Почему сетчатка продолжает работать в полной темноте

Когда мы закрываем глаза в темной комнате, кажется, что зрительная система наконец отдыхает. Света нет, изображение не формируется — значит, и светочувствительные клетки должны временно прекращать работу.

На самом деле всё происходит иначе. Именно в темноте фоторецепторы сетчатки поддерживают особое активное состояние, для которого им постоянно требуются кислород и энергия. Этот физиологический механизм называется темновым током.

Что происходит с фоторецепторами в темноте

Сетчатка — это тонкий слой нервной ткани на внутренней поверхности глаза. Она содержит два основных типа светочувствительных клеток: палочки, отвечающие преимущественно за зрение при слабом освещении, и колбочки, позволяющие различать цвета и мелкие детали.

В темноте палочки и колбочки находятся в относительно деполяризованном состоянии. В их мембранах остаются открытыми специальные каналы, через которые внутрь клетки непрерывно поступают положительно заряженные ионы натрия и кальция. Этот постоянный поток и называют темновым током.

Чтобы поддерживать необходимое соотношение ионов внутри и снаружи клетки, фоторецепторы постоянно используют молекулярные насосы и расходуют АТФ — основной источник энергии для клеточных процессов.

Поэтому отсутствие света не означает, что фоторецепторы выключены. Напротив, сохранение готовности к восприятию света требует от них активной метаболической работы.

Как свет меняет работу клеток

Когда фотон света попадает на зрительный пигмент, в фоторецепторе запускается цепочка биохимических реакций. Снижается концентрация циклического гуанозинмонофосфата, или цГМФ, и чувствительные к нему ионные каналы закрываются.

Поступление натрия и кальция уменьшается, а мембранный потенциал клетки становится более отрицательным. Этот процесс называется гиперполяризацией. Одновременно фоторецептор снижает выделение нейромедиатора глутамата.

Разные типы биполярных клеток сетчатки реагируют на это изменение по-разному. Так формируются отдельные сигнальные пути, одни из которых отвечают на появление света, а другие — на его исчезновение.

Следовательно, свет не просто «включает» или «выключает» зрение, а изменяет характер передачи сигнала между клетками сетчатки.

Почему в темноте требуется больше энергии

Поддержание темнового тока связано с постоянным движением ионов через клеточную мембрану. Чтобы восстанавливать их баланс, фоторецепторам приходится непрерывно расходовать энергию.

Исследования показывают, что в темноте наружные слои сетчатки потребляют больше кислорода, чем при освещении. Когда появляется свет и часть ионных каналов закрывается, нагрузка на механизмы, поддерживающие ионный баланс, уменьшается.

Однако это не означает, что при свете зрительная система становится неактивной. В это время последующие слои сетчатки и головной мозг обрабатывают поступающую зрительную информацию.

Таким образом, темнота особенно энергозатратна именно для фоторецепторов, а свет перераспределяет активность между различными звеньями зрительной системы.

Как сетчатка получает кислород и питательные вещества

Высокая потребность фоторецепторов в энергии требует постоянного кровоснабжения. При этом наружные слои сетчатки, где расположены фоторецепторы, не имеют собственных кровеносных сосудов.

Большую часть кислорода и питательных веществ они получают из хориоидеи — сосудистой оболочки, расположенной за пигментным эпителием сетчатки.

Внутренние слои сетчатки снабжаются другой системой — ретинальными сосудами. Такое двойное кровоснабжение помогает обеспечивать обмен веществ в разных слоях нервной ткани глаза.

Хориоидея отличается очень интенсивным кровотоком. Благодаря ей фоторецепторы получают кислород и глюкозу, необходимые не только для поддержания темнового тока, но и для постоянного обновления своих светочувствительных структур.

Сетчатка не просто воспринимает свет

В сетчатке человеческого глаза находятся десятки миллионов фоторецепторов: примерно 90–120 миллионов палочек и несколько миллионов колбочек. Но сетчатка работает не как простая матрица светочувствительных элементов.

Сигналы от фоторецепторов проходят через сеть биполярных, горизонтальных, амакриновых и ганглиозных клеток. Уже на этом этапе зрительная система сопоставляет сигналы из соседних участков, выделяет контрасты, границы объектов и изменения освещенности, а также реагирует на движение.

После такой предварительной обработки информация передается в головной мозг примерно по одному миллиону волокон зрительного нерва.

Поэтому сетчатка — не просто светочувствительный экран, а часть нервной системы, которая начинает анализировать изображение ещё до того, как сигнал покидает глаз.

Почему состояние сосудов важно для зрения

Сетчатка чувствительна к нарушениям кровоснабжения и обмена веществ. Повышенное артериальное давление и длительное повышение уровня глюкозы в крови могут повреждать её мелкие сосуды.

Такие изменения могут развиваться постепенно и некоторое время не вызывать заметного ухудшения зрения.

Во время осмотра глазного дна врач может оценить состояние сетчатки, её сосудов и диска зрительного нерва. Такой осмотр помогает выявлять признаки заболеваний глаз, а иногда и изменения, связанные с сахарным диабетом, артериальной гипертонией и другими системными состояниями.

При этом осмотр глаз не заменяет общую медицинскую диагностику. Обнаруженные изменения необходимо оценивать вместе с другими симптомами и результатами обследований.

Темнота не выключает зрительную систему

Зрение может казаться мгновенным и почти автоматическим процессом. Мы открываем глаза — и сразу видим окружающий мир. Но за этим ощущением стоит непрерывная работа фоторецепторов, других клеток сетчатки и головного мозга.

Даже в полной темноте сетчатка не выключается. Фоторецепторы продолжают поддерживать темновой ток и остаются готовыми отреагировать на появление света.

Поэтому первый утренний луч не запускает зрительную систему с нуля, а лишь меняет уже существующую электрическую активность клеток.

Источники

National Center for Biotechnology Information — Bipolar Cell Pathways in the Vertebrate Retina: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK11521/

National Center for Biotechnology Information — The Multifunctional Choroid: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2913695/

National Center for Biotechnology Information — Cellular and Physiological Mechanisms Underlying Blood Flow Regulation in the Retina and Choroid: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3418965/

National Eye Institute — Diabetic Retinopathy: https://www.nei.nih.gov/eye-health-information/eye-conditions-and-diseases/diabetic-retinopathy