von Reto Weiler und Mark Pottek

Adaptationsmechanismen erlauben dem visuellen System, unter ganz verschiedenen Lichtbedingungen perfekt zu arbeiten. In der Netzhaut finden sich eine Reihe von neuronalen Adaptationsmechanismen, die entsprechend auf eine Information über die gerade herrschenden Lichtverhältnisse angewiesen sind. Wir haben kürzlich entdeckt, dass Retinsäure möglicherweise diese Information liefert und damit der langgesuchte Lichtschalter im Auge sein könnte. Retinsäure wird in der Retina als lichtabhängiges Nebenprodukt des Phototransduk- tionszyklus gebildet. Retinsäure induziert die Ausbildung von Spinules, moduliert die Lichtantworten und die elektrische Kopplung von Horizontalzellen genauso wie eine Helladaptation der Netzhaut.

Retinoic Acid: The Light Switch in the Eye?

Several mechanisms of adaptation allow the visual system its enormous working range. In the retina, there are a number of so-called neuronal adaptational mechanisms which all depend on the appropiate information about the ambient light situation. We recently discovered that retinoic acid might be the source of this information and therefore represent a light switch in the eye. In the retina, retinoic acid is produced as a light- dependent by-product of the phototransduction cycle. Retinoic acid induces the formation of spinules, modulates the light responses of horizontal cells and affects the electrical coupling of these cells. In all cases its effects match the effects of light adaptation.

Vielleicht lesen Sie die Zeilen dieses Artikels an Ihrem Urlaubsort irgendwo im sonnigen Süden am Strand in der direkten Sonne, oder sie haben sich entschlossen, ihn zu Ihrer Einschlaflektüre zu machen und überfliegen die Zeilen im dämmrigen Licht einer Nachttischlampe. Sie werden in beiden Situationen keine Mühe haben, die Schriftzeichen zu erkennen, obwohl die Beleuchtungsintensität dabei um das Milliardenfache unterschiedlich sein kann. Ganz offensichtlich kann unser visuelles System innerhalb eines außerordentlich großen Intensitätsbereiches perfekt arbeiten.

Diese für uns selbstverständliche Alltagserfahrung ist für den Neurobiologen eine wissenschaftliche Herausforderung. Wenn man nämlich die einzelnen neuronalen Elemente des visuellen Systems, d.h. die Photorezeptoren und die an der Verarbeitung beteiligten Neurone, in der Netzhaut und in den visuellen Zentren des Gehirns näher analysiert, stellt man fest, dass diese im allgemeinen nicht über einen so großen Intensitätsbereich verfügen. Typischerweise können sie nur einen etwa tausendfachen Intensitätsbereich bearbeiten. Damit das visuelle System einen vielfach größeren Bereich bearbeiten kann, müssen also spezielle Mechanismen vorhanden sein, die allgemein als Adaptation bezeichnet werden. Diese Adaptationsmechanismen finden sich im Auge und insbesondere in der Netzhaut. Die Steuerung der Pupillenweite ist für die Adaptation fast bedeutungslos, da mit ihr nicht einmal ein Faktor von 10 erreicht wird. Dass wir über zwei Typen von Photorezeptoren verfügen, Stäbchen und Zapfen, die sich in ihrer Empfindlichkeit unterscheiden, ist da schon von größerer Bedeutung, reicht aber für die Erklärung des großen Intensitätsbereiches immer noch nicht völlig aus. Hinzu kommen Adaptationsmechanismen der Netzhaut, die wir im Folgenden als neuronale Adaptation bezeichnen und deren Grundlage die Interaktionen von Neuronen sind.

Eine Art "neuronaler Lichtschalter"

Die Aufgabe von neuronalen Adaptationsmechanismen ist also, den relativ engen Arbeitsbereich der neuronalen Verarbeitung immer so einzustellen, dass er möglichst optimal den gerade vorherrschenden Lichtverhältnissen entspricht. Das heißt aber, dass das neuronale Netzwerk der Netzhaut, die Retina, über die herrschenden Lichtverhältnisse informiert sein muss. Es muss also ein "Lichtsignal" geben, welches die Interaktionen zwischen den Neuronen beeinflussen kann, also eine Art neuronaler Lichtschalter. Signale, die so etwas machen, werden als "Neuromodulatoren" bezeichnet. Ein solches Signal müsste eine deutliche Abhängigkeit von den vorherrschenden Lichtverhältnissen aufweisen und fähig sein, bestimmte Prozesse in den Retinaneuronen auszulösen, von denen man weiß, dass sie mit der Hell- und Dunkeladaptation korrelieren.

Auf der Suche nach so einem Lichtsignal hat unsere Arbeitsgruppe als erste auch die Retinsäure analysiert. Warum Retinsäure? In der Biologie ist Retinsäure bekannt als einer der wichtigsten Faktoren, die die Entwicklung steuern. Als Derivat des Vitamin A, welches mit der Nahrung aufgenommen wird, steuert Retinsäure die Entwicklung des Embryos, indem es die Transkription von bestimmten Genen an- und abschalten kann. Ohne Retinsäure gibt es deshalb keine normale Entwicklung. Retinsäure findet in jüngster Zeit auch Anwendung in der Behandlung bestimmter Karzinome und findet sich darüber hinaus in sehr vielen Kosmetika zur Faltenvorbeugung. Es ist also ein hochaktives biologisches Molekül, dem man durchaus auch eine neuromodula- latorische Wirkung zutrauen könnte.

Retinsäure im Auge

Tatsächlich wird Retinsäure auch im Auge produziert. Das Sehpigment in den Photorezeptoren, welches die Lichtquanten absorbiert, setzt sich aus einem Protein, dem Opsin, und einem Chromophor, dem Retinaldehyd, zusammen. Dieses Sehpigment (Rhodopsin) zerfällt in seine beiden Bestandteile, wenn es ein Lichtquant absorbiert hat, und löst dabei eine biochemische Kaskade aus, an deren Ende letztendlich die Änderung der Freisetzung des Neurotransmitters Glutamat durch die Photorezeptoren steht. Damit die Photorezeptoren auch weiterhin funktionieren können, muss das zerfallene Rhodopsin wieder regeneriert werden. Ein Teil dieses Rege- nerationsprozesses (Dunkelregeneration) läuft in den Pigmentepithelzellen ab, welche die äußeren Glieder der Photorezeptoren umkleiden. In diesen Zellen befindet sich unter anderem auch das Enzym Aldehyddehydrogenase, welches Reti- naldehyd zu Retinsäure oxidieren kann. Da die Oxidation irreversibel ist, entsteht so in Abhängigkeit von der Konzentration von Retinaldehyd eine bestimmte Menge von Retinsäure. Da die Konzentration von Retinaldehyd direkt vom Zerfall des Rhodopsins und damit von den diesen Prozess auslösenden Lichtquanten abhängt, muss auch die Konzentration von Retinsäure direkt von den herrschenden Lichtverhältnissen abhängen. Es ist uns und anderen Arbeitsgruppen in den USA kürzlich gelungen, diese Abhängigkeit auch direkt nachzuweisen.

Lichtabhängige, synaptische Plastizität

Damit erfüllt die Retinsäure zwei wichtige Voraussetzungen für ein Lichtsignal, nämlich lichtkorreliert produziert zu werden und biologisch aktiv zu sein. Wir entwickelten deshalb ein Forschungsprogramm, um die physiologische Rolle von Retinsäure in der Retina näher zu analysieren und eine putative neuromodulatorische Wirkung zu entdecken. Als erstes untersuchten wir die Wirkung von Retinsäure auf die Ausbildung von Spinules an den Dendriten von Hori- zontalzellen. Die Bildung dieser Spinules ist vom Adaptationszustand des Auges abhängig: In einer helladaptierten Retina finden sich sehr viele Spinules, in einer dunkeladaptierten Retina sind sie fast vollständig verschwunden. In einem Querschnitt durch die synaptische Endigung des Photore- zeptors erkennt man im Elektronenmikroskop deutlich die Profile der Horizontalzellen, die in die Endigung der Photorezeptoren invaginieren. Ebenso deutlich sind die Spinules, die von diesen Profilen ausgehen, in der helladaptierten Retina erkennbar. In der dunkeladaptierten Retina sind die Profile abgerundet und Spinules nicht mehr erkennbar. Die Anzahl von Spinules ist dementsprechend ein mit dem Adaptationszustand der Retina korreliertes Maß und lässt sich daher für die Analyse der potentiellen Signalwirkung eines Neuromodulators verwenden.

Wenn Retinsäure das entsprechende Lichtsignal für die Ausbildung von Spinules wäre, dann sollte es möglich sein, auch in einem dunkeladaptierten Auge allein durch die Injektion von Retinsäure die Ausbildung von Spinules zu induzieren. Wir haben diese Versuche durchgeführt, und in der Tat war es möglich, durch Retinsäure eine Ausbildung von Spinules zu erreichen, die sich nicht von der durch Licht induzierten unterschied. Selbstverständlich haben wir eine ganze Reihe von Kontrollversuchen durchgeführt, die alle diese festgestellte Wirkung von Retinsäure bestätigten. Ein sehr wichtiger Befund war dabei auch der Nachweis, dass durch die Hemmung des Enzyms Aldehyd- dehydrogenase, welches in vivo die Synthese von endogener Retinsäure katalysiert (siehe oben), die direkte lichtabhängige Ausbildung von Spinules während der ganz normalen Helladaptation gehemmt war.

Lichtantworten von Horizontalzellen

Es ist möglich, mit einer Elektrode intrazellulär die Membranpotentialänderungen von Horizontalzellen als Folge einer Lichtstimulation zu registrieren. Diese Lichtantworten zeigen charakteristische Unterschiede in Abhängigkeit vom Adap- tationszustand der Retina. In einer dunkeladaptierten Retina führt die Stimulation mit einem kleinen Lichtpunkt nur zu einer relativ kleinen Änderung des Membranpotentials, während in der helladaptierten Retina der gleiche Stimulus zu einer sehr viel größeren Änderung führt. Umgekehrt reagiert die Zelle in der dunkeladaptierten Retina empfindlicher auf die Stimulation mit einem größeren, ringförmigen Lichtstimulus als in der helladaptierten Retina. Man kann nun das Verhältnis zwischen den Lichtantworten auf die beiden unterschiedlichen Stimuli bilden (A/S) und es in Abhängigkeit von den verwendeten Lichtintensitäten auftragen. Wie man sieht, unterscheiden sich die beiden Kurven für hell- und dunkeladaptierte Retinen sehr deutlich. Wenn nun ein dunkeladaptiertes Auge mit Retinsäure behandelt wird, so zeigt die dann erhaltene Kurve den gleichen Verlauf wie diejenige für ein helladaptiertes Auge, obwohl es die ganze Zeit dunkeladaptiert gehalten wurde. Wir können also festhalten, dass Retinsäure in einer dunkeladaptierten Retina die typischen Lichtantwortcharakteristika von Horizontalzellen so verändert, als ob diese Retina helladaptiert worden wäre.

Elektrische Synapsen

Auf Grund früherer Arbeiten aus unserem und vielen anderen Labors wissen wir, dass eine der Grundlagen für das eben beschriebene veränderte Lichtantwortverhalten von Horizontalzellen in der helladaptierten gegenüber der dunkeladaptierten Retina die elektrische Kopplung dieser Neurone ist. Horizontalzellen sind untereinander über elektrische Synapsen verbunden, die einen direkten Stromfluss von der einen Zelle zu der anderen ermöglichen. Diese elektrischen Synapsen können reguliert werden, das heißt, der Stromfluss kann erleichtert, erschwert oder ganz gestoppt werden. In einer helladaptierten Retina sind diese elektrischen Synapsen mehrheitlich geschlossen und in einer dunkeladaptierten Retina mehrheitlich geöffnet.

Den Zustand der elektrischen Synapsen kann man direkt sichtbar machen: Wenn man einen bestimmten Farbstoff in eine Zelle mittels einer Elektrode injiziert, so kann sich dieser Farbstoff über die geöffneten elektrischen Synapsen in die Nachbarzellen ausbreiten; wenn sie geschlossen sind, verbleibt der Farbstoff in der injizierten Zelle. Bei geöffneten elektrischen Synapsen in der dunkeladaptierten Retina wird man also ein ganzes Netz von gekoppelten, gleichen Zellen finden, bei vollständig geschlossenen elektrischen Synapsen in der helladaptierten nur eine einzige Zelle.

Es lag nun natürlich nahe, zu untersuchen, inwiefern der Effekt der Retinsäure auf die Lichtantworten der Horizontalzellen auch eine Änderung der Durchlässigkeit der elek- trischen Synapsen zur Grundlage hatte. Dazu wurde der Farbstoff sowohl in dunkeladaptierten Retinen als auch in dunkeladaptierten Retinen, die mit Retinsäure behandelt wurden, in einzelne Horizontalzellen injiziert. Sollte unsere Annahme richtig sein, dass Retinsäure die Lichtantworten der Horizontalzellen über eine Veränderung der Permeabilität der elektrischen Synapsen zwischen diesen Zellen beeinflusst, dann würde man erwarten, dass in der Retinsäure-behandelten Retina nicht mehr ein ganzes Netz von Zellen markiert ist, sondern nur noch ganz wenige oder gar nur noch eine einzige Zelle.

In einer fluoreszenzmikroskopischen Aufnahme von Ausschnitten der entsprechenden Retinen ist deutlich zu erkennen, dass in der dunkeladaptierten Retina mehrere Zellen markiert sind, aber in der dunkeladaptierten Retinsäure-behandelten Retina nur eine einzige Zelle. Diese Befunde zeigen, dass in der Tat Retinsäure die Permeabilität von elektrischen Synapsen direkt regulieren kann. Auch in diesem Fall simuliert die Retinsäure-Behandlung den Effekt von Licht, welches, wie oben angeführt, die Permeabilität der elektrischen Synapsen reduziert.

Die bisher vorgestellten Daten sind alle in der Fischretina gewonnen worden, die experimentell einige Vorteile aufweist. Da wir an der Allgemeingültigkeit unserer Befunde interessiert sind, haben wir damit begonnen, die Funktion der Retinsäure auch in der Säugerretina zu untersuchen. Wir können bereits jetzt festhalten, dass Retinsäure sowohl in der Retina des Kaninchens als auch in der Retina der Maus die elektrischen Synapsen zwischen den Horizontalzellen modulieren kann. Damit konnten wir nicht nur zeigen, dass Retinsäure die Lichtantworten von Horizontalzellen genau wie die Umgebungshelligkeit modulieren kann, sondern konnten bereits einen ersten möglichen Mechanismus aufdecken, der dieser Modulation zu Grunde liegt, nämlich die Regulierung der Permeabilität von elektrischen Synapsen.

Schlussfolgerungen für Strand und Bett

Fassen wir zusammen: Wir haben gezeigt, dass Retinsäure die Ausbildung von Spinules induziert, die Lichtantworten von Horizontalzellen moduliert und dabei die elektrische Kopplung zwischen den Zellen reguliert. In allen drei Fällen entspricht die Wirkung der Retinsäure dabei derjenigen von Licht. Gemeinsam mit dem Befund, dass Retinsäure in lichtkorrelierter Weise im Auge gebildet wird, unterstützen diese Befunde die Hypothese, dass Retinsäure das langgesuchte Lichtsignal für die neuronale Adaptation in der Retina ist.

Dabei wird ein neues Prinzip deutlich, welches einmal mehr die Eleganz biologischer Problemlösungen aufzeigt: Ein zwangsläufig entstehendes, reizkorreliertes Nebenprodukt einer essentiellen biochemischen Reaktionskaskade wird als Modulator des reizverarbeitenden Netzwerkes verwendet und garantiert so höchste Empfindlichkeit des visuellen Systems über einen großen Intensitätsbereich, oder anders ausgedrückt, das Lesen am Strand oder im Bett.

Die Autoren

Prof. Dr. Reto Weiler, Hochschullehrer für Neurobiologie und Ethologie am Fachbereich 7 Biologie-, Geo- und Umweltwissenschaften, studierte an der Universität Zürich Biologie und wurde dann Assistent an der Universität München, wo er 1977 promovierte und sich 1982 habilitierte. Sein Forschungsschwerpunkt ist die Analyse der neuronalen Interaktion in der Retina auf zellulärer und molekularer Ebene. Weiler wurde für seine bahnbrechenden Arbeiten mehrfach ausgezeichnet, so 1990 mit dem Max-Planck-Forschungspreis und 1997 mit dem internationalen Forschungspreis des Australian Research Council. In Oldenburg war Weiler maßgeblich an der Einrichtung des Sonderforschungsbereich "Neurokognition" beteiligt. Mark Pottek studierte Biologie in Oldenburg und schloss das Studium 1994 mit einer Diplomarbeit in der Arbeitsgruppe Neuro- biologie ab. Er war dann als Doktorand Mitarbeiter in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt in derselben Arbeitsgruppe. Gegenwärtig schreibt er an seiner Dissertation.