光受容細胞

光受容細胞
網膜にある3種類の光感受性細胞のうちの2つである桿体と錐体の機能的部分
識別子
メッシュ	D010786
ニューロレックスID	sao226523927
ＦＭＡ	85613 86740, 85613
神経解剖学の解剖用語 [Wikidataで編集]

光受容細胞は、網膜に 存在する特殊なタイプの神経上皮細胞で、視覚的な光変換が可能です。光受容細胞の生物学的に非常に重要な点は、光（可視電磁放射）を生物学的プロセスを刺激できる信号に変換することです。より具体的には、細胞内の光受容タンパク質が光子を吸収し、細胞の膜電位の変化を引き起こします。

哺乳類の目には現在、桿体細胞、錐体細胞、および内因性光感受性網膜神経節細胞の3種類の光受容細胞が知られています。2つの典型的な光受容細胞は桿体細胞と錐体細胞で、それぞれが視覚系が環境の画像、つまり視覚を形成するために使用する情報を提供します。桿体細胞は主に暗所視（薄暗い条件）を媒介し、錐体細胞は主に明所視（明るい条件）を媒介しますが、光変換をサポートするプロセスはそれぞれ似ています。^[1]内因性光感受性網膜神経節細胞は1990年代に発見されました。^{[2]これらの細胞は視覚に直接寄与しないと考えられていますが、}概日リズムの同調と瞳孔反射に役割を果たしています。

各光受容体は、その細胞で発現する光受容体タンパク質によって決まるスペクトル感度(吸収率)に応じて光を吸収します。人間には 3 つの錐体クラス (L、M、S) があり、それぞれスペクトル感度が異なり、異なる波長の光子を「好みます」 (グラフを参照)。たとえば、S 錐体のスペクトル感度のピーク波長は約 420 nm (ナノメートル、波長の単位) であるため、他の波長よりも 420 nm の光子を吸収する可能性が高くなります。より長い波長の光でも S 錐体から同じ反応が得られますが、そのためにはより明るくする必要があります。

単変の原理に従い、光受容体の出力信号は吸収された光子の数にのみ比例します。光受容体は吸収した光の波長を測定できないため、それ自体では色を検出できません。むしろ、3 種類の錐体細胞の反応の比率によって波長を推定し、色覚を可能にします。

桿体と錐体の光受容器は網膜の最外層にあり、どちらも基本的な構造は同じです。視野に最も近い（そして脳から最も遠い）のは軸索終末で、ここからグルタミン酸と呼ばれる神経伝達物質が双極細胞に放出されます。さらに奥には細胞体があり、細胞器官が含まれています。さらに奥には内節があり、これはミトコンドリアで満たされた細胞の特殊な部分です。内節の主な機能は、ナトリウム-カリウムポンプにATP（エネルギー）を供給することです。最後に、脳に最も近く（そして視野から最も遠い）にあるのは外節で、これは光を吸収する光受容器の部分です。外節は実際には繊毛が変化したもので^{[5] [6] 、}オプシン（光子を吸収する分子） で満たされたディスクと電位依存性ナトリウムチャネルが含まれています。

膜状の光受容体タンパク質 オプシンには、レチナールと呼ばれる色素分子が含まれています。桿体細胞では、これらはまとめてロドプシンと呼ばれます。錐体細胞には、レチナールと結合してフォトプシンと呼ばれる色素を形成するさまざまな種類のオプシンがあります。錐体内の3つの異なるクラスのフォトプシンは、異なる範囲の光周波数に反応し、視覚系が色を変換できるようにする選択性を備えています。光受容体細胞の機能は、光子の光情報を、神経系に伝達でき、生物がすぐに使用できる情報形式に変換することです。この変換はシグナル伝達と呼ばれます。

網膜の本来光感受性の神経節細胞に含まれるオプシンはメラノプシンと呼ばれます。これらの細胞は、概日リズムの調節、瞳孔反射、光に対するその他の非視覚的反応など、（日光の）光の存在に対する脳と体のさまざまな反射反応に関与しています。メラノプシンは機能的に無脊椎動物のオプシンに似ています。

脊椎動物の光受容器のほとんどは網膜にあります。網膜における桿体と錐体（およびそのクラス）の分布は網膜モザイクと呼ばれています。人間の網膜にはそれぞれ約 600 万個の錐体と 1 億 2000 万個の桿体があります。^[8] 網膜の「中心」（水晶体の真後ろの点）には中心窩（または中心窩）があり、そこには錐体細胞のみが含まれています。この領域は最高の視力または最高の解像度を生み出すことができます。網膜の残りの部分では、桿体と錐体が混在しています。盲点、つまり神経節細胞繊維が視神経に集まり、眼から出る領域には光受容器がありません。^[9]錐体クラス（L、M、S）の分布も不均一で、中心窩には S 錐体は存在せず、L 錐体と M 錐体の比率は個人によって異なります。

桿体と錐体の数と比率は種によって異なり、動物が主に昼行性か夜行性かによって異なります。夜行性のモリフクロウ^[10]などの特定のフクロウは、網膜に膨大な数の桿体を持っています。他の脊椎動物も、単色型から五色型まで、錐体のクラスの数が異なります。

視覚信号の経路は光変換カスケードによって説明されます。これは、光子のエネルギーが細胞内のメカニズムに信号を送り、電気分極を引き起こすメカニズムです。この分極は最終的に、視神経を介して脳に送られる神経信号の伝達または抑制につながります。脊椎動物の桿体/錐体光受容体からの光変換経路に適用される手順は次のとおりです。

1. 外節の円板膜にある脊椎動物の視覚オプシンは光子を吸収し、タンパク質内の網膜 シッフ塩基 補因子の構成をシス型からトランス型に変化させ、網膜の形状を変化させます。
2. その結果、一連の不安定な中間体が生成され、その最後の中間体は膜内のトランスデューシンと呼ばれるG タンパク質にさらに強く結合し、それを活性化します。これが最初の増幅ステップです。光活性化オプシン 1 つごとに約 100 個のトランスデューシンが活性化されます。
3. 次に、各トランスデューシンはcGMP 特異的ホスホジエステラーゼ(PDE) という酵素を活性化します。
4. 次に、PDE は cGMP を 5' GMP に加水分解する触媒作用をします。これが 2 番目の増幅ステップで、単一の PDE が約 1000 個の cGMP 分子を加水分解します。
5. 細胞内 cGMP の正味濃度は低下し (PDE による 5' GMP への変換により)、光受容体外節膜にある環状ヌクレオチド依存性 Na ^{+イオンチャネルが閉じます。}
6. その結果、ナトリウムイオンは細胞内に入ることができなくなり、膜内の電荷がより負に帯電するため、光受容体外節膜は過分極します。
7. この細胞膜電位の変化により、電位依存性カルシウムチャネルが閉じます。これにより、細胞内へのカルシウムイオンの流入が減少し、細胞内のカルシウムイオン濃度が低下します。
8. 細胞内カルシウム濃度の低下は、カルシウム誘導性エキソサイトーシスによって双極細胞に放出されるグルタミン酸の減少を意味します（下記参照）。（カルシウム濃度の低下により、シナプス後双極細胞と水平細胞を興奮させる神経伝達物質グルタミン酸の放出が遅くなります。）
9. 内節から供給される ATP は、ナトリウム - カリウム ポンプに動力を与えます。このポンプは、細胞内に入るナトリウム イオンを取り出して外に送り出すことで、外節の初期状態をリセットするために必要です。

ほとんどの感覚受容器細胞とは異なり、光受容器は刺激を受けると実際に過分極し、逆に刺激を受けないと脱分極します。つまり、細胞が刺激を受けていないときはグルタミン酸が継続的に放出され、刺激を受けると放出が止まります。暗闇では、細胞内の環状グアノシン 3'-5' 一リン酸(cGMP) の濃度が比較的高く、cGMP 依存性イオンチャネルが開きます。これらのチャネルは非特異的で、開いているときはナトリウムイオンとカルシウムイオンの両方が移動できます。これらの正に帯電したイオンが細胞内に移動すると (それぞれの電気化学的勾配によって駆動)、膜が脱分極し、神経伝達物質であるグルタミン酸が放出されます。

刺激を受けていない（暗い）状態では、環状GMP（cGMP）が結合しているため、外節の環状ヌクレオチド依存性チャネルは開いています。そのため、正に帯電したイオン（つまりナトリウム イオン）が光受容体に入り、約-40 mVに脱分極します（他の神経細胞の静止電位は通常-65 mVです）。この脱分極電流は、暗電流と呼ばれることがよくあります。

光受容体（桿体と錐体）は双極細胞に信号を伝達し、双極細胞は網膜神経節細胞に信号を伝達する。網膜神経節細胞の軸索は集合的に視神経を形成し、それを介して脳に投射される。^[8]

桿体と錐体の光受容器は、軸索末端の双極細胞への神経伝達物質グルタミン酸の放出を減少させることで、光子の吸収を知らせます。光受容器は暗闇で脱分極するため、暗闇では多量のグルタミン酸が双極細胞に放出されます。光子を吸収すると光受容器が過分極し、その結果、双極細胞の シナプス前末端でのグルタミン酸の放出が減少します。

すべての桿体または錐体光受容器は、同じ神経伝達物質であるグルタミン酸を放出します。しかし、双極細胞におけるグルタミン酸の効果は、その細胞の膜に埋め込まれた受容体の種類によって異なります。グルタミン酸がイオンチャネル型受容体に結合すると、双極細胞は脱分極します（したがって、放出されるグルタミン酸が少なくなるため、光に対して過分極します）。一方、グルタミン酸が代謝型受容体に結合すると過分極が起こり、放出されるグルタミン酸が少なくなるため、この双極細胞は光に対して脱分極します。

本質的に、この特性により、すべての光受容体が光に対して同じ反応を示すにもかかわらず、光によって興奮する双極細胞の集団と光によって抑制される別の集団が存在することになります。この複雑さは、色、コントラスト、エッジなどを 検出するために重要かつ必要になります。

桿体と錐体における光情報伝達は、刺激（この場合は光）が細胞の反応または発火率を低下させるという点で、他のほとんどの感覚システムとは異なり、刺激が細胞の反応または発火率を上昇させるのとは異なります。この違いは、重要な機能的結果をもたらします。

1. 古典的な（桿体または錐体）光受容体は暗闇では脱分極し、多くのナトリウムイオンが細胞に流入する。したがって、ナトリウムチャネルのランダムな開閉は細胞の膜電位に影響を与えない。光子の吸収による多数のチャネルの閉鎖のみが膜電位に影響を与え、視野内に光があることを知らせる。このシステムは、触覚や嗅覚などの刺激に反応して神経発火率を高める感覚伝達スキーマに比べてノイズが少ない可能性がある。
2. 古典的な光変換の 2 段階では、多くの増幅が行われます。1 つの色素が多くのトランスデューシン分子を活性化し、1 つの PDE が多くの cGMP を切断します。この増幅は、1 つの光子の吸収でさえ膜電位に影響を与え、光が視野内にあることを脳に知らせることを意味します。これが、桿体光受容体と錐体光受容体を区別する主な特徴です。桿体は非常に敏感で、錐体とは異なり、単一の光子を感知する能力があります。一方、錐体は、桿体とは異なり、光変換の増幅速度に関して非常に速い速度で動くことが知られています。

人間の桿体細胞と錐体細胞の比較、Eric Kandelら著「神経科学の原理」より。^[11]

桿体、S 錐体、M 錐体の分化を媒介する主要なイベントは、RORbeta、OTX2、NRL、CRX、NR2E3、TRbeta2 などのいくつかの転写因子によって誘導されます。S 錐体の運命は、デフォルトの光受容体プログラムを表しますが、異なる転写活性によって桿体または M 錐体の生成が起こる可能性があります。L 錐体は霊長類に存在しますが、研究にはげっ歯類が使用されているため、その発生プログラムについてはあまりわかっていません。光受容体の発生には、多能性網膜前駆細胞 (RPC) の増殖、RPC の能力の制限、細胞運命の指定、光受容体遺伝子の発現、そして最後に軸索の成長、シナプスの形成、外節の成長という 5 つのステップがあります。

初期のノッチシグナル伝達は前駆細胞の循環を維持する。光受容体前駆細胞は、ノッチシグナル伝達の阻害と、achaete-scute ホモログ 1 を含むさまざまな因子の活性増加によって生じる。OTX2 活性は、細胞を光受容体の運命に委ねる。CRX はさらに、発現する光受容体固有の遺伝子パネルを定義する。NRL 発現は、桿体の運命につながる。NR2E3 は、錐体遺伝子を抑制することで、細胞を桿体の運命にさらに制限する。RORbeta は、桿体と錐体の両方の発達に必要である。TRbeta2 は、M 錐体の運命を媒介する。前述の因子のいずれかの機能が除去されると、デフォルトの光受容体は S 錐体になる。これらのイベントは、種によって異なる時期に発生し、さまざまな表現型をもたらす複雑な活動パターンを含む。これらの制御ネットワークが破壊されると、網膜色素変性症、黄斑変性症、またはその他の視覚障害が生じる可能性がある。^[12]

内因性光感受性網膜神経節細胞（ipRGC）は網膜神経節細胞のサブセット（≈1～3％）であり、他の網膜神経節細胞とは異なり、光感受性タンパク質であるメラノプシンの存在により内因性光感受性である。そのため、ipRGCは桿体細胞と錐体細胞に加えて、第3のクラスの光受容体を構成します。^[13]

ヒトでは、ipRGCは概日リズム、行動、瞳孔対光反射などの非画像形成機能に寄与している。^[14]受容体のピークスペクトル感度は460～482 nmである。 ^{[14]ただし、}意識的な視覚と明るさの検出を可能にする基本的な視覚経路にも寄与している可能性がある。 ^[14]古典的な光受容体（桿体と錐体）も新しい視覚系に寄与し、色の恒常性に寄与している可能性がある。ipRGCは、神経節細胞に影響を及ぼす緑内障など、世界中の失明の主な原因を含む多くの疾患の解明に役立つ可能性があり、受容体の研究は失明の治療法を見つけるための新たな道としての可能性を秘めている。

ipRGCは、2007年に桿体も錐体もないヒトを対象に行われた画期的な実験でのみ、ヒトで明確に検出された。^{[15] [16]}他の哺乳類で発見されていたように、ヒトの非桿体非錐体光受容体の正体は、内網膜の神経節細胞であることが判明した。研究者らは、古典的な桿体と錐体の光受容体の機能を消失させながらも神経節細胞の機能は温存している稀な疾患の患者を追跡した。^{[15] [16]}桿体も錐体もないにもかかわらず、患者は概日リズム同調、概日リズム行動パターン、メラノプシン抑制、瞳孔反応を示し続け、環境光と実験光に対するピークスペクトル感度はメラノプシン光色素のそれと一致していた。患者の脳は、この周波数の光を視覚と関連付けることもできた。

桿体と錐体の光受容器は、ほぼすべての脊椎動物に共通しています。哺乳類以外の脊椎動物では松果体と傍松果体は光受容性がありますが、哺乳類ではそうではありません。鳥類は、眼や神経伝達物質からの入力がない場合でも光に反応する、室傍器官内に光活性脳脊髄液（CSF）接触ニューロンを持っています。^[17] 昆虫や軟体動物などの生物の無脊椎動物の光受容器は、形態学的組織と基礎となる生化学的経路の両方が異なります。この記事では、人間の光受容器について説明します。

• 視覚光伝達
• Gタンパク質共役受容体
• 感覚システム
• 光感受性
• 光感受性神経節細胞
• 水平セル
• 双極細胞
• アマクリン細胞

• キャンベル、ニール A. & リース、ジェーン B. (2002)。生物学。サンフランシスコ：ベンジャミン・カミングス。pp. 1064–1067。ISBN 0-8053-6624-5。
• フリーマン、スコット (2002)。生物科学 (第 2 版)。ニュージャージー州エングルウッドクリフス: プレンティスホール。pp. 835–837。ISBN 0-13-140941-7。

• ウィキメディア・コモンズにおける光受容細胞に関連するメディア
• NIF 検索 –神経科学情報フレームワークによる光受容細胞