mice,  10  %  of  POS  is  shed  daily  and  RPE  needs  to  phagocytose and degrade it out of the way for renewal. This mission renders RPE cells one  of the most active phagocytosing cell types in the body (41). POS phagocytosis by RPE  follows the circadian rhythm, being most active at the beginning of circadian cycle at light‐

onset (42,43). POS phagocytosis can be divided into five different phases: 1. recognition and  attachment; 2. ingestion; 3. phagosome formation; 4. phagosome fusion with lysosome; and 

 

finally 5. digestion of POS (44). It is well appreciated that failure at any phase of the POS  phagocytosis may lead to retinal degeneration (45). In addition, it has been recently shown  that phagocytosis of POS is crucial for the visual cycle at RPE via a novel noncanonical  form of autophagy (46). 

Fig 4. A graph of visual cycle i.e.

phototransduction. The visual cycle is responsible for the first-in-order visual reaction and regeneration of visual pigment for continuum. Reaction a: 11-cis-retinal (11cRAL) diffuses from the RPE to photoreceptor outer segments (OS) and couples with opsin to generate rhodopsin (Rh). Reaction b: absorption of light photons by rhodopsin leads to isomerization of the chromophore from the 11-cis to the all-trans form (atRAL).

Reaction c: atRAL is reduced to all-trans-retinol (atROL) by all-trans-retinal-spesific dehydrogenases (all-trans-RDH).

Reaction d: atROL diffures to RPE where it is esterified by retinol acyltransferase (LRAT, lecithin) to all-trans-retinyl-ester (atRE). Reaction e: RPE-spesific 65 kDA protein (RPE65) catalyzes the isomerization of atRE to 11cROL. Reaction f: when 11cROL is oxidized back to 11cRAL by 11-cis-RDH, the 11cRAL is ready for diffusion back to the OS and the visual cycle is complete.

Notably, a failure in any step of the visual cycle has been shown to induce retinal degeneration (47). IPM, interphotoreceptor matrix; IRBP, inter-photoreceptor retinol binding protein (Figure adapted from (48)).

The POS consists of membranous discs where visual pigment molecules are  located within the disc membrane (19). The outer and inner segments of photoreceptors are  connected  via  the  cilium  (Fig.  3b).  The  inner  segment  is  the  power  plant  of  the  photoreceptor containing lots of mitochondria. The inner segment contains the cell nucleus,  and  on  the  other  side  of  the  nucleus,  synaptic  terminals  connect  photoreceptors  to  interneurons (21). Adjustable sensivity of the photoreceptors enable vision to function  within an impressive dynamic range of over 10‐log units (49). Mammalian and amphibian  rods can detect even single photons but they saturate at bright light (50). Still, vision works  even  at  very  bright  sunlight  thanks  to  rapid  regeneration  of  visual  pigments  and  adaptational mechanisms at the cone pathway (51). Cones are 100 times less sensitive than  rods (52), but on the other hand, they do not saturate easily due to their extremely fast  pigment regeneration and dark‐adaptation (51).       

  Unlike most sensory systems where appropriate stimulation causes sensory  receptors  to  depolarize,  the  photoreceptors  act  by  hyperpolarization  and  subsequent  change in neurotransmitter release onto postsynaptic terminals. Visual sensation commence  once absorption of light changes the conformation of retinal and activates (rhod)opsin (see  Fig. 4) (21). Activation of opsin stimulates the G‐protein transducin, which then activates  phosphodiesterase enzyme (PDE). Once activated,  PDE  hydrozylases  cyclic  guanosine  monophosphate  (cGMP).  The  decrease  in  cytosolic  cGMP  leads  to  closure  of  cyclic  nucleotide  gated  ion‐channels  preventing  influx  of  Na+  and  Ca2+  ions,  and  thereby  hyperpolarizes  photoreceptors.  The  G‐protein  cascade  substantially  potentiates  the  photoresponse:  many  transducin  molecules  are  activated  with  a  single  11‐cis‐retinal 

photoisomerization and each PDE enzyme hydrozylases more than one cGMP molecule. As  a result, absorption of a single photon by a rod leads to closure of approximately 200 ion  channels corresponding to about 2 % of all the channels open in each rod in darkness. 

  The retina modifies the photoresponse amplification magnitude at prevailing  levels of illumination (21). This phenomenon is known as light adaptation. As levels of  illumination increase, the photoreceptor sensitivity decreases preventing the receptors from  saturating, and thereby they increase the range of light intensities at which they may  operate. The concentration of Ca2+ in POS is a key player in the light‐induced modulation of  photoreceptor sensitivity. Light‐induced closure of ion channels leads to a net decrease of  POS Ca2+ concentration that causes many changes in the phototransduction cascade. These  changes tend to reduce the receptor sensitivity to light. For instance, the lowered Ca2+ 

concentration increases activity of guanylate cyclase that synthetizes cGMP, leading to an  elevated levels of cGMP. Likewise, the decreased levels of Ca2+ increase the affinity of  cGMP‐channels for cGMP diminishing the impact of light‐induced reduction in cGMP  levels. The light adaptation mechanism driven by the Ca2+ concentration is not the only light  adaptational mechanism in the retina. Retinal sensitivity at background light levels is also  neurally modulated. A key neurotransmitter here is dopamine (53). Many dopamine driven  physiological mechanisms  lead  to  an increased  signal flow  through  cone  circuits and  reduced signal flow through rods. In Parkinson´s disease, a reduction in retinal dopamine  levels  may  result in  reduced  visual  contrast  sensitivity.  In  a  healhy  retina,  the light  adaptation is a rather fast process: the retina habituates from complete darkness to bright  light levels in 5‐10 minutes in humans (19). Vice versa, adaptation from bright sunlight to  complete darkness (dark adaptation) is slower and may take 30 minutes.   

  The  inverted  mechanism  by  which  photoreceptors  act  continues  at  photoreceptor–interneuron synapse. When a photoreceptor is hyperpolarized, activated,  the release of its neurotransmitter glutamate into the synaptic cleft at the outer plexiform  layer decreases  (54).  This  modulates activity  at the interneuron  level,  in  bipolar and  horizontal  cells (52).  Bipolar cells  are  second‐order  visual  transmitting  cells, whereas  horizontal cells regulate the signal transmission between photoreceptors and bipolar cells  by lateral inhibition (Fig. 5). Bipolar cells can be divided into two major classes: rod bipolar  and cone bipolar cells. Cone bipolar cells form subclasses: ON bipolar cells that depolarize  and OFF bipolar cells that hyperpolarize to increments in light levels. Rod bipolar cells are  always ON cells. On the other hand, rods have been shown to signal through OFF cone  bipolar cells (55). The canonical mechanism by which bipolar, horizontal and ganglion cells  make retina possible to detect differences in light increments, contours, is illustrated in Fig. 

5.   

 

  Fig. 5. A schematic drawing of bipolar-ganglion cell center-surround organization. Figure A.

represents ON-center cell activation and figure B. OFF-center cell activation (Figure adapted from (56)).

Bipolar cells contact RGCs and amacrine cells at the inner plexiform layer (IPL) (52). RGCs  are the only output neurons of the retina and they mimic typical CNS neurons composed of  a cell body, dendrites and an axon, that is unmyelinated (4). Immediately posterior to the  eye globe (in fact already posterior to lamina cribrosa in humans), the RGC axons form the  optic nerve that is myelinated by oligodendrocytes, similarly to other nerve fiber tracts in  the CNS. Excitation of RGCs at the IPL is modulated in two ways by amacrine cells: 1. 

feedforward inhibition from amacrine cell synapses directly onto RGCs dendrites, or 2. 

feedback  inbihition  where  amacrine cells  contact  axon  terminals  of bipolar  cells  (52). 

Amacrine  cells  exert  their  action  largely  by  two  fast  neurotransmitters:  gamma‐

aminobutyric acid (GABA) and glycine. A fundamental difference between cone and rod  bipolar cells signaling is that cone bipolars cells make direct synaptic connections to RGCs  whereas rod bipolar cells synapse first with AII amacrine cells that then synapse with RGC  (55). The visual transmission cascade discussed above is a mere simplification of reality. 

Although there are only five classes of neuronal cells in the retina (photoreceptors, bipolar,  horizontal, amacrine and RGCs), there are numerous subclasses of bipolar, amacrine and  RGCs. Recent estimates suggest that there are at least 11 different subtypes of cone bipolar  cells (57), 40 amacrine cell subtypes (58), and 32 RGC subtypes in the mouse retina (1). 

Indeed, even the mouse retina is capable of high computation of visual stimuli ranging  from direction selectivity to polarity sensitivity. 

   

2.2.1 Retinal neurotransmitters 

Neurotransmitter composition seems to be similar in the retina and in the brain. Glutamate  is the primary excitatory neurotransmitter throughout the vertical pathways of the retina,  whereas GABA is the main inhibitory neurotransmitter (32). ON‐center bipolar cells signal  via metabotropic glutamate channel (mGluR6) whereas OFF‐center bipolar cells signal via  ionotropic AMPA and kainate receptors (59). Amacrine cells and horizontal cells in most  vertebrate retinas exert their inhibitory action mostly via GABA (60). Another typical  inhibitory neurotransmitter, glycine, is found in most small‐field types of amacrine cells  (32). Modulatory monoamine neurotransmitters, dopamine and serotonin, are also found in  amacrine cells (32,61,62), as well as acetylcholine (63). In fact, the two classes of dopamine  receptors, D1‐ and D2‐class, are both found in mammalian retina fairly abundantly. D1‐

receptors are expressed in bipolar, ganglion and horizontal cells (64), whereas D2‐receptors  are found in the synapse between horizontal cells, bipolar cells, and photoreceptors (65). 

Thus,  maybe  not  so  surprisingly,  drugs  acting  on  monoamine  and  cholinergic  neurotransmitter systems alter retinal function (66,67), and several psychiatric disorders are  associated  with  abnormal  ERG  responses  (66).  In  addition  to  above  mentioned  neurotransmitters, adenosine (68), nitric oxide (69) and several neuropeptides (32,70‐72)  contribute more or less to neurotransmission within the retina.  

2.2.2 Retinal glial cells 

There are three main classes of glial cells in the mammalian retina: Müller cells, astrocytes  and microglial cells (73). Müller cells are the most abundant glial cells in the retina,  comprising 90 % of total retinal glia (73). Müller cells are radially oriented such that they  pass through the retina from its inner vitreal border all the way to distal end of outer  nuclear layer. Astrocytes are mainly located horizontally in the nerve fiber layer and they  colocalize with the blood vessels in the inner nuclear layer. Indeed, the distribution of  retinal  astrocytes is always correlated with distribution  of blood  vessels  and  thereby  astrocytes have a role in forming retina‐blood barrier. All retinal glial cell classes are  integrated  with  the  retinal  neurons,  allowing  correct  functioning  of  the  retina  and  providing  structural  support.  They  are  all  phagocytic  cells  and  thereby  respond  to  immunological insult, and they interact with neurons and modulate the synapses. They  contribute to neurotransmission by releasing certain neurotransmitters and trophic factors,  and they are important buffers for K+ ions. In addition, the surrounding glial cells have an  imperative role in supplying different nutritients to retinal neurons as the neurons in the  retina are highly specialized and their metabolic demands are highly specific. A specific  role of Müller cells is maintenance of cone‐spesific visual cycle, which enables much more  rapid chromophore supply and pigment regeneration than the canonical RPE based visual  cycle and enables cones to function rapidly even under extremely bright light conditions 

(51).       

  A few decades ago, it was still believed that the inverted orientation of the  retina, where light would traverse through many cell layers before hitting the target, was  an example of poor evolutional design (74). More recently the claim was proven wrong. It  has been shown that Müller cells are wavelength‐dependent guides, guiding green‐red  spectrum of the visible light onto cones and blue‐purple part of the spectrum onto nearby  rods (75). Thus, Müller cells, which span vertically through the retina, enhance wavelength 

 

targeting in the retina and are crucial for visual optics. That is why the inverted structure of  the retina is necessary.   

 

2.3 FUNCTIONAL ORGANIZATION OF THE PRIMARY VISUAL PATHWAYS