Beyin görsel bilgiyi 3 aşamada analiz eder

... konulu sunumlar: "Beyin görsel bilgiyi 3 aşamada analiz eder"— Sunum transkripti:

1 Beyin görsel bilgiyi 3 aşamada analiz eder
Düşük-seviye  lokal kontrast, oryantasyon, renk ve hareket gibi görsel özelliklerin ayırt edilmesi Ara-seviye  görsel sahnenin planı, yüzey özellikleri, önplanın arkaplandan ayırt edilmesi Yüksek-seviye  nesne tanıma

2 Retinada Görsel İşlenme

3 Işık kornea ve lens tarafından odaklanır, vitreus humorden geçerek fotoreseptörlere ulaşır. Pigment epitelindeki hücrelerde bulunan melanin retinanın yakalayamadığı ışığı absorbe eder. Işığın gözün arkasından retinaya tekrar yansıması sonucu görüntünün bozulması önlenir. Fotopigmentlerin yenilenmesinde ve fotoreseptör disklerinin fagositozunda önemli rol oynar. Foveada proksimal retinal nöronların aksonları kenara kaymış olduğu için fotoreseptörlere ulaşan görüntüdeki deformasyon en azdır.

4 İki tip fotoreseptör vardır: Koniler ve basiller
Koniler basillerin 20 de biri olmasına rağmen uzaysal çözünürlükleri iki nedenle daha iyidir: 1. Konverjansın az olması 2. Görüntünün en az bozulmaya uğradığı foveada bulunmaları.

5 En düşük ışık seviyesinde yalnız basiller aktiftir = skotopik görme
Koniler “starlight” ışık seviyesinde görsel algıya katılmaya başlarlar. Aydınlık arttıkça konilerin katkısı artar. Oda ve güneş ışığında yalnız koniler görsel algıyı oluşturur = fotopik görme Alacakaranlıkta hem basil hem de koniler aktiftir = mezopik görme

6 Dış segment fototransdüksiyon için özelleşmiştir
Dış segment fototransdüksiyon için özelleşmiştir. Işığı absorbe eden görme pigmentlerini içerir. Dış segmentte membranın katlanması ile oluşan diskler bulunur. Dış segment devamlı yenilenir, yeni diskler oluşurken eski diskler pigment epitel hücrelerinin fagositik aktiviteleri aracılığı ile uzaklaştırılır. İç segment hücrenin çekirdeğini ve biyosentetik yapılarını içerir. Sinaptik terminal hedef hücrelerle bağlantı kurar.

7 Fototransdüksiyon Karanlıkta cGMP konsantrasyonu yüksektir.
cGMP-kapılı kanallardan sodyum iyonlarının hücreye girmesi ile hücre depolarize durumda tutulur. Fototransdüksiyon üç evrede oluşur: (1) Işık görme pigmentlerini aktifler; (2) bu aktiflenmiş moleküller cGMP fosfodiesterazı uyarır; (3) cGMP konsantrasyonundaki azalma sonucu cGMP-kapılı kanalların kapanması ile fotoreseptör hiperpolarize olur.

8 Evre 1: Işık pigment moleküllerini aktifler
Basillerdeki görme pigmenti rodopsindir. Rodopsin = Opsin Retinal (A Vit. derivatı) (protein) (ışığı-absorbe eden kısım)

9 11-sis retinal opsin ışık    all-trans retinal metarodopsin II Metarodopsin II  opsin + all-trans retinal All-trans retinal pigment epitel hücrelerine taşınır ve all-trans retinole (A Vitamini, 11-sis retinalin prekürsörü) dönüştürülerek basillere geri taşınır. Konilerde görme pigmenti = Koni opsini sis retinal Her bir koni pigmenti koni opsininin farklı bir izoformunu içerir.

10 Evre 2: Pigment moleküllerinin aktiflenmesi cGMP konsantrasyonunu azaltır
Işık ile pigment moleküllerinin aktiflenmesi bir G proteinini uyararak (basillerdeki transdusindir) cGMP fosfodiesterazı aktifler. Bu enzim cGMP’yi 5’GMP’ye parçalar. İnaktif transdusine GDP bağlıdır. Aktif rodopsin ile etkileşince GDP’yi GTP ile değiştirir ve aktiflenir.

11 Tek bir rodopsin molekülünün bir foton ile aktivasyonu saniyede 105 cGMP molekülünün yıkılmasına neden olur  yüksek sinyal amplifikasyonu Bir rodopsin  102 trandusini aktifler, Her bir transdusin  Bir fosfodiesterazı aktifler, Bir cGMP fosfodiesteraz  saniyede 103 cGMP’yi hidrolize eder.

12 Işığa yanıt iki mekanizma ile sonlanır:
Trandusin GTP’yi hidrolize ederek (GTPaz aktivitesi ile) kendisini inaktif duruma getirir. Aktiflenmiş rodopsin opsin kinaz ile fosforillenir. Fosforillenmiş rodopsin düzenleyici bir protein olan arrestin ile etkileşerek inaktiflenir.

13 Evre 3: cGMP konsantrasyonunda azalma cGMP-kapılı iyon kanallarını kapatır, fotoreseptör hiperpolarize olur Karanlıkta iki akım baskındır: cGMP kapılı kanallardan içeri doğru & kapısız K+ kanallarından dışarı doğru akım. Na+-K+ pompası Na+ ve K+ konsantrasyonlarını belirli seviyede tutar. Karanlıkta membran potansiyeli -40 mV civarıdır. Işıkta cGMP kapılı kanallardan içeri doğru olan akım azalır ve hücre hiperpolarize olur. Işığın şiddetine göre hiperpolarizasyon ila -70 mV arasıdır.

14 Fotoreseptörler ışık şiddetindeki değişikliklere yavaş adapte olurlar
Karanlığa veya aydınlığa adaptasyon sırasında konilerde iki önemli değişiklik oluşur: Işığa adaptasyon Membran potansiyelinin yavaşça eski haline dönmesi: Parlak bir ışık tüm cGMP kapılı kanalları kapatır (-70mV)  eğer ışık devam ederse membran -70 ila -40 mV arası bir potansiyele depolarize olur  daha yüksek şiddette bir ışığa yanıt verebilir. Reseptörün duyarsızlaşması: Uzun süren bir ışıkta, membran potansiyelinde değişiklik oluşturabilen ışık şiddetindeki fark artar.  Konilerin dış segmentinde Ca+2 un azalmasına bağlı

15 Kalsiyum fototransdüksiyon yolağında çeşitli proteinlerin işlevini düzenler;
Karanlıkta Ca+2 cGMP-kapılı kanallardan dış segmente girer; bir taşıyıcı ile dışarı atılarak konsantrasyonu belirli seviyede tutulur. Uzun süren bir aydınlanmada; cGMP-kapılı kanallar kapanır  Ca+2 girişi azalır  çıkış devam ettiğinden Ca+2 konsantrasyonu azalır. 1. Ca+2 un guanil siklaz üzerindeki inhibe edici etkisi azalır  cGMP sentezi yavaşça artar  cGMP-kapılı kanallar yeniden açılır  koniler depolarize olur. 2. a) Görme pigmentlerinin inaktivasyonu hızlanır, böylece bir ışık uyaranının cGMP fosfodiesterazı aktive edici etkisi azalır. b) cGMP-kapılı kanalların cGMP değişikliklerine duyarlılığı azalır.   Aynı sayıda cGMP-kapılı kanalın kapanabilmesi için daha şiddetli bir ışık gerekir

16 Retinanın çıktısı gangliyon hücreleri tarafından taşınır
Fotoreseptörler ışığa membran potansiyellerindeki kademeli değişiklik ile yanıt verirler. Gangliyon hücreleri ise ışık bilgisini aksiyon potansiyelleri ile taşırlar. Fotoreseptörler ile gangliyon hücreleri arasında üç tip aranöron vardır: bipolar, horizontal ve amakrin hücreler. Fotoreseptörlerden gelen sinyalleri birleştirirler. Basil ve koni sinyalleri aynı gangliyon hücresinde sonlanır. Herbir gangliyon hücresi aydınlanmanın seviyesine göre hem koni hem de basil girdilerine yanıt verir.

17 Fotoreseptörler dış nükleer, aranöronlar iç nükleer, gangliyon hücreleri ise gangliyon hücre tabakasında bulunurlar. Fotoreseptörler, bipolar ve horizontal hücreler dış pleksiform tabakada; bipolar, amakrin ve gangliyon hücreleri ise iç pleksiform tabakada sinaps yaparlar.

18 Gangliyon hücresinin reseptif alanı
Gangliyon hücresinin monitörize ettiği retina alanıdır. --- Kabaca daireseldir. --- İki bölüme ayrılır: merkez (center) ve çevre (surround). Gangliyon hücrelerinin reseptif alanı foveada küçük, retina periferinde geniştir. Gangliyon hücreleri reseptif alanlarının merkez ve çevresinin farklı aydınlanmasına optimal olarak yanıt verir. Reseptif alanlarının merkezine uygulanan ışığa verdikleri yanıta göre iki tip gangliyon hücresi vardır: On-center ve off-center hücreler

19 Her iki tip hücrede de reseptif alanın çevresine uygulanan ışık, merkeze uygulanan ışığın oluşturduğu yanıtı ortadan kaldırır. Bu nedenle tüm reseptif alanın difüz aydınlanması yalnızca küçük bir yanıt oluşturur. On-center ve off-center hücreler kabaca eşit sayıdadır. Her fotoreseptör ikisine de output gönderir. Görsel bilginin işlenmesi için iki paralel yolak oluşur.

20 Merkez-çevre organizasyonu görme alanındaki kontrast bilgisinin tespit edilmesi için bir adaptasyondur. Nesnelerin algılanması ışık kaynağının şiddetine değil nesne ve arka planı arasındaki kontrasta dayanır. Bir gangliyon hücresinin ateşleme oranı merkez ve çevreyi aydınlatan ışığın şiddetleri arasındaki farkın bir ölçümüdür.

21 Paralel on-center ve off-center yolaklar görsel sistemin performansını arttırır çünkü her bir gangliyon hücresi aydınlanmadaki ya hızlı artışa ya da azalmaya en iyi yanıt verir. On-center hücrenin ateşleme oranı alaca karanlıkta düşüktür; ateşlemedeki hızlı artış, merkezde ışık şiddetinin hızla arttığını gösterir. Off-center hücrenin ateşleme oranı ışıkta düşüktür; ateşlemedeki hızlı artış, merkezde ışık şiddetinin hızla azaldığını gösterir. Gangliyon hücreleri iki sınıftır: magno ve parvo. Her bir sınıf hem on-center hem de off-center hücreleri içerir.

22 Aydınlanma uzun sürerse on-center gangliyon hücresinin deşarjı azalır
Aydınlanma uzun sürerse on-center gangliyon hücresinin deşarjı azalır. Aydınlanma azalırsa zaten bu hücrelerin düşük olan deşarjının daha da azalması güvenilir bir sinyal olmaz. Halbuki off-center hücreler bu uyarıya ateşleyerek yanıt verirler.

23 On- ve off-center bipolar hücreler tek bir koniden gelen sinyal için paralel yolaklar oluşturur
Her bir koni hem on-center hem de off-center bipolar hücrelerle sinaps yapar. Her bir bipolar hücre aynı tip gangliyon hücresi ile sinaps yapar. Karanlıkta koniler depolarize olduğundan glutamat salınır. Glutamat on-center bipolar hücreleri inhibe eder (hiperpolarizasyon, K+ kanallarını açar veya Na+ kanallarını kapatır), off-center bipolar hücreleri uyarır (depolarizasyon, Na+ kanallarını açar). Işıkla koniler hiperpolarize olunca glutamat salınımı azalır. On-center hücreler depolarize, off-center hücreler hiperpolarize olur.

24 Off-center bipolar hücrelerde glutamatın iyonotropik reseptörleri (AMPA ve kainat) var. Fotoreseptörden salınan glutamat depolarizasyona neden olur  sign-conserving On-center bipolar hücrelerde G-proteinle eşleşen metabotropik glutamat reseptörleri (mGluR6) var. Glutamat ile bağlanınca cGMP-kapılı Na+ kanallarını kapatan bir kaskadı aktifler. Hiperpolarizasyon olur  sign-inverting

25

26 On-center gangliyon hücresinin spot ışığına karşı deşarj oranı-spotun reseptif alanının merkezinden uzaklığının bir fonksiyonu olarak. X eksenindeki sıfır merkeze karşılık gelir.

27 Reseptif alanları aydınlık-karanlık bir kenar boyunca dağılan hipotetik bir grup on-center gangliyon hücresinin yanıtları. Aktivitesi en fazla etkilenen nöronlar reseptif alanları aydınlık-karanlık sınırı boyunca uzananlardır (B ve D).

28 Tek bir on-center gangliyon hücresinin reseptif alanının merkezindeki küçük bir ışık noktasına karşı deşarj oranı. Her bir eğri sabit bir arkaplan aydınlanma seviyesinde (en yükseği 0) farklı şiddetteki noktalar ile uyarılan deşarj oranını gösteriyor. Yanıt oranı 1 log birim aralığı boyunca uyaran şiddetine orantılıdır ama işlediği aralık arkaplan aydınlanması arttıkça sağa kayar.

29 Konilerden gangliyon hücrelerine bilgiler iki yolakla iletilir
Bipolar hücreler konilerden gelen sinyalleri gangliyon hücrelerine ya doğrudan (reseptif alanın merkezindeki koniler) ya da özellikle horizontal hücreler aracılığı ile dolaylı olarak (reseptif alanın çevresindeki koniler) taşırlar. Horizontal hücreler uzaktaki konilerden gelen bilgileri, bipolar hücreye, bipolar hücrenin reseptif alanının merkezindeki konilere taşıyarak iletirler.

30 Bipolar hücrelerin reseptif alanları da merkez-çevre organizasyonuna sahiptir.
On-center bipolar hücrede merkez-çevre antagonizması: Horizontal hücre hem on-center bipolar hücrenin çevresindeki bir koniden input alıyor hem de bipolar hücrenin reseptif alanının merkezindeki postsinaptik bir koni ile bağlantı yapıyor. Bipolar hücrenin çevresindeki koniler ışık uygulanınca hiperpolarize olur  postsinaptik horizontal hücre hiperpolarize olur  horizontal hücre tarafından salınan inhibitör transmitterin salınımı azalır  reseptif alanın merkezindeki koniler depolarize olur  on-center bipolar hücrenin hiperpolarize olmasına neden olur.

31 Fotoreseptörden salınan glutamat horizontal hücrede depolarize edici (sign-conserving), horizontal hücreden salınan GABA fotoreseptör terminalinde hiperpolarize edici (sign-inverting) etkiye sahiptir. Horizontal hücre ağından inputların net etkisi fotoreseptörün membran potansiyelinde fototransdüksiyon ile indüklenen değişikliklere karşıttır.