Keglecelle

Keglecelle
Tværsnit af nethinden. I den højre halvdel af tegningen er en enkelt keglecelle i midten omgivet af stavceller over og under den.
Lokalitet	Retina
Funktion	Højlys- og farvefotoreceptor
Morfologi	Lang og smal med kegleformet endeparti.
Presynaptiske forbindelser	Ingen
Postsynaptiske forbindelser	Bipolære celler

Normaliserede responsivitetsspektre for menneskelige kegleceller, S(kort), M(medium) og L(lang) typer. Vertikal akse: Responsivitet. Horisontal akse: Bølgelængde i nanometer.

En keglecelle, eller kegle, er en af de fotoreceptorceller i øjets nethinde, der fungerer bedst i relativt stærkt lys og giver mulighed for farvesyn, med større synsstyrke end den anden type fotoreceptor, stavceller, der er mere følsomme over for svagt lys og mangler farveadskillende evne. Mens stavceller er ansvarlige for nattesynet hos mennesker og dominerer hos nataktive hvirveldyr, er keglecellerne mere tilpasset synet i det skarpe dagslys, hvor de letter farveopfattelsen og den visuelle registrering af finere detaljer og hurtigere ændringer i billeder, end stavcellerne gør.

Menneskets evne til farvesyn afhænger af hjernens evne til at konstruere farver baseret på dens modtagelse af nervesignaler fra tre typer af kegleceller, der hver især er følsomme over for et andet område af det visuelle spektrum af lys som bestemt af typen af fotopsin (et fotoreceptorkompleks bestående af et protein bundet til et lysresponsivt molekyle) i det. De tre typer af fotopsin – og de tre typer af kegleceller – reagerer på forskellige måder på farvevariationer og gør det muligt at se trikromatisk. Nogle hvirveldyr rapporteres dog at have fire typer kegleceller, hvilket giver dem tretrachromatisk syn. Delvis eller fuldstændigt tab af funktion af et eller flere af de forskellige keglesystemer kan forårsage farveblindhed.

Systemet af kegler og stave giver et komplementært system hos mennesker, der gør det muligt at se både i svagt lys (stave) og at se en mangfoldighed af farver i lysere lys (kegler). Kegler gør det muligt for mennesker at opleve den store skønhed, som farver tilføjer, hvad enten det drejer sig om en blomst i naturen, et abstrakt maleri eller farven på ens øjne. Selv om der kun er tre standardfarvedetekterende kegler på den menneskelige nethinde, siges de forskellige farvegradueringer, som disse giver mulighed for, kombineret med hjernens evne til at kombinere disse variationer eksponentielt, at gøre det muligt for den gennemsnitlige person at skelne omkring en million forskellige nuancer (Roth 2006).

Overblik

Nethinden indeholder to former for lysfølsomme celler – stave og kegler. Selv om de strukturelt og metabolisk ligner hinanden, er deres funktion ganske forskellig. Stavceller er meget lysfølsomme, hvilket gør det muligt for dem at reagere i svagt lys og mørkeforhold. Det er disse celler, der gør det muligt for mennesker og andre dyr at se i måneskin eller med meget lidt tilgængeligt lys (som i et mørkt rum). De skelner dog ikke mellem farver og har en lav synsstyrke (måling af detaljer). Det er derfor, at jo mørkere forholdene bliver, jo mindre farve synes objekter at have. Kegleceller har omvendt brug for høj lysintensitet for at reagere og har en høj synsstyrke. Forskellige kegleceller reagerer på forskellige farver (bølgelængder af lys), hvilket gør det muligt for en organisme at se farver.

Rod- og kegleceller er begge lysfølsomme, men reagerer forskelligt på forskellige frekvenser af lys, fordi de indeholder et forskelligt fotoreceptorkompleks. Stavceller indeholder protein-kromoforkomplekset rhodopsin, og kegleceller indeholder forskellige protein-kromoforkomplekser, photopsiner, for hvert farveområde. Den proces, hvorved disse komplekser fungerer, er ret ens – når de udsættes for elektromagnetisk stråling af en bestemt bølgelængde og intensitet, gennemgår kromoforen, kaldet retinal, en strukturel ændring, der destabiliserer komplekset, hvilket får proteinet, et opsin, til at gennemgå en række ændringer, der afsluttes med, at komplekset adskilles i separate retinal- og opsinenheder. Rhodopsin i stavecellerne opsplittes i retinal og opsin; de tre fotopsiner i keglecellerne opsplittes i retinal og tre forskellige opsiner. Alle de forskellige opsins udløser en ændring i membranproteinet transducin, som igen aktiverer enzymet phosphodiesterase, som katalyserer en molekylær ændring, der får natriumionkanalerne i cellemembranen til at lukke. Dette fører til generering af et aktionspotentiale (en impuls, der i sidste ende vil nå den visuelle cortex i hjernen).

Synskarphed

Det er grunden til, at kegler og stave gør det muligt for organismer at se i mørke og lys – hvert af fotoreceptorkomplekserne kræver en anden lysintensitet for at blive nedbrudt i sine bestanddele. Endvidere kombineres signaler fra hundredvis eller tusindvis af stavceller og overføres til den visuelle cortex gennem en enkelt bipolær celle, der er forbundet med en enkelt gangliecelle, som fører til hjernen. På den anden side er en enkelt keglecelle forbundet med en enkelt bipolær celle. Handlingspotentialer fra stave deler således neuroner, mens dem fra kegleceller får deres egne neuroner. Dette resulterer i den høje synsstyrke, eller den høje evne til at skelne mellem detaljer, hos kegleceller og ikke hos stave.

Farvesyn

Evnen til at skelne farver afhænger af den elektromagnetiske bølgelængdefølsomhed hos de tre typer af fotopsin i de tre typer kegleceller med primær følsomhed for rødt, grønt eller blåt lys. Hvis alle tre former for kegleceller stimuleres lige meget, ses hvidt. Hvis ingen af dem stimuleres, ses sort. Det meste af tiden stimuleres de tre former dog i forskelligt omfang, hvilket resulterer i, at der ses forskellige farver. Hvis f.eks. de røde og grønne kogler stimuleres i lige høj grad, og ingen blå kogler stimuleres, ses gul. Derfor kaldes røde, grønne og blå farver for primære farver, og de farver, der opnås ved at blande to af dem, for sekundære farver. De sekundære farver kan yderligere komplimenteres med primærfarver for at se tertiære farver.

Cellernes placering og antal

I mennesket består fovea, der ligger lige bag linsen, mest af tætpakkede kegleceller. Keglecellerne bliver gradvist mere sparsomt fordelt mod nethindens periferi. Dette giver mennesket et meget detaljeret centralt syn, der gør det muligt at læse, observere fugle eller andre opgaver, der primært kræver, at man skal se på ting. Kravet om høj lysintensitet skaber problemer for astronomer, da de ikke kan se svage stjerner eller andre objekter ved hjælp af det centrale syn, fordi lyset fra disse ikke er tilstrækkeligt til at stimulere keglecellerne. Da keglecellerne er alt, hvad der findes direkte i fovea, må astronomer se på stjerner gennem “øjenkrogen” (afvendt syn), hvor der også findes stave, og hvor lyset kan stimulere cellerne, hvilket gør det muligt for den enkelte at observere fjerne stjerner.

Et almindeligt citeret tal for antallet af kegleceller i øjet er seks millioner, som er fastsat af Osterberg (1935). Oyster (1999) nævner beviser for et gennemsnit, der ligger tættere på 4,5 millioner kegleceller og 90 millioner stavceller i den menneskelige nethinde.

Typer

Mennesker har normalt tre slags kegleceller. Den første reagerer mest på lys med lange bølgelængder og har sit højdepunkt i det gule område; denne type betegnes L for “long” (lang). Den anden type reagerer mest på lys af mellemlang bølgelængde, med toppunkt ved grønt, og den forkortes M for “medium”. Den tredje type reagerer mest på lys med kort bølgelængde, med en violet farve, og betegnes S for “short” (kort). De tre typer har peakbølgelængder i nærheden af henholdsvis 564-580 nm, 534-545 nm og 420-440 nm (Wyszecki og Stiles 1982; Hunt 2004).

Forskellen i de signaler, der modtages fra de tre kegeltyper, gør det muligt for hjernen at opfatte alle mulige farver, gennem den modsatrettede proces, farvesynet. Farven gul opfattes for eksempel, når L-keglerne stimuleres lidt mere end M-keglerne, og farven rød opfattes, når L-keglerne stimuleres betydeligt mere end M-keglerne. På samme måde opfattes blå og violette nuancer, når S-receptoren stimuleres mere end de to andre.

S-keglerne er mest følsomme over for lys ved bølgelængder omkring 420 nm. Det menneskelige øjes linse og hornhinde er imidlertid i stigende grad absorberende over for mindre bølgelængder, og dette sætter den nedre bølgelængdegrænse for menneskeligt synligt lys til ca. 380 nm, som derfor kaldes “ultraviolet” lys. Mennesker med aphakia, en tilstand, hvor øjet mangler en linse, rapporterer undertiden, at de kan se i det ultraviolette område (Hambling 2002). Ved moderat til stærkt lysniveau, hvor keglerne fungerer, er øjet mere følsomt over for gulgrønt lys end andre farver, fordi dette stimulerer de to mest almindelige af de tre slags kegler næsten lige meget. Ved lavere lysniveauer, hvor kun stavcellerne fungerer, er følsomheden størst ved en blågrøn bølgelængde.

Struktur

Den lysfølsomme del af keglecellerne er noget kortere end den lysfølsomme del af stavcellerne, men bredere og tilspidset. Keglecellerne er langt mindre talrige end stavecellerne i de fleste dele af nethinden, men er langt flere end stavecellerne i fovea. Strukturelt set har keglecellerne en kegleformet form i deres lysfølsomme del, hvor et pigment filtrerer det indkommende lys, hvilket giver keglecellerne deres forskellige responskurver. De er typisk 40-50 µm lange, og deres diameter varierer fra 0,50 til 4,0 µm, idet de er smallest og mest tætpakket i midten af øjet ved fovea. S-keglerne er lidt større end de andre.

Fotoblegning kan bruges til at bestemme keglernes placering. Dette gøres ved at udsætte mørketilpasset nethinde for en bestemt bølgelængde af lys, som lammer keglerne, der er følsomme for denne bølgelængde, i op til 30 minutter, hvilket gør dem ude af stand til at mørketilpasse sig. Resultatet er, at de paralyserede kegler fremstår hvide i modsætning til de grå mørketilpassede kegler, når der tages et billede af nethinden. Resultaterne viser, at S-keglerne er tilfældigt placeret og optræder langt mindre hyppigt end M- og L-keglerne. Forholdet mellem M- og L-kegle varierer meget mellem forskellige mennesker med almindeligt syn (Roorda og Williams 1999).

Lige stavceller er kegleceller lange og smalle med en synaptisk terminal, et indre segment og et ydre segment samt en indre kerne og forskellige mitokondrier. Den synaptiske terminal danner en synapse med en neuron som f.eks. en bipolær celle. Det indre og det ydre segment er forbundet af et cilium (Kandel et al. 2000). Det indre segment indeholder organeller og cellens kerne, mens det ydre segment, som peger mod øjets bagside, indeholder de lysabsorberende materialer (Kendel et al. 2000).

Lige stave har de ydre segmenter af keglecellerne invaginationer af deres cellemembraner, der skaber stakke af membranøse skiver. Fotopigmenter findes som transmembranproteiner inden for disse skiver, hvilket giver mere overfladeareal, så lyset kan påvirke pigmenterne. I kegleceller er disse skiver fastgjort til den ydre membran, mens de er afsnøret og eksisterer separat i staveceller. Hverken stave eller kogler deler sig, men deres membranske skiver slides op og slides af for enden af det ydre segment for at blive opbrugt og genbrugt af fagocytiske celler.

Svar på lys

Aktivering af en fotoreceptorcelle er faktisk en hyperpolarisering (hæmning) af cellen. Når de ikke bliver stimuleret, f.eks. i mørke, depolariserer stave og kogler og frigiver spontant en neurotransmitter. Denne neurotransmitter hyperpolariserer den bipolære celle. Bipolære celler findes mellem fotoreceptorer og ganglieceller og fungerer til at overføre signaler fra fotoreceptorerne til gangliecellerne. Som følge af, at den bipolære celle er hyperpolariseret, frigiver den ikke sin transmitter ved bipolar-ganglion-synapsen, og synapsen ophidses ikke.

Aktivering af fotopigmenter ved lys sender et signal ved at hyperpolarisere keglecellen, hvilket fører til, at keglecellen ikke sender sin neurotransmitter, hvilket fører til, at den bipolære celle derefter frigiver sin transmitter ved bipolar-ganglion-synapsen og ophidser synapsen.

Depolarisering sker på grund af, at cellerne i mørke har en relativt høj koncentration af cyklisk guanosin 3′-5′ monofosfat (cGMP), som åbner ionkanaler (hovedsageligt natriumkanaler, selv om calcium også kan komme ind gennem disse kanaler). De positive ladninger af de ioner, der kommer ind i cellen langs dens elektrokemiske gradient, ændrer cellens membranpotentiale, forårsager depolarisering og fører til frigivelse af neurotransmitteren glutamat. Glutamat kan depolarisere nogle neuroner og hyperpolarisere andre, hvilket gør det muligt for fotoreceptorer at interagere på en antagonistisk måde.

Når lys rammer fotoreceptorpigmenter i fotoreceptorcellen, ændrer pigmentet form. Pigmentet, kaldet photopsin (rhodopsin findes i stavceller), består af et stort protein kaldet opsin (placeret i plasmamembranen), hvortil der er knyttet en kovalent bundet protesegruppe: Et organisk molekyle kaldet retinal (et derivat af A-vitamin). Retinal findes i 11-cis-retinalformen, når det er mørkt, og stimulering ved lys får dets struktur til at ændre sig til all-trans-retinal. Denne strukturændring medfører en strukturændring i opsin, som igen aktiverer et regulerende protein kaldet transducin, hvilket fører til aktivering af cGMP-fosfodiesterase, som nedbryder cGMP til 5′-GMP. Reduktion af cGMP gør det muligt for ionkanalerne at lukke, hvilket forhindrer tilstrømningen af positive ioner, hyperpolariserer cellen og stopper frigivelsen af neurotransmittere (Kandel et al. 2000). Selv om kegleceller primært bruger neurotransmitterstoffet acetylcholin, bruger stavceller en række forskellige neurotransmittere. Hele den proces, hvorved lys udløser et sensorisk respons, kaldes visuel fototransduktion.

Keglecellers respons på lys er også retningsmæssigt uensartet og topper i en retning, der leverer lys til midten af pupillen; denne effekt er kendt som Stiles-Crawford-effekten.

Tetrachromacy

Tetrachromacy er den tilstand, hvor man besidder fire uafhængige kanaler til at formidle farveinformation, eller besidder fire forskellige kegler. Organismer med tetrachromacy kaldes tetrachromater. For disse organismer kan den perceptuelle effekt af et vilkårligt udvalgt lys fra det synlige spektrum matches af en blanding af ikke mindre end fire forskellige rene spektrallys.

Den normale forklaring på tetrachromi er, at organismens nethinde indeholder fire typer af kegleceller med forskellige absorptionsspektrer. Det betyder, at dyret kan se bølgelængder, der ligger ud over de bølgelængder, som et typisk menneskes syn har, og kan være i stand til at skelne farver, der for et menneske er identiske.

Zebrafisken (Danio rerio) er et eksempel på en tetrachromat, som indeholder kegleceller, der er følsomme for rødt, grønt, blåt og ultraviolet lys (Robinson et al. 1993). Tetrachromat forventes at forekomme hos flere arter af fugle, fisk, padder, krybdyr, krybdyr, edderkopper og insekter.

Mennesker og nært beslægtede primater har normalt tre typer af kegleceller og er derfor trichromater (dyr med tre forskellige kegleceller). Det er dog blevet foreslået, at kvinder, der er bærere af varianter af keglepigmenter, kan blive født som tetrachromater, idet de har fire forskellige slags kegleceller, der fungerer samtidig, og som opfanger forskellige farver (Jameson et al. 2001). En undersøgelse foreslog, at 2-3 procent af verdens kvinder kunne have den slags fjerde kegle, der ligger mellem de almindelige røde og grønne kegler, hvilket teoretisk set giver en betydelig forøgelse af farvedifferentieringen (Roth 2006). En anden undersøgelse tyder imidlertid på, at så mange som 50 procent af kvinderne og 8 procent af mændene kan have fire fotopigmenter (Jameson 2001). Der skal foretages yderligere undersøgelser for at verificere tetrachromi hos mennesker.

Tabel

Sammenligning af stav- og kegleceller, fra Kandel et al. (2000).

• Hambling, D. 2002. Lad lyset skinne ind: Man behøver ikke at komme fra en anden planet for at se ultraviolet lys. The Guardian May 30,2002. Hentet 18. maj 2008.
• Hunt, R. W. G. 2004. Reproduktion af farver. Chichester, UK: Wiley-IS&T Series in Imaging Science and Technology. ISBN 0470024259.
• Jameson, K. A., S. M. Highnote, og L. M. Wasserman. 2001. Rigere farveoplevelse hos observatører med flere fotopigmentopsin-gener. Psychonomic Bulletin and Review 8(2): 244-261. PMID 11495112. Hentet den 18. maj 2008.
• Kandel, E. R., J. H. Schwartz og T. M. Jessell. 2000. Principles of Neural Science, 4. udgave. New York: McGraw-Hill. ISBN 0071120009.
• Osterberg, G. 1935. Topografi af laget af stave og kogler i den menneskelige nethinde. Acta Ophthalmol. Suppl. 6: 1-103.
• Oyster, C. W. 1999. Det menneskelige øje: struktur og funktion. Sunderland, Mass: Sinauer Associates. ISBN 0878936459.
• Robinson, J., E. A. Schmitt, E. A. Schmitt, F.I. Harosi, R. J. Reece og J. E. Dowling. 1993. Zebrafisk ultraviolet visuelt pigment: Absorptionsspektrum, sekvens og lokalisering. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 90: 6009-6012.
• Roorda, A., og D. R. Williams. 1999. Arrangementet af de tre kegleklasser i det levende menneskelige øje. Nature 397: 520-522.
• Roth, M. 2006. Nogle kvinder kan se 100.000.000.000 farver, takket være deres gener. Pittsburgh Post-Gazette 13. september 2006. Hentet 18. maj 2008.
• Wyszecki, G., og W. S. Stiles. 1982. Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae. New York: Wiley Series in Pure and Applied Optics. ISBN 0471021067.