Biophysics of visual adaptation: tuning retinal microcircuits for vision in starlight, twilight, and daylight

I løpet av et døgn blir øynene våre eksponert for ekstreme variasjoner i lysintensitet der forholdet mellom minste og største intensitet kan være større enn 10^10. Synssansen vår er imidlertid fullt operativ over hele dette enorme intensitetsområdet, på tross av at fyringsfrekvensen til gangliecellene i øyets netthinne bare varierer med en faktor på omlag 10^2. Gangliecellenes evne til å kode over hele det aktuelle intensitetsområdet er muliggjort gjennom ulike mekanismer, både i fotoreseptorene (stav- og tappcellene) og i nettverk av nerveceller i netthinnen som får input fra fotoreseptorene. Dette fenomenet representerer et klassisk ?lærebokeksempel? på sensorisk adaptasjon. Mens mekanismene for adaptasjon i fotoreseptorene er blitt undersøkt og karakterisert på et detaljert molekylært nivå, er mekanismene for adaptasjon i postreseptorale nettverk av nerveceller i netthinnen stort sett ukjent. Det er imidlertid holdepunkter for at de inkluderer modulering av direkte elektriske koblinger (?gap junctions?) mellom nerveceller og at slik modulering kan være en mekanisme for å oppnå optimal funksjon til nettverk av nerveceller på tross av store variasjoner i lysintensitet. Det aktuelle prosjektet har undersøkt cellulære og molekylære mekanismer for justering av de elektriske koblingene i et nettverk av internevroner i netthinnen (de såkalte ?AII? amakrincellene) som spiller en viktig rolle for visuell signalbehandling i både mørke ("stjernelys"), skumring og dagslys. Mere spesifikt har prosjektet undersøkt rollen til en rekke signalstoffer, både nevrotransmitterne dopamin og glutamat, det intracellulære signalstoffet cAMP og enzymene Ca2+/CaMKII og PKA, i reguleringen av styrken av de elektriske koblingene mellom AII amakrincellene. I tillegg har prosjektet undersøkt den intracellulære Ca2+-dynamikken i AII cellene trigget av bestemte stimuli og hvorvidt influks av Ca2+ er involvert i regulering av de elektriske koblingene. I arbeidet som har vært utført i prosjektet har vi funnet holdepunkter for at glutamat, via aktivering av såkalte NMDA-reseptorer utløser influks av Ca2+ og at dette medfører en reversibel reduksjon i styrken av de elektriske koblingene. I tillegg har prosjektet undersøkt hvordan input til AII amakrincellene fra andre nerveceller integreres og hvordan integrasjonsprosessen kan påvirkes av styrken av de elektriske koblingene. Vi har utført eksperimenter der vi har fylt AII-celler med fluorescerende fargestoff, rekonstruert cellenes morfologi etter avbildning med 2-fotonmikroskopi og utført en detaljert morfometrisk analyse av cellens forgreiningsmønster. Fordi slike morfologiske rekonstruksjoner kan være ekstremt tidkrevende, har vi også utviklet programvare for semi-automatisk rekonstruksjon som krever betydelig mindre tid enn tradisjonell manuell rekonstruksjon. I neste omgang har vi kombinert morfologisk rekonstruksjon og elektrofysiologisk registrering til å konstruere computermodeller av de aktuelle nervecellene som har vært brukt til simulering av cellenes signalbehandling og synaptisk integrasjon. Prosjektet har anvendt en kombinasjon av elektrofysiologisk registrering fra par av elektrisk koblede nerveceller i intakt vev, farmakologisk manipulasjon, 2-foton- og konfokalmikroskopi og computermodellering og har økt vår innsikt i og forståelse av hvordan plastisitet av elektriske koblinger mellom nerveceller kan optimalisere signalbehandlingen i sentralnervesystemet.

During a 24 hour cycle, our eyes are exposed to intensities of light that vary by a factor of 10 log units. Our vision is fully operative throughout this range, despite the fact that the spike rate of retinal ganglion cells varies by only a factor of 2 lo g units. The visual system accomplishes this through retinal mechanisms that involve both photoreceptors and neural circuits. Whereas transduction and adaptation in photoreceptors are understood in molecular detail, very little is known about mechanisms o f adaptation postsynaptic to the photoreceptors. These mechanisms are thought to involve modulation of gap junction (electrical) coupling that channels the flow of visual signals into specific circuits and somehow optimizes these circuits for changing bac kground light intensity. The project aims to determine the cellular and molecular mechanisms that mediate the tuning of an electrically coupled network of retinal interneurons (AII amacrine cells) that plays an important role in visual processing across a wide range of light intensity, including starlight, twilight and daylight. Specifically, the involvement of dopamine, cAMP/PKA and CaMKII in regulating the strength of electrical coupling will be investigated. In addition, we will examine the intracellul ar Ca2+ dynamics of AII amacrines, potentially linking changes in Ca2+ to the regulation of coupling. Finally, the project aims to determine how synaptic integration and signal processing in AII amacrines are influenced by the strength of electrical coupl ing interacting with intrinsic ionic conductances. The project will use a combination of electrophysiological (single- and multi-electrode recording), pharmacological (perturbation of intracellular transduction via patch pipette perfusion), imaging (multi -photon excitation microscopy), and computational modeling methods and has the potential to advance our understanding of how plasticity of electrical synapses can optimize signal processing in the CNS.