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The retinal rod pathway, featuring dedicated rod bipolar cells (RBCs) and AII amacrine cells, has been intensely studied in placental mammals. Here, we analyzed the rod pathway in a nocturnal marsupial, the South American opossum Monodelphis domestica to elucidate whether marsupials have a similar rod pathway. The retina was dominated by rods with densities of 338,000–413,000/mm². Immunohistochemistry for the RBC-specific marker protein kinase Cα (PKCα) and the AII cell marker calretinin revealed the presence of both cell types with their typical morphology. This is the first demonstration of RBCs in a marsupial and of the integration of RBCs and AII cells in the rod signaling pathway. Electron microscopy showed invaginating synaptic contacts of the PKCα-immunoreactive bipolar cells with rods; light microscopic co-immunolabeling for the synaptic ribbon marker CtBP2 confirmed dominant rod contacts. The RBC axon terminals were mostly located in the innermost stratum S5 of the inner plexiform layer (IPL), but had additional side branches and synaptic varicosities in strata S3 and S4, with S3-S5 belonging to the presumed functional ON sublayer of the IPL, as shown by immunolabeling for the ON bipolar cell marker Gγ13. Triple-immunolabeling for PKCα, calretinin and CtBP2 demonstrated RBC synapses onto AII cells. These features conform to the pattern seen in placental mammals, indicating a basically similar rod pathway in M. domestica. The density range of RBCs was 9,900–16,600/mm2, that of AII cells was 1,500–3,260/mm2. The numerical convergence (density ratio) of 146–156 rods to 4.7–6.0 RBCs to 1 AII cell is within the broad range found among placental mammals. For comparison, we collected data for the Australian nocturnal dunnart Sminthopsis crassicaudata, and found it to be similar to M. domestica, with rod-contacting PKCα-immunoreactive bipolar cells that had axon terminals also stratifying in IPL strata S3-S5.
Hintergrund: Die Ophthalmoskopie ist Bestandteil des medizinischen Curriculums, jedoch das Vermitteln der Inhalte oft unbefriedigend, da ein systematisches Lernen von Pathologien und deren Behandlungen dadurch erschwert ist, dass oftmals das passende Patientengut nicht zur Verfügung steht und dadurch gesunde Studenten einander untersuchen müssen. Aus diesem Grund haben wir eine Online-Plattform entwickelt, die in Kombination mit simulationsgestütztem Training sowohl das eigenständige als auch das angeleitete Lernen von Untersuchungsmethoden und Pathologien ermöglicht.
Ziel der Arbeit: Ziel der vorliegenden Arbeit war, ein Format für die Verbesserung der Lehre der direkten und indirekten Ophthalmoskopie im Studierendenunterricht zu evaluieren. Dabei wurden praktische Übungen an Virtual-Reality-basierten Simulatoren mit neu entwickelten und an den Lehrkatalog angepassten theoretischen Inhalten in der Online-Plattform EyesiNet verschränkt.
Material und Methoden: Die Studierenden bearbeiteten am ersten sowie am letzten Praktikumstag zufällig ausgewählte Fälle, die ihnen von den Eyesi Direct- und Eyesi Indirect-Simulatoren präsentiert wurden. Zwischen diesen beiden Einheiten konnten sie sich auf freiwilliger Basis mit den theoretischen Grundlagen typischer ophthalmologischer Krankheitsbilder im EyesiNet beschäftigen.
Ergebnisse: Eyesi Direct: Die Bewertung des Simulators ergab am ersten Praktikumstag für beide Gruppen keinen signifikant unterschiedlichen Wissensstand (p = 0,29). In der Gruppe OHNE Training (n = 54) ergab sich am letzten Praktikumstag mit p = 0,02 eine signifikante Verbesserung dieser Bewertung, jedoch mit einer geringen Effektgröße von 0,1. In der Gruppe MIT Training (n = 32) konnte mit p = 0,0004 eine hoch signifikante Verbesserung mit einer Effektgröße von 0,3 nach Rosenthal festgestellt werden. Eyesi Indirect: Die simulatorgestützte Bewertung ergab am ersten Praktikumstag keinen signifikanten Unterschied im Wissensstand der beiden Gruppen (p = 0,1). Nach dem Training schnitten zwar beide Gruppen etwas besser ab, jedoch ohne signifikanten Unterschied (OHNE Training p = 0,41/MIT Training p = 0,17).
Diskussion: Die Online-Plattform EyesiNet unterstützt beim Erlernen der wichtigsten Erkrankungsbilder. Lerninhalte werden reproduzierbar und auf für alle Lernenden standardisierte Weise zur Verfügung gestellt. Die Fertigkeiten der direkten Ophthalmoskopie sind hierbei deutlich schneller als die der indirekten Ophthalmoskopie zu erlernen.
Das aktuell diskutierte Modell der lichtabhängigen Magnetrezeption bei Vögeln beschreibt, dass die Richtung des Erdmagnetfelds durch Radikalpaarprozesse in spezialisierten Photorezeptoren wahrgenommen wird. Dabei werden Cryptochrome, eine Klasse photoaktiver Flavoproteine, als potentielle Kandidaten für das Radikalpaarmodell und damit als mögliches Magnetrezeptormolekül diskutiert. Verhaltensbiologische Experimente mit Zugvögeln zeigen, dass der Magnetrezeptionsprozess offensichtlich stark lateralisiert im rechten Auge stattfindet und dass dieser Prozess Licht aus dem blau-grünen Teil des Spektrums benötigt. Cryptochrome absorbieren Licht in diesem Bereich und besitzen darüber hinaus biochemische Eigenschaften, die für die Funktion des Radikalpaarmodells entscheidend sind. Vor dem Hintergrund dieser Überlegungen habe ich untersucht, ob Cryptochrom (CRY) in der Retina des Rotkehlchens, Erithacus rubecula, einem nachtziehenden Singvogel, zu finden ist. Mit molekulargenetischen Methoden konnte ich erstmals drei individuell exprimierte Cryptochrome aus der Rotkehlchenretina isolieren: Erithacus (e)-CRY1a, -CRY1b und -CRY2. Während eCRY1a und eCRY2 fast vollständig homolog zu Cryptochrom 1 und 2 in der Retina des Haushuhns sind, besitzt eCRY1b eine noch unbeschriebene C-terminale Domäne, die auf neue Proteinbindungseigenschaften und Interaktionspartner hindeutet. Die Identifizierung eines Kernlokalisierungssignals bei eCRY2 weist auf dessen Lokalisierung im Zellkern hin und macht seine Funktion als sensorischer Lichtrezeptor eher unwahrscheinlich. Ein mit Hilfe der Aminosäurensequenz erstelltes Proteinmodell von eCRY1 zeigt, dass dieser Typus zwei Cofaktoren besitzt: das katalytische Chromophor Flavinadenindinukleotid (FAD) und das lichtsammelnde Pterin Methenyltetrahydrofolat (MTHF). eCRY1a und eCRY1b sind Spleißprodukte des gleichen Gens; ihre C-terminalen Domänen sind auf unterschiedlichen Exonen codiert. eCRY1a und eCRY1b besitzen beide keine Membranbindedomäne und liegen zytosolisch vor. Weil jedoch laut Radikalpaartheorie die magnetosensitiven Rezeptoren zumindest im Moment der Photonenabsorption in einer bestimmten Anordnung und Raumrichtung vorliegen müssen, benötigen beide eCRY1-Varianten daher mindestens einen sphärisch fixierten Interaktionspartner. In meiner Arbeit diskutiere ich Opsine als mögliche Partner, da diese in den Aussensegmenten der Photorezeptoren stark geordnet und in konstanter Raumrichtung vorliegen. Die Genexpression von eCRY1a und eCRY1b unterscheidet sich sowohl zwischen den Augen als auch zwischen den CRY-Varianten. Im Mittel waren die Expressionswerte von eCRY1a in der Rotkehlchenretina fünf- bis zehnmal höher als die von eCRY1b. In der Dämmerung und nachts ist eCRY1a im linken Auge signifikant höher exprimiert als im rechten Auge. Im Gegensatz dazu ist die Expression von eCRY1b in beiden Augen gleich, zeigt jedoch einen signifikanten Anstieg zu Beginn des Zuges in der Dämmerung. Durch die unterschiedlichen Expressionsraten von eCRY1a und eCRY1b verschiebt sich zum Zeitpunkt der Richtungsentscheidung des Vogels in der Dämmerung das Verhältnis zwischen den beiden Cryptochrom1-Varianten im rechten Auge zugunsten von eCRY1b. Die Ergebnisse meiner Expressionsstudie deuten darauf hin, dass die in Verhaltensversuchen nachgewiesene Lateralisation des Magnetkompass bereits auf Rezeptorebene in der Retina beginnen könnte. mRNA in situ- als auch immunohistochemische Untersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass bei Zugvögeln sowohl die mRNA als auch die Proteine beider eCRY1-Typen in den Innensegmenten der retinalen Photorezeptoren lokalisiert sind. Die räumliche Nachbarschaft zu Opsinen unterstützt die Annahme einer möglichen Interaktion zwischen diesen und Cryptochrom. Darüber hinaus lässt dieser Befund Spekulationen zu, dass die neuronale Verarbeitung der aus den Photorezeptoren stammenden magnetischen Richtungsinformation analog zum bildverarbeitenden Sehen stattfinden könnte. Modelle für eine mögliche Verschaltung und Signalverarbeitung der Cryptochromsignale werden in dieser Arbeit diskutiert. Insgesamt unterstützen die Befunde meiner Arbeit die im Radikalpaarmodell diskutierte Annahme, dass Cryptochrome eine entscheidende Rolle bei der Perzeption von magnetischer Kompassinformation bei Zugvögeln spielen und möglicherweise als Magnetrezeptormoleküle fungieren. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis des Gesamtprozesses der Magnetrezeption bei Tieren leisten, und zwar von der Rezeptorzelle bis zur Verhaltensantwort. Meine Ergebnisse tragen möglicherweise auch dazu bei, die bekannten neurowissenschaftlichen und funktionell morphologischen mit den entsprechenden ethologischen Ergebnissen zu verknüpfen. Ich würde es sehr begrüßen, wenn meine Arbeit zu weiterführender Forschung auf diesem spannenden Gebiet anregt und zu einem besseren Verständnis der noch unbekannten Aspekte der Magnetrezeption beitrüge.
Background: The differentiation between Gaucher disease type 3 (GD3) and type 1 is challenging because pathognomonic neurologic symptoms may be subtle and develop at late stages. The ophthalmologist plays a crucial role in identifying the typical impairment of horizontal saccadic eye movements, followed by vertical ones. Little is known about further ocular involvement. The aim of this monocentric cohort study is to comprehensively describe the ophthalmological features of Gaucher disease type 3. We suggest recommendations for a set of useful ophthalmologic investigations for diagnosis and follow up and for saccadometry parameters enabling a correlation to disease severity.
Methods: Sixteen patients with biochemically and genetically diagnosed GD3 completed ophthalmologic examination including optical coherence tomography (OCT), clinical oculomotor assessment and saccadometry by infrared based video-oculography. Saccadic peak velocity, gain and latency were compared to 100 healthy controls, using parametric tests. Correlations between saccadic assessment and clinical parameters were calculated.
Results: Peripapillary subretinal drusen-like deposits with retinal atrophy (2/16), preretinal opacities of the vitreous (4/16) and increased retinal vessel tortuosity (3/16) were found. Oculomotor pathology with clinically slowed saccades was more frequent horizontally (15/16) than vertically (12/16). Saccadometry revealed slowed peak velocity compared to 100 controls (most evident horizontally and downwards). Saccades were delayed and hypometric. Best correlating with SARA (scale for the assessment and rating of ataxia), disease duration, mSST (modified Severity Scoring Tool) and reduced IQ was peak velocity (both up- and downwards). Motility restriction occurred in 8/16 patients affecting horizontal eye movements, while vertical motility restriction was seen less frequently. Impaired abduction presented with esophoria or esotropia, the latter in combination with reduced stereopsis.
Conclusions: Vitreoretinal lesions may occur in 25% of Gaucher type 3 patients, while we additionally observed subretinal lesions with retinal atrophy in advanced disease stages. Vertical saccadic peak velocity seems the most promising "biomarker" for neuropathic manifestation for future longitudinal studies, as it correlates best with other neurologic symptoms. Apart from the well documented abduction deficit in Gaucher type 3 we were able to demonstrate motility impairment in all directions of gaze.