Effect of luminance on response properties of retinal ganglion cells

Abstract

The mammalian visual system operates over an impressive range of brightness levels covering more than ten orders of magnitude. To ensure efficient encoding in such conditions, the visual system ‘measures’ ambient light intensity and adapts to it. Light adaptation begins at the very first steps of vision – in the retina, and already there it encompasses more than just a shift of operational range of neurons. The retinal circuits undergo complex reconstructions, which include changing the connection strength between neurons and using different pathways to process visual signals. Extent, localization, mechanisms, and functions of light adaptation-induced changes in the retinal circuits are largely unknown. In my work I present the results of systematic tracking of light level influence on basic response properties of ganglion cells of the mouse retina. In particular, I tested how luminance levels affect contrast adaptation and responses to simple full-field contrast steps. By using multi-electrode array recordings, I was able to record from the same ganglion cells for many hours and to test each cell with the same stimulus at different luminance levels. This approach provides sampling from many ganglion cells and therefore sheds light onto the big picture of luminance effects on retinal function. This experimental approach, combined with the use of mutant mouse models with only one functional photoreceptor type, allowed me to establish the conditions in vitro under which the retina is driven primarily by rods, by a mixture of rod- and cone-signals, and primarily by cones. I show that the latter regime, so-called photopic, is restricted to a very narrow brightness range in vitro, and depends on experimental duration: too bright light can reactivate the rods. After identifying reliable conditions to characterize retinal processing, I show that the light level has a larger impact on contrast adaptation than previously appreciated, in particular on the firing rate and kinetics adaptation. I also found ON ganglion cells with a novel type of adaptation strategy, and show that this strategy is luminance-dependent. Finally, I analyzed the response structure of ON and OFF ganglion cells to full-field contrast steps and show that responses to such a simple stimulus – in particular responses to light increments – are greatly affected by the ambient light level, to the extent when the cell could behave qualitatively different at different brightness. I show that nearly all OFF ganglion cells display ON responses at least at some light levels, and discuss possible implications for the processing of natural stimuli.

Das Sehsystem der Säugetiere funktioniert über einen Helligkeitsbereich, der mehr als zehn Größenordnungen umfasst. Um effektives Arbeiten unter solchen Bedingungen sicherzustellen, „misst“ das Sehsystem die durchschnittliche Helligkeit und adaptiert entsprechend. Lichtadaptation beginnt bei den ersten Schritten des Sehens in der Netzhaut. Selbst dort passiert bereits weit mehr als ein einfaches Verschieben des Arbeitsbereiches der Nervenzellen. Die neuronalen Schaltkreise in der Netzhaut erfahren einen komplexen Umbau, der Änderungen der Verknüpfungsstärke zwischen Neuronen beinhaltet, sowie die Benutzung unterschiedlicher Leitungsbahnen, um die Sehsignale zu verarbeiten. Das Ausmaß, die Lokalisation, die Mechanismen, und die Funktion der durch Lichtadaptation verursachten Änderungen in den Schaltkreisen der Netzhaut sind zu einem großen Teil unbekannt.

In meiner Dissertation zeige ich den Einfluss von systematischen Helligkeitsänderungen auf grundlegende Antworteigenschaften von Ganglienzellen in der Mäusenetzhaut. Insbesondere untersuchte ich, wie Helligkeitsänderungen sich auf Kontrastadaptation auswirken, und wie sich die Antworten zu Ganzfeldstimulation ändern. Mithilfe von Multielektrodenarrays konnte ich über viele Stunden hinweg die Aktivität der gleichen Ganglienzellen ableiten, und deren Lichtantworten unter verschiedenen Helligkeitsbedingungen charakterisieren. Dieser Ansatz ermöglicht es, viele Ganglienzellen gleichzeitig abzuleiten und daher eine Übersicht über allgemeingültige Einflüsse von Helligkeitsunterschieden auf Netzhautantworten zu gewinnen.

Dieser Versuchsansatz – in Kombination mit Mausmutanten, die nur einen funktionellen Photorezeptortyp besitzen – erlaubte es mir, die Versuchsbedingungen zu definieren, bei denen Netzhautantworten hauptsächlich von Stäbchenaktivität getrieben werden, von einer Mischung aus Stäbchen- und Zapfenaktivität, und ausschließlich von Zapfenaktivität. Ich konnte zeigen, dass der letztere Funktionsmodus, das sogenannte photopische Sehen, in vitro auf einen sehr engen Helligkeitsbereich beschränkt ist, der außerdem von der Versuchsdauer abhängt. Zu helles Licht kann zu Reaktivierung der Stäbchen führen. Nachdem ich verlässliche Versuchsbedingungen bestimmt hatte, um die Signalverarbeitung in der Netzhaut charakterisieren zu können, wies ich nach, dass die absolute Helligkeit einen größeren Einfluss auf Kontrastadaptation hat als dies vorher bekannt war. Insbesondere betroffen waren die Adaptation der Gesamtaktivität (Feuerrate) und der Antwortkinetik. Ich beschreibe ON Ganglienzellen, die eine neuartige Adaptationsstrategie ausweisen, die von der Helligkeit abhängig ist. Als letztes untersuchte ich die Antwortstruktur von ON und OFF Ganglienzellen auf Ganzfeld Stimuli (schrittweise Erhöhung der Helligkeit oder Abdunklung). Die Antworten zu diesem einfachen Stimulus – insbesondere Erhöhung der Helligkeit – sind sehr stark von der Hintergrund-Helligkeit abhängig. Dies führt so weit, dass viele Zellen qualitativ unterschiedliche Antwortmuster bei unterschiedlichen Helligkeiten aufweisen. Ich konnte zeigen, dass nahezu alle OFF Ganglienzellen auch ON Antworten haben, zumindest bei vereinzelten Helligkeitstufen. Ich erörtere die möglichen Auswirkungen dieser Befunde auf die Verarbeitung von natürlichen Lichtreizen.