Signal transduction and signal transmission

Vision begins in highly specialized light-sensing neurons, the rod and cone photoreceptors. Their task is to absorb photons, transduce the physical stimulus into neuronal signals, transmit the signals to the parallel signal processing pathways of the subsequent retinal network with the highest possible fidelity and continuously adapt to changes in stimulus intensities. If you imagine a pitch-black night with only a few photons hitting the retina and being absorbed by the photoreceptors and a bright sunny day with the photoreceptors being bombarded by billions of photons, you realize that a photoreceptor faces two fundamental challenges: it has to detect the light signal with the greatest sensitivity, e.g. a single photon leads to a change in the membrane potential of a rod photoreceptor and, at the same time, encode light intensities covering a broad dynamic range of several orders of magnitude. To fulfill these demands, photoreceptors have developed separate, structurally and functionally specialized compartments, which are the topic of this article: the outer segment for signal transduction and the terminal with its highly complex ribbon synapse for signal transmission.ZusammenfassungSehen beginnt in hoch spezialisierten sensorischen Nervenzellen, den Stäbchen- und Zapfen-Photorezeptoren. Ihre Aufgabe ist die Aufnahme und Umwandlung von Lichtteilchen in elektrische Signale, welche sie in höchster Präzision auf das nachfolgende Netzwerk der Retina übertragen. Photorezeptoren haben die Fähigkeit, sich in ihrer Aktivität ständig den vorherrschenden Lichtverhältnissen anzupassen. Man stelle sich eine stockdunkle Nacht vor, in der es nur vereinzelte Lichtteilchen gibt, die auf die Retina treffen und von den Photorezeptoren aufgenommen werden, und im Vergleich dazu einen strahlend hellen Sonnentag mit Milliarden von Lichtteilchen, die auf die Photorezeptoren einwirken. Auf diese Weise wird einem bewusst, dass die Photorezeptoren zwei grundlegende Herausforderungen zu bewältigen haben: Sie müssen äußerst empfindlich sein – schon ein einzelnes Lichtteilchen reicht aus, um eine Aktivitätsveränderung in einem Stäbchen-Photorezeptor auszulösen – und gleichzeitig müssen sie eine ungeheure dynamische Bandbreite an Lichtintensitäten wahrnehmen, die mehrere Zehnerpotenzen umfasst. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, haben die Photorezeptoren abgegrenzte, strukturell und funktionell spezialisierte Kompartimente entwickelt, die in diesem Beitrag näher beschrieben werden sollen: das Photorezeptor-Außensegment, das die Aufgabe der Signalwandlung innehat, und die Endigungen der Photorezeptoren mit ihren hochkomplexen Bandsynapsen, welche die Aufgabe der Signalübertragung übernehmen.