生理学/视锥系统的换能和颜色视觉

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视锥系统外段也具有与视杆细胞类似的盘状结构,并含有特殊的感光色素,但分子数目较少。已知,大多数脊椎动物具有三种不同的视锥色素,各存在于不同的视锥细胞中。三种视锥色素都含有同样的11-顺型视黄醛,只是视蛋白的分子结构稍有不同。看来是视蛋白分子结构中的微小差异,决定了同它结合在一起的视黄醛分子对何种波长的光线最为敏感,因而才有视杆细胞中的视紫红质和三种不同的视锥色素的区别。光线作用于视锥细胞外段时,在它们的外段膜两侧也发生现视杆细胞类似的超级化型感受器电位,作为光-电转换的第一步。目前认为视锥细胞外段的换能机制,也与视杆细胞类似。

视锥细胞功能的重要特点,是它有辨别颜色的能力。颜色视觉是一种复杂的物理-心理现象,颜色的不同,主要是不同波长的光线作用于视网膜后在人脑引起的主观印象。人眼一般可在光谱上区分出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种颜色,每种颜色都与一定波长的光线相对应;但仔细的检查可以发现,单是人眼在光谱可区分的色泽实际不下150种,说明在可见光谱的范围内波长长度只要有3-5nm的增减,就可被视觉系统分辨为不同的颜色。很明显,设想在视网膜中存在上百种对不同波长的光线起反应的视锥细胞或感光色素,是不大可能的。但物理学上从牛顿的时代或更早就知道,一种颜色不仅可能由某一固定波长的光线所引起,而且可以由两种或更多种其他波长光线的混合作用而引起。例如,把光谱上的七色光在所谓牛顿色盘上旋转,可以在人眼引起白色的感觉;用红、绿、蓝三种色光(不是这三种颜色的颜料)作适当混合,可以引起光谱上所有任何颜色的感觉。这后一现象特别重要;这种所谓三原色混合原理不仅早已广泛地应用于彩色照像、彩色电视等方面,而且被用于说明颜色视觉的产生原理本身。早在上世纪初,Young(1809)和Helmholtz(1824)就提出了视觉的三原色学说,设想在视网膜中存在着分别对红、红、蓝的光线特别敏感的三种视锥细胞或相应的三种感光色素,并且设想当光谱上波和介于这三者之间的光线作用于视网膜时,这些光线可对敏感波长与之相近两种视锥细胞或感光色素起不同程度的刺激作用,于是在中枢引起介于此二原色之间的其他颜色的感觉。视觉三原色学说用较简单的生物感受结构的假设说明了复杂的色觉现象,一般为多数人所接受;但在实验中试图寻找出游同种类的视锥细胞或感光色素长时间未获成功。用光学显微镜电子显微镜不能发现视锥细胞之间在结构上有什么不同,同时也未能用一般的化学方法分离邮不同的视锥感光色素。

70年代以来,由于实验技术的进步,关于视网膜中有三种对不同波长光线特别敏感的视锥细胞的假说,已经被许多出色的实验所证实,例如,有人用不超过单个视锥直径的细小单色光束,逐个检查并绘制在体(最初实验是在金公和蝾螈等动物进行,以后是人)视锥细胞的光谱吸收曲线,发现所有绘制出来的曲线不外三种类型,分别代表了三类光谱吸收特性不同的视锥细胞,一类的吸收峰值在420nm外,一类在531nm外,一类在558nm外,差不多正好相当于蓝、绿、红三色光的波长,和上述视觉三原色学说的假设相符。用微电极记录单个视锥细胞感受器电位的方法,也得到了类似的结果,即不同单分光引起的超极化型感受器电位的大小,在不同视锥细胞是不一样的(图9-9),峰值出现的情况符合于三原色学说。

人视网膜中三种不同视锥细胞的光谱相对敏感性


图9-9 人视网膜中三种不同视锥细胞的光谱相对敏感性

三原色学说和它的实验依据,大体上可以说明临床上遇到的所谓色盲和色弱的可能发病机制。红色盲也称第一色盲,被认为是由于缺乏对较长波长光线敏感的视锥细胞所致;此外还有绿色盲,也称第二色盲,蓝色盲也称第三原色盲,都可能是由于缺乏相应的特殊视锥细胞所致。红色盲和绿色盲较为多见,在临床上都不加以区别地称为红绿色盲;蓝色盲则极少见。色盲患者的颜色不仅不能识别绿色,也不能区分红也绿之间、绿与蓝之间的颜色等。有些色觉异常的人,只是对某种颜色的识别能力差一些,亦即他们不是由于缺乏某种视锥细胞,而只是后者的反应能力较正常人为弱的结果,这种情况有别于真正的色盲,称为色弱。色盲除了极少数可以由于视网膜后天病变引起外,绝大多数是由遗传因素决定的。

三原色学说虽然比较圆满地说明许多色觉现象和色盲产生的原因,并已在光感受细胞的一级得到了实验证实,但并不能解释所有的颜色视觉现象,如颜色对比现象就是一个例子。试将蓝色的小纸块放在黄色或其它颜色的背景上,会觉得放在黄色背景上那个蓝纸块特别蓝,同时觉得背景也比未放蓝纸块时更黄(在我国北方的黄土高原,当春天的风造成黄尘蔽日的情况时,会觉得平常的日晃灯管的光线变得较蓝了)。这种现象称为颜色对比,而黄和蓝则称为对比色或互补色。颜色对比现象只出现对比色之间,而不是任意的两种颜色之间。互为对比色的颜色对尚有:红一绿以及黑和白。根据颜色对比等不容易用三原色学说圆满视觉现象,几乎是在三原色学说提出的同时就出现了另一种色觉学说,称为对比色学说(Hering,1876)。该学说提出在视网膜中存在着三种物质,各对一组对比色的刺激起性质相反的反应。如前所述,近年来在视锥细胞一级进行的研究有利于三原色学说而不利于对比色学说,但后来在视网膜其它层细胞进行的一些实验却又符合对比色学说的推测。如在金鱼水平细胞进行的微电极研究说明,此类细胞和视杆、视锥细胞不同,既能出现超极化的跨膜电位改变,也能出现去极化型的电位改变,而且在用多种不同色光刺激时发现,有些水平细胞在黄光刺激时出现最大的去极化反应,在蓝光刺激时出出现最大的超极化型反应;另一些水平细胞则在红和绿色刺激时有类似的不同反应。这些现象是同对比色学说一致的。看来可能的是,各以部分色觉现象为出发点的两种色觉学说都是部分正确的,在视锥细胞一级,不同色光以引起三种不同视锥细胞产生不同大小的超极化型电变化进行编码;但到了水平细胞一级或其它级细胞(包括某些中枢神经元),信息又进行重新编码,不同颜色双可以用同细胞对互为对比色的颜色出现相反形式的电反应来编码。以上事实说明,颜色视觉的引起是一个十分复杂的过程,它需要有从视网膜视锥细胞到皮层神经元的多级神经成分的参与才能完成。

32 视杆细胞的感光换能机制 | 视网膜的信息处理 32
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