網膜（ラテン語のrete「網」に由来、複数形はretinaeまたはretinas ）は、ほとんどの脊椎動物と一部の軟体動物の眼の最も内側にある光感受性組織層です。眼の光学系は、網膜上に視覚世界の焦点を結んだ二次元像を作り出します。網膜はその像を網膜内で処理し、視神経を通って視覚皮質へと神経インパルスを送り、視覚を創造します。網膜は、多くの点でカメラのフィルムやイメージセンサーに類似した機能を果たします。   

神経網膜は、シナプスで相互接続された複数のニューロン層で構成され、外層の色素上皮細胞によって支えられています。網膜の主な光受容細胞は光受容細胞で、桿体細胞と錐体細胞の2種類があります。桿体細胞は主に薄暗い場所で機能し、単色視覚を提供します。錐体細胞は明るい場所で機能し、さまざまなオプシンを使用して色を知覚するほか、読書などの作業に使用される鋭敏な視覚を担っています。3つ目の光受容細胞である光感受性神経節細胞は、概日リズムの同調や対光反射などの反射反応に重要です。

網膜に光が当たると、一連の化学的・電気的事象が引き起こされ、最終的に神経インパルスが視神経線維を通して脳の様々な視覚中枢に送られます。桿体細胞と錐体細胞からの神経信号は他のニューロンによって処理され、その出力は網膜神経節細胞における活動電位として現れ、その軸索が視神経を形成します。[1]

脊椎動物の胚発生において、網膜と視神経は発達中の脳、特に胚性間脳から発生する。そのため、網膜は中枢神経系（CNS）の一部と考えられており、実際には脳組織である。[2] [3]網膜はCNSの中で唯一、非侵襲的に観察可能な部位である。脳の大部分と同様に、網膜は血液脳関門によって血管系から隔てられている。網膜は、体の中で最も持続的にエネルギーを必要とする部位である。[4]

構造

反転網膜と非反転網膜

脊椎動物の網膜は、光を感じる細胞が網膜の奥にあるという意味で反転しており、光は桿体と錐体の光感受性部分に到達する前に、ニューロンと毛細血管の層を通過しなければならない。 [5]視神経を形成する軸索を持つ神経節細胞は網膜の前方にあるため、視神経は脳に到達するまでに網膜を通過しなければならない。この領域には光受容体が存在しないため、盲点が生じる。[6]対照的に、頭足動物の網膜では、光受容体が前方にあり、処理ニューロンと毛細血管がその後方にある。そのため、頭足動物には盲点がない。

網膜上に存在する神経組織は部分的に透明であり、付随するグリア細胞は光子を光受容体に直接輸送する光ファイバーチャネルとして機能することが示されているものの[7] [8]、 光の散乱は発生します。[9]ヒトを含む一部の脊椎動物は、網膜中心に高感度の視覚に適応した領域を有しています。中心窩と呼ばれるこの領域は無血管（血管が存在しない）であり、光受容体の前方の神経組織は最小限であるため、光の散乱は最小限に抑えられています。[9]

頭足動物は非反転型の網膜を有し、その分解能は多くの脊椎動物の眼に匹敵する。イカの眼には脊椎動物の網膜色素上皮（RPE）に相当するものは存在しない。イカの光受容体にはレチノクロムというタンパク質が含まれており、このタンパク質は網膜をリサイクルして脊椎動物RPEの機能の一つを再現するが、頭足動物の光受容体は脊椎動物ほど良好に維持されていないと考えられ、その結果、無脊椎動物の光受容体の有効寿命は脊椎動物よりもはるかに短い。[10]容易に置換される柄眼（一部のロブスター）や網膜（デイノピス[11]などの一部のクモ）を持つことは稀である。

頭足動物の網膜は、脊椎動物の網膜のように脳の突起として発生するのではない。この違いは、脊椎動物と頭足動物の眼が相同ではなく、別々に進化してきたことを示唆している。進化論的な観点から見ると、反転網膜のようなより複雑な構造は、一般的に2つの過程、すなわち競合する機能的限界の間の有利な「良好な」妥協、あるいは器官の進化と変容の複雑な過程における歴史的不適応の名残として、交互に出現する可能性がある。視覚は高等脊椎動物にとって重要な適応である。

脊椎動物の「反転した」眼に関する3つ目の見解は、それが2つの利点を兼ね備えているというものである。1つは前述の光受容体の維持、もう1つは光受容体の失明を避けるために必要な光強度の低減である。この2つの利点は、現代のヌタウナギ（非常に深く暗い水域に生息する魚類）の祖先の極めて敏感な眼に基づいている。[12]

APS（アメリカ物理学会）[13]による網膜の反転構造の進化的目的に関する最近の研究では、「グリア細胞の方向性は、人間の視覚の鮮明さを向上させるのに役立ちます。しかし、私たちはまた、かなり奇妙なことにも気づきました。グリア細胞を最もよく通過する色は、日中の視覚に最も必要な緑から赤でした。目は通常、青色を過剰に受け取るため、青色に敏感な錐体細胞が少なくなります。」

さらにコンピュータシミュレーションを行ったところ、緑色と赤色の光は、青色光よりも5～10倍もグリア細胞によってそれぞれの錐体細胞に集光されることが示されました。一方、過剰な青色光は周囲の桿体細胞に散乱されます。この最適化により、日中の色覚は向上し、夜間の視力への影響はごくわずかです。

網膜層

人間の網膜の層を様々な要素で示した正投影断面図。光は右上から入ってくる。
網膜の桿体細胞、錐体細胞、神経層：目の前面（前部）は左側にあります。（左から）光は複数の透明な神経層を通過し、桿体細胞と錐体細胞（右端）に到達します。桿体細胞と錐体細胞における化学変化が神経に信号を送り返します。信号はまず双極細胞と水平細胞（黄色の層）に送られ、次にアマクリン細胞と神経節細胞（紫色の層）に送られ、最後に視神経線維に送られます。信号はこれらの層で処理されます。まず、信号は桿体細胞と錐体細胞の点から得られる生の出力として始まります。次に、神経層は暗い点に囲まれた明るい点、縁、動きなどの単純な形状を識別します。（ラモン・イ・カハールの1911年の絵に基づく）
正常な色覚を持つ人（左）と色覚異常（1型盲）の人の網膜における錐体細胞の分布を示す図。中心窩の中心部には、青色に敏感な錐体細胞がほとんど存在しない。
人間の眼の中心窩と盲点を通る線に沿った桿体と錐体の分布[14]

脊椎動物の網膜は10の層から構成されています。[15]硝子体から近い層から遠い層まで：

  1. 内境界膜–ミュラー細胞によって形成される基底膜
  2. 神経線維層–神経節細胞体の軸索（この層と内境界膜の間にはミュラー細胞足板の薄い層が存在する）
  3. 神経節細胞層– 視神経線維となる軸索を持つ神経節細胞の核と、一部のずれたアマクリン細胞を含む[2]
  4. 内網状層–双極細胞の軸索と神経節細胞およびアマクリン細胞の樹状突起との間のシナプスを含む[2]
  5. 内核層–アマクリン細胞、双極細胞、水平細胞の核と周囲の細胞体（周核層）を含む[2]
  6. 外網状層– 桿体と錐体の突起で、それぞれ桿体球状体と錐体茎で終わり、双極細胞と水平細胞の樹状突起とシナプスを形成します。[2]黄斑領域では、これはヘンレ線維層として知られています。
  7. 外核層– 桿体と錐体の細胞体
  8. 外境界膜– 光受容体の内節部分を細胞核から隔てる層
  9. 内節/外節層- 桿体と錐体の内節と外節。外節には高度に特殊化した光感知装置が含まれている。[16] [17]
  10. 網膜色素上皮– 立方体上皮細胞の単層（図には突出は示されていない）。この層は脈絡膜に最も近く、神経網膜に栄養と支持機能を提供する。色素層中の黒色色素メラニンは、眼球全体の光の反射を防ぎ、明瞭な視力にとって極めて重要である。[18] [19] [20]

これらの層は、主に4つの処理段階に分類できます。光受容、双極細胞への伝達、光受容体である光感受性神経節細胞を含む神経節細胞への伝達、そして視神経に沿った伝達です。各シナプス段階では、 水平細胞とアマクリン細胞も横方向に接続されています。

視神経は、多数の神経節細胞の軸索が束ねられた中枢神経路であり、主に間脳（前脳の後部）にある視覚中継局である外側膝状体へと繋がっています。また、上丘、視交叉上核、そして視索核にも投射しています。視神経は他の層を通過し、霊長類では視神経乳頭を形成します。[21]

一部の脊椎動物群では、視覚に直接関連しない構造が網膜から突出している。鳥類では、網膜から硝子体へと突出する櫛状構造が複雑な形状の血管構造であり、眼に酸素と栄養を供給し、視覚にも関与している。爬虫類も同様の構造を持つが、はるかに単純である。[22]

成人の網膜全体は、直径約22mmの球形の約72%を占めます。網膜全体には約700万個の錐体細胞と7500万～1億5000万個の桿体細胞が含まれています。視神経乳頭は網膜の一部で、光受容器がないため「盲点」と呼ばれることもあります。視神経乳頭は、視神経線維が眼球から出る視神経乳頭に位置しています。視神経乳頭は、 3mm²の楕円形の白い領域として現れます。この視神経乳頭の側頭部（こめかみの方向）には黄斑があり、その中心には中心窩があります。中心窩は、鮮明な中心視力を担う小さな穴ですが、桿体細胞がないため、実際には光に対する感度が低くなっています。ヒトやヒト以外の霊長類は中心窩を1つしか持ちませんが、タカなどの一部の鳥類は中心窩を持たず、イヌやネコは中心窩を持たず、視条と呼ばれる中心帯を持ちます。[要出典]中心窩の周囲には約6mmの中心網膜が広がり、その後に周辺網膜が続く。網膜の最外縁は鋸状縁によって定義される。鋸状縁からもう一方の鋸状縁（黄斑）までの距離は、水平子午線に沿った最も感度の高い領域であり、約32mmである。[要説明]

断面で見ると、網膜の厚さはわずか0.5mmです。網膜には3層の神経細胞と、独特のリボンシナプスを含む2層のシナプスがあります。視神経は神経節細胞の軸索を脳へ、そして網膜に栄養を供給する血管へと運びます。神経節細胞は眼球の最も奥深くに位置し、光受容細胞はそのさらに奥に位置しています。この直感に反する配置のため、光は桿体細胞と錐体細胞に到達する前に、まず神経節細胞を通り抜け、網膜の厚さ（毛細血管を含むが図示されていない）を通過しなければなりません。光は網膜色素上皮または脈絡膜（どちらも不透明）によって吸収されます。

青色光を見ると、視細胞の前にある毛細血管内の白血球が、小さな明るい動く点として知覚されます。これはブルーフィールド内視現象（またはシェーラー現象）として知られています。

神経節細胞層と桿体細胞および錐体細胞の間には、シナプス接合が行われる2層のニューロパイル層があります。ニューロパイル層は、外網状層と内網状層です。外網状層では、桿体細胞と錐体細胞は垂直方向に走る双極細胞に、水平方向に走る水平細胞は神経節細胞にそれぞれ接続します。

網膜中心には主に錐体細胞が含まれ、周辺網膜には主に桿体細胞が含まれます。網膜には合計で約 700 万本の錐体細胞と 1 億本の桿体細胞があります。黄斑の中心には中心窩があり、錐体は細長く、六角形のモザイク状に並んでおり、網膜の周辺部にあるはるかに太い錐体とは対照的に最も密度が高くなっています。[23]中心窩では、他の網膜層が移動し、中心窩の縁、または網膜の最も厚い部分である傍中心窩に達するまで、中心窩斜面に沿って構築されます。黄斑は、スクリーニング色素による黄色の色素沈着があり、黄斑として知られています。中心窩を直接囲む領域には、単一の双極細胞に収束する桿体細胞が最も高密度に存在します。錐体細胞の信号の収束がはるかに少ないため、中心窩では目が得られる最も鮮明な視覚が得られます。[2]

桿体と錐体は一種のモザイクですが、受容体から双極細胞、そして神経節細胞への伝達は直接的ではありません。約1億5000万個の受容体に対し、視神経線維はわずか100万本しか存在しないため、信号の収束、ひいては混合が必ず起こります。さらに、水平細胞とアマクリン細胞の水平方向の作用により、網膜のある領域が別の領域を制御することが可能になります（例えば、ある刺激が別の刺激を抑制する）。この抑制は、脳の高次領域に送られるメッセージの総量を減らす鍵となります。一部の下等脊椎動物（例えばハト）では、メッセージの制御は「遠心的」です。つまり、ある層が別の層を制御したり、脳の高次領域が網膜神経細胞を駆動したりしますが、霊長類ではこれは起こりません。[2]

光干渉断層撮影で画像化できる層

光干渉断層撮影（OCT）を用いると、網膜には少なくとも13層が同定できる。各層と解剖学的相関は以下の通りである。[24] [25] [26]

網膜黄斑部の800 nmにおける時間領域OCT、軸方向分解能3μm
スペクトルドメインOCT黄斑断面スキャン
黄斑組織学（OCT）
黄斑組織学（OCT）

OCT で識別できる層は、最も内側から最も外側まで次のとおりです。

発達

網膜の発生は、 SHHおよびSIX3タンパク質によって媒介される眼野の形成から始まり、続いてPAX6およびLHX2タンパク質によって制御される眼胞の発生が起こります。[33]眼の発生におけるPax6の役割は、Walter Gehringらによって見事に実証され、彼らは、Pax6の異所性発現がショウジョウバエの触角、羽、および脚に眼を形成できることを示しました。[34]眼胞は、神経網膜、網膜色素上皮、および視神経柄の3つの構造を形成します。神経網膜には、網膜の7種類の細胞を形成する網膜前駆細胞（RPC）が含まれています。分化は網膜神経節細胞から始まり、ミュラーグリアの生成で終わります。[35]各細胞型はRPCから順番に分化しますが、個々の細胞型が分化するタイミングにはかなりの重複があります。[33] RPC娘細胞の運命を決定する手がかりは、 bHLH因子やホメオドメイン因子を含む複数の転写因子ファミリーによってコードされています。[36] [37]

網膜には、細胞運命決定を導くだけでなく、背腹軸（DV軸）と鼻側側頭軸（NT軸）を決定する手がかりが存在する。DV軸はVAX2の腹側から背側への勾配によって確立され、NT軸はフォークヘッド転写因子FOXD1とFOXG1の発現によって調整される。網膜内にはさらなる勾配が形成される。[37]この空間分布は、網膜トピックマップを確立する機能を持つRGC軸索の適切な標的化を助ける可能性がある。[33]

血液供給

正常なヒトの網膜の血管を示す眼底写真。静脈は動脈よりも暗く、わずかに太く見える。視神経乳頭は右側にあり、黄斑は中央付近にある。

網膜は明確な層に分かれており、それぞれの層には特定の細胞タイプまたは細胞区画が含まれています[38]。これらの細胞タイプまたは細胞区画は、異なる栄養要件を持つ代謝を持っています[39] 。これらの要件を満たすために、眼動脈は2つの異なる血管網に分岐し、脈絡膜と外網膜に供給する脈絡膜網と、網膜の内層に供給する網膜網の2つの異なる血管網を介して網膜に供給します[40] 。

脊椎動物の網膜反転は直感に反するように見えるが、網膜の正常な機能には不可欠である。光受容層は網膜色素上皮（RPE）に埋め込まれている必要があり、RPEは少なくとも7つの重要な機能を担っている。[41]最も明白な機能の一つは、光受容細胞の機能に必要な酸素やその他の栄養素を供給することである。

エネルギー要件

網膜のエネルギー必要量は脳よりもさらに大きい。[4] これは、光受容体外節の継続的な更新に必要な追加のエネルギーによるもので、その10%は毎日失われている。[4]エネルギー需要は、感度が最も高まる暗順応時に最も高くなる。[42]脈絡膜は網膜にこれらの栄養素の約75%を供給し、網膜血管はわずか25%しか供給していない。[5]

光が桿体と錐体の視床下部にある11-シス-レチナールに当たると、11-シス-レチナールはオールトランス-レチナールへと変化し、これがオプシンの変化を引き起こします。外節は、光によって変化したレチナールをシス型に戻すことはありません。代わりに、レチナールは周囲のRPE（網膜色素上皮）へと送り出され、そこで再生されて光受容体の外節へと輸送されます。RPEのこのリサイクル機能は、光受容体を光酸化ダメージから保護し[43] [44]、光受容体細胞の寿命を数十年にわたって延ばしています。

鳥類では

鳥類の網膜には血管がありません。これはおそらく、像を形成する際に光が遮られることなく通過できるようにし、解像度を向上させるためでしょう。そのため、鳥類の網膜は栄養と酸素の供給を、盲点または視神経乳頭に位置する「櫛状部」または「櫛状眼球」と呼ばれる特殊な器官に依存しているという説があります。この器官は血管が非常に豊富で、硝子体を通して拡散することで鳥類の網膜に栄養と酸素を供給していると考えられています。櫛状部はアルカリホスファターゼ活性が非常に高く、橋梁部分には極性細胞が多数存在し、どちらも分泌機能にふさわしいものです。[45]櫛状細胞は暗色のメラニン顆粒で満たされており、櫛状部に当たる迷光を吸収することで網膜を保温していると考えられています。これにより櫛状の代謝率が高まり、長時間の光曝露下で網膜の厳しいエネルギー需要を満たすために、より多くの栄養分子が輸送されると考えられています。[46]

生体認証による病気の識別と診断

網膜内血管網の分岐やその他の物理的特性は個人間で異なることが知られており、[47]このような個人差は生体認証や病気の早期発見に利用されている。血管分岐のマッピングは生体認証の基本的なステップの1つである。 [48]網膜血管構造のこのような分析の結果は、DRIVEデータセット[50]から得られた網膜眼底画像の血管分岐のグランドトゥルースデータ[49]に対して評価することができる。さらに、DRIVEデータセットの血管のクラスも特定されており[51]、これらの分岐を正確に抽出する自動化された方法も利用可能である。[52]網膜の血液循環の変化は加齢[53]や大気汚染への曝露に伴って見られ[54]、高血圧や動脈硬化などの心血管疾患を示している可能性がある。[55] [56] [57]視神経乳頭付近の細動脈と細静脈の等価幅を決定することも、心血管リスクを特定するために広く使用されている技術である。[58]

関数

網膜は、網膜の光受容細胞である桿体と錐体の色覚色素のパターン化された興奮から始まり、光学像を神経インパルスに変換します。この興奮は神経系と脳の様々な部位によって処理され、脳内に外部環境の表現を形成します。[要出典]

錐体細胞は明るい光に反応し、日光下では高解像度の色覚を媒介します（明所視とも呼ばれます）。桿体細胞の反応は日光レベルでは飽和しており、パターン視覚には寄与しません。しかし、桿体細胞は薄暗い光に反応し、非常に低い照度下では解像度の低い単色視覚を媒介します（暗所視と呼ばれます）。ほとんどのオフィス環境の照明はこれら2つのレベルの中間に位置し、薄明視と呼ばれています。薄明視レベルでは、桿体細胞と錐体細胞の両方がパターン情報を積極的に提供します。このような状況下で桿体情報がパターン視覚にどのような寄与をするのかは不明です。

錐体がさまざまな波長の光に反応することを分光感度といいます。通常の人間の視覚では、錐体の分光感度は 3 つのサブタイプ (青、緑、赤と呼ばれることが多いが、より正確には短、中、長波長に敏感な錐体サブタイプ) のいずれかに分類されます。錐体サブタイプの 1 つ以上が欠損していることで、個人は色覚に欠陥があり、さまざまな色盲になります。これらの個人は特定の色の物体が見えなくなるわけではありませんが、正常な視力を持つ人が区別できる色を区別することができません。人間はこの 3色型色覚を備えていますが、他のほとんどの哺乳類は赤色に敏感な色素を含む錐体を欠いているため、2 色型色覚は劣っています。ただし、動物の中には 4 つの分光サブタイプを持つものもあり、たとえばマスは人間と同様の短、中、長のサブタイプに紫外線サブグループを追加しています。魚類の中には光の偏光にも敏感なものもいます。

光受容体では、光への曝露により、段階的な一連の変化を経て膜が過分極する。外側の細胞節には光色素が含まれている。細胞内では、正常レベルの環状グアノシン一リン酸（cGMP）がNa+チャネルを開いたままにするため、休止状態では細胞は脱分極している。光子により、受容体タンパク質に結合したレチナールがトランスレチナールに異性化する。これにより、受容体は複数のGタンパク質を活性化する。これにより、タンパク質のGaサブユニットがホスホジエステラーゼ（PDE6）を活性化し、cGMPを分解して、Na+環状ヌクレオチド依存性イオンチャネル（CNG）を閉じる。こうして細胞は過分極する。放出される神経伝達物質の量は、明るい光の下では減少し、光レベルが低下するにつれて増加する。実際の光色素は明るい光の中では脱色され、化学反応によってのみ補充されるため、明るい光から暗闇に移行すると、目が完全に感度に達するまでに最大 30 分かかることがあります。

光によって興奮すると、光受容体はシナプス的に比例的な反応を双極細胞に送り、双極細胞は網膜神経節細胞に信号を送ります。光受容体は水平細胞とアマクリン細胞によっても架橋されており、これらの細胞はシナプス信号が神経節細胞に到達する前に調整を行い、神経信号は混合・合成されます。網膜の神経細胞のうち、網膜神経節細胞と少数のアマクリン細胞のみが活動電位を生成します。

網膜神経節細胞には、細胞の受容野に応じて2種類の反応があります。網膜神経節細胞の受容野は、光が細胞の発火に一方的な影響を与える中央のほぼ円形の領域と、光が反対の影響を与える環状の周囲領域で構成されています。ON細胞では、受容野中央の光強度が増加すると発火率が上昇します。OFF細胞では、光強度が増加すると発火率は低下します。線形モデルでは、この反応プロファイルはガウス分布の差によって適切に記述され、エッジ検出アルゴリズムの基礎となります。この単純な違いに加えて、神経節細胞は色感度と空間加算の種類によっても区別されます。線形空間加算を示す細胞は X 細胞 (小細胞細胞、P 細胞、またはミゼット神経節細胞とも呼ばれる) と呼ばれ、非線形加算を示す細胞は Y 細胞 (大細胞細胞、M 細胞、またはパラソル網膜神経節細胞とも呼ばれる) と呼ばれますが、X 細胞と Y 細胞 (猫の網膜) および P 細胞と M 細胞 (霊長類の網膜) の対応は、かつて考えられていたほど単純ではありません。

視覚信号を脳に伝える視覚経路において、網膜は垂直に2つに分かれており、側頭側（こめかみ側）と鼻側（鼻側）の半分に分かれています。鼻側からの軸索は視交叉で脳を横切り、もう一方の眼の側頭側からの軸索と合流した後、外側膝状体へと進みます。

網膜には1億3000万以上の受容体があるが、視神経には約120万本の線維（軸索）しかない。そのため、網膜内で大量の前処理が行われる。中心窩は最も正確な情報を生成する。視野の約0.01%（視角2°未満）を占めるにもかかわらず、視神経の軸索の約10%が中心窩に向けられている。中心窩の解像度限界は約10,000点とされている。情報容量は、色なしで500,000ビット/秒（ビットの詳細については情報理論を参照）、色を含む場合は約600,000ビット/秒と推定されている。[59]

空間エンコーディング

網膜の中心と中心外

網膜が画像を表す神経インパルスを脳に送る際、視神経の限られた容量に収まるように、それらのインパルスを空間的に符号化（圧縮）します。網膜には神経節細胞の100倍もの光受容細胞があるため、圧縮は不可欠です。これは「無相関化」によって行われ、これは双極細胞と神経節細胞によって実現される「中心-周囲構造」によって実行されます。

網膜には、中心と周囲を結ぶ構造として、オンセンターとオフセンターの2種類があります。オンセンターは、中心に正の重み付けがあり、周囲に負の重み付けがあります。オフセンターはその逆です。正の重み付けは一般的に興奮性、負の重み付けは抑制性と呼ばれます。

これらの中心-周囲構造は、組織サンプルを染色したり網膜の構造を調べたりしても物理的に明らかではないという意味で、物理的に明らかではありません。中心-周囲構造は、双極細胞と神経節細胞間の接続強度に依存するという意味で、論理的（つまり数学的に抽象的）です。細胞間の接続強度は、双極細胞と神経節細胞間のシナプスに埋め込まれたイオンチャネルの数と種類によって決まると考えられています。

中心-周囲構造は、コンピュータプログラマがデジタル写真のエッジを抽出または強調するために使用するエッジ検出アルゴリズムと数学的に同等です。つまり、網膜は画像を表すインパルスに対して演算処理を実行し、視野内の物体のエッジを強調します。例えば、犬、猫、車の写真では、これらの物体のエッジに最も多くの情報が含まれています。脳（あるいはコンピュータ）の高次機能が犬や猫といった物体を抽出・分類するためには、網膜がシーン内の様々な物体を分離する最初のステップとなります。

例として、次の行列はエッジ検出を実装するコンピュータアルゴリズムの中核を成すものです。この行列は、中心-周囲構造のコンピュータ版です。この例では、行列内の各ボックス（要素）は1つの光受容体に接続されます。中央の光受容体は現在処理中の受容体です。中央の光受容体には重み係数+1が乗算されます。周囲の光受容体は中心に最も近い光受容体であり、-1/8の値が乗算されます。最終的に、これら9つの要素の合計が計算されます。この合計は、画像内のすべての光受容体について、行の末尾まで左にシフトし、次に次の行までシフトすることで繰り返されます。

9つの光受容体からの入力がすべて同じ値の場合、この行列の総和はゼロになります。ゼロという結果は、この小さなパッチ内で画像が均一（変化なし）であったことを示します。総和が負または正の場合は、この9つの光受容体からなる小さなパッチ内で画像が変化（変化）していたことを意味します。

上記のマトリックスは、網膜内で実際に起こっていることの近似値に過ぎません。違いは以下のとおりです。

  • 上記の例は「バランスが取れている」と呼ばれます。バランスとは、負の重みの合計が正の重みの合計と等しく、完全に打ち消し合うことを意味します。網膜神経節細胞が完全にバランスしていることはほとんどありません。
  • テーブルは正方形ですが、網膜の中心と周囲の構造は円形です。
  • ニューロンは神経細胞の軸索を伝わるスパイク列に基づいて動作します。コンピュータは、各入力ピクセルから得られる基本的に一定の単一の浮動小数点数値に基づいて動作します。（コンピュータのピクセルは、基本的に生物の光受容体に相当します。）
  • 網膜はこれらすべての計算を並列に実行しますが、コンピューターは各ピクセルを1つずつ処理します。網膜はコンピューターのように繰り返し加算やシフト処理を行いません。
  • 最後に、水平細胞とアマクリン細胞はこのプロセスで重要な役割を果たしますが、ここでは示されていません。

以下は入力画像の例と、エッジ検出によってそれがどのように変更されるかを示したものです。

入力画像

中心-周囲構造によって画像が空間的に符号化されると、信号は視神経（神経節細胞の軸索経由）を通って視交叉を通過し、外側膝状体（LGN ）へと送られます。LGNの正確な機能は現時点では不明です。LGNの出力は脳の後部へと送られます。具体的には、LGNの出力はV1一次視覚野へと「放射」されます。

簡略化されたシグナルフロー：光受容体 → 双極性 → 神経節 → 視交叉 → LGN → V1皮質

ERP光ケーブル

臨床的意義

網膜に影響を及ぼす可能性のある遺伝性および後天性の疾患や障害は数多くあります。その一部を以下に示します。

さらに、網膜は脳と体の「窓」とも言われており、網膜検査で異常が検出されると神経疾患と全身疾患の両方が発見される可能性がある。[61]

診断

網膜に影響を与える疾患や障害の診断には、様々な機器が利用可能です。眼底検査や眼底写真撮影は、古くから網膜の検査に用いられてきました。最近では、補償光学技術を用いて、生きたヒトの網膜における個々の桿体細胞と錐体細胞を画像化できるようになり、スコットランドに拠点を置く企業は、患者に不快感を与えることなく網膜全体を観察できる技術を開発しました。[62]

網膜電図は、特定の疾患の影響を受ける網膜の電気的活動を非侵襲的に測定するために使用されます。比較的新しい技術で、現在広く利用可能になりつつあるのが光干渉断層撮影（OCT）です。この非侵襲的な技術により、網膜の微細構造の3D体積断層画像または高解像度の断層画像を組織学的品質で取得できます。網膜血管分析は、網膜の小動脈と静脈を検査する非侵襲的な方法であり、人体の他の部位の小血管の形態と機能に関する結論を導き出すことができます。これは心血管疾患の予測因子として確立されており[63]、2019年に発表された研究によると、アルツハイマー病の早期発見にも役立つ可能性があると考えられています[64] 。

処理

治療法は病気や障害の性質によって異なります。

一般的な治療法

網膜疾患の一般的な治療法は以下のとおりです。

珍しい治療法

網膜遺伝子治療

遺伝子治療は、様々な網膜疾患を治療する潜在的な手段として期待されています。これは、非感染性ウイルスを用いて遺伝子を網膜の一部に送り込むものです。組み換えアデノ随伴ウイルス（rAAV）ベクターは、病原性がなく、免疫原性も最小限で、有糸分裂後細胞に安定的かつ効率的に遺伝子導入できるなど、網膜遺伝子治療に最適な多くの特徴を備えています。[65] rAAVベクターは、網膜色素上皮（RPE）、光受容細胞、網膜神経節細胞への効率的な遺伝子導入を媒介する能力があることから、ますます利用されています。AAV血清型、プロモーター、眼内注射部位 を適切に組み合わせることで、各細胞タイプを特異的に標的とすることができます。

すでにいくつかの臨床試験で、rAAVを用いたレーバー先天性黒内障の治療に関する肯定的な結果が報告されており、この治療法が安全かつ効果的であることが示されています。[66] [67]重篤な有害事象はなく、3つの研究すべてで、患者はさまざまな方法で測定した視覚機能の改善を示しました。使用された方法は3つの試験間で異なりますが、視力[67] [68] [69]や機能的可動性[68] [69] [70]などの機能的方法と、瞳孔の光反応能力[66] [71]や機能的MRIの改善など、バイアスの影響を受けにくい客観的な指標の両方が含まれていました。[72]改善は長期にわたって持続し、患者は1.5年以上経っても良好な状態を続けています。[66] [67]

網膜の独特な構造と、比較的免疫に恵まれた環境がこの過程を助けている。[73] 血液網膜関門を形成するタイトジャンクションは網膜下腔を血液供給から分離し、微生物やほとんどの免疫介在性損傷から網膜下腔を保護し、ベクター介在性治療に対する反応性を高めている。眼の高度に区画化された構造は、顕微手術技術を用いた直接観察下で、治療用ベクター懸濁液を特定の組織に正確に送達することを容易にする。[74]網膜という保護された環境では、AAVベクターは1回の治療後、長期間にわたり網膜色素上皮（RPE）、光受容体、または神経節細胞において高レベルの遺伝子発現を維持することができる。さらに、非侵襲性の高度な技術を用いた注射後、視力、コントラスト感度、眼底自己蛍光（FAF）、暗順応視覚閾値、血管径、瞳孔測定、網膜電気記録（ERG）、多焦点ERG、光干渉断層撮影（OCT）などの視覚機能と網膜構造の変化について、眼と視覚系を日常的に簡単にモニタリングすることができる。[75]

この戦略は、加齢黄斑変性、糖尿病網膜症、未熟児網膜症の特徴である新生血管疾患など、研究されている多くの網膜疾患に有効です。成熟網膜の血管新生の調節には、血管内皮増殖因子（VEGF）などの内因性の陽性成長因子と色素上皮由来因子（ PEDF ）などの血管新生阻害因子のバランスが関係しているため、rAAVを介したPEDF、アンジオスタチン、可溶性VEGF受容体sFlt-1（すべて抗血管新生タンパク質）の発現は、動物モデルにおいて異常血管形成を減少させることが示されています。[76]網膜ジストロフィー患者のかなりの部分に対して特異的遺伝子治療を容易に使用することができないため、より一般的に適用可能な生存因子治療の開発に大きな関心が寄せられています。神経栄養因子は、眼の発達過程において神経細胞の成長を調節し、既存の細胞を維持し、損傷した神経細胞集団の回復を促す能力を有する。線維芽細胞増殖因子（FGF）ファミリーのメンバーやGDNFなどの神経栄養因子をコードするAAVは、光受容体をアポトーシスから保護するか、細胞死を遅らせる。[76]

臓器移植網膜 移植は試みられてきたが、大きな成果は得られていない。MIT、南カリフォルニア大学、アーヘン工科大学、ニューサウスウェールズ大学では、「人工網膜」の開発が進められている。これは、網膜の光受容体を迂回し、デジタルカメラからの信号で網膜に付着した神経細胞を直接刺激するインプラントである。

歴史

紀元前300年頃、ヘロフィロスは死体の眼球解剖から網膜を発見しました。彼はそれを蜘蛛の巣に似ていることからクモ膜層と呼び、投網に似ていることから網状層と呼びました。クモ膜という用語は脳の周囲の層を指すようになり、網状層という用語は網膜を指すようになりました。[77]

西暦1011年から1021年にかけて、イブン・アル＝ハイサムは、視覚は物体から反射した光が眼球に入ることで生じることを示す数多くの実験を発表しました。これは、視覚は眼球から放射される光線によって生じるという入射説と整合し、放射説とは矛盾しています。しかし、イブン・アル＝ハイサムは、網膜に結像する像が反転しているため、視覚の始まりは網膜によるものではないと判断しました。彼は、視覚は水晶体の表面から始まるはずだと結論づけました。[78]

1604年、ヨハネス・ケプラーは眼の光学を解明し、視覚の始まりは網膜にあると結論づけました。彼は、網膜像の反転と、私たちが世界を正立的に認識していることを調和させることを他の科学者に委ねました。[79]

1894年、サンティアゴ・ラモン・イ・カハールは「脊椎動物の網膜」の中で網膜神経細胞の最初の主要な特徴付けを発表しました。[80]

ジョージ・ウォルド、ハルダン・ケファー・ハートライン、ラグナル・グラニットは網膜に関する科学的研究により1967年のノーベル生理学・医学賞を受賞した。 [81]

ペンシルベニア大学の最近の研究では、人間の網膜の帯域幅はおおよそ8.75メガビット/秒であるのに対し、モルモットの網膜の転送速度は875キロビット/秒であると計算されました。[82]

2006年、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジとムーアフィールズ眼科病院のマクラーレンとピアソンらは、ドナー細胞が重要な発達段階にある場合、マウスの網膜に光受容体細胞を移植することに成功したことを明らかにした。 [83]最近、ダブリンのアダーらは、電子顕微鏡を用いて、移植された光受容体がシナプス結合を形成することを明らかにした。[84]

2012年、セバスチャン・スンとMITの研究室は、プレイヤーが網膜のニューロンをトレースするオンラインの市民科学ゲーム「EyeWire」を立ち上げました。 [85] EyeWireプロジェクトの目標は、既知の網膜細胞の広範なクラスの中で特定の細胞タイプを識別し、網膜のニューロン間の接続をマッピングすることです。これは、視覚の仕組みを解明するのに役立ちます。[86] [87]

追加画像

  • 目の構造はラベル付けされている
    目の構造はラベル付けされている
  • 目の別の図と、ラベルの付いた目の構造
    目の別の図と、ラベルの付いた目の構造
  • 視神経と線条体皮質の処理とは独立して網膜で「見られる」画像の図解
    視神経と線条体皮質の処理とは独立して網膜で「見られる」画像の図解

参照

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さらに読む

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  • ウィリアム・クラウス編『眼の組織学』（ミズーリ大学医学部病理学・解剖学教室）
  • 目、脳、そして視覚 – オンラインブック – デビッド・ヒューベル著
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  • 網膜層画像。米国国立医学図書館所蔵のNeuroScience 2nd Ed.
  • ジェレミー・ネイサンズ氏のセミナー：「脊椎動物の網膜：構造、機能、進化」
  • 網膜 – 細胞中心データベース
  • 組織学画像: 07901loa – ボストン大学の組織学学習システム
  • MedlinePlus百科事典：002291