Célula ganglionar da retina fotosensible

As células ganglionares da retina fotosensibles (CGRf ou, en inglés, pRGC), tamén chamadas células ganglionares da retina intrinsecamente fotosensibles (CGRif ou, en inglés, ipRGC) ou células ganglionares da retina que conteñen melanopsina (CGRm ou, en inglés, mRGC), son un tipo de neuronas da retina do ollo dos mamíferos. Sospeitábase da presenza de células que podían ser do tipo das CGRf xa en 1927 cando se observou que ratos sen conos nin bastóns aínda podían responder ao estímulo luminoso contraendo a pupila. Isto implicaba que os bastóns e os conos non eran as únicas neuronas sensibles á luz da retina. Porén, a investigación sobre estas células non avanzou ata a década de 1980. Investigacións recentes mostraron que estas células ganglionares da retina, a diferenza doutras células ganglionares da retina, son intrinsecamente fotosensibles debido á presenza no seu interior de melanopsina, unha proteína sensible á luz. Por tanto, constitúen unha terceira clase de fotorreceptores, ademais dos conos e bastóns. Resumo
Comparadas cos conos e bastóns, as CGRf responden máis lentamente e sinalizan a presenza de luz durante un longo período. Representan un subconxunto moi pequeno (~1%) das células ganglionares da retina. O seu papel funcional non consiste en formar imaxes e é fundamentalmente diferente da visión de padróns; proporcionan unha representación estable da intensidade da luz ambiental. Teñen polo menos tres funcións primarias: Xogan un papel principal na sincronización dos ritmos circadianos do ciclo de 24 horas de luz/escuridade, proporcionando principalmente información sobre as lonxitudes do día e da noite. Envían información da luz a través do tracto retinohipotalámico directamente ao marcapasos circadiano do cerebro, o núcleo supraquiasmático do hipotálamo. As propiedades fisiolóxicas destas células ganglionares correspóndense coas propiedades coñecidas da luz diúrna do mecanismo do arrastre ou entrainment (sincronización) que regula os ritmos circadianos. Ademais, as CGRf poderían tamén influír nos tecidos periféricos como na rexeneración do folículo piloso por medio dun circuíto núcleo supraquiasmático-nervio simpático.
As CGRf inervan outros lugares do cerebro, como o centro do control pupilar, o núcleo pretectal olivar do mesencéfalo. Contribúen á regulación do tamaño pupilar e outras respostas de comportamento ás condicións lumínicas do ambiente.
Contribúen á regulación fótica e supresión fótica aguda da liberación da hormona melatonina.
En ratas, exercen algunha función na percepción da visión consciente, incluíndo a percepción de barrados regulares, niveis de luz e información espacial.
As CGRf foron illadas tamén en humanos, onde, ademais de regularen os ritmos circadianos, funcionan como mediadoras no recoñecemento dun certo grao de luz en suxeitos sen bastóns nin conos que padecen trastornos dos fotorreceptores conos e bastóns. Traballos realizados por Farhan H. Zaidi e colegas mostraron que as células ganglionares fotorreceptoras poden ter algunhas funcións visuais en humanos.
O fotopigmento das CGRf, a melanopsina, excítase pola luz principalmente na porción azul do espectro visible (picos de absorción de ~480 nanómetros). O mecanismo de fototransdución nestas células non se comprende ben, mais parece probable que se asemelle ao dos fotorreceptores rabdoméricos de invertebrados. Ademais de responderen directamente á luz, estas células poden recibir influencias excitatorias e inhibitorias de bastóns e conos por medio de conexións sinápticas na retina.
Os axóns destes ganglios inervan rexións do cerebro relacionadas co recoñecemento de obxectos, como o colículo superior e o núcleo xeniculado lateral dorsal. Estrutura
Receptor de CGRf
Estas células fotorreceptoras proxéctanse tanto cara á retina coma cara ao cerebro. Conteñen o fotopigmento melanopsina en cantidades variables ao longo da membrana plasmática, incluíndo a dos axóns ata o disco óptico, o soma e as dendritas da célula. As CGRf conteñen receptores de membrana para os neurotransmisores glutamato, glicina e GABA. As células ganglionares fotosensibles responden á luz despolarizándose, o que incrementa o ritmo ao que envían impulsos nerviosos, o cal é o comportamento oposto ao das outras células fotorreceptoras, as cales se hiperpolarizan en resposta á luz.
Os resultados de estudos realizados en ratos indican que os axóns das CGRf non están mielinizados.
Melanopsina
A diferenza doutros pigmentos fotorreceptores, a melanopsina ten a capacidade de actuar tanto como un pigmento fotoexcitable coma unha fotoisomerase. A diferenza das opsinas visuais dos bastóns e conos, que dependen co ciclo visual estándar para recargar o todo-trans-retinal de novo no composto fotosensible 11-cis-retinal, a melanopsina pode isomerizar o all-trans-retinal a 11-cis-retinal cando é estimulada por outro fotón. Por tanto, unha CGRf non depende de células de Müller ou de células do epitelio pigmentado da retina para esta conversión.
As dúas isoformas da melanopsina difiren na súa sensibilidade espectral, porque a isoforma 11-cis-retinal responde máis a lonxitudes de onda máis curtas da luz, mentres que a isoforma todo-trans responde máis a lonxitudes de onda máis longas.
Entradas e saídas sinápticas
Entradas
As CGRf son tanto pre- coma postsinápticas respecto ás células amácrinas dopaminérxicas por medio de sinapses recíprocas, de modo que as CGRf envían sinais excitatorios ás células amácrinas dopaminérxicas e as células amácrinas dopaminérxicas envían sinais inhibitorios ás CGRf. Estes sinais inhibitorios son mediados polo GABA, que é coliberado das células amácrinas dopaminérxicas xunto coa dopamina. A dopamina ten funcións no proceso de adaptación á luz ao regular á alza a transcrición da melanopsina nas CGRf, incrementando así a sensibilidade do fotorreceptor. En paralelo coa inhibición das células amácrinas dopaminérxicas, as células amácrinas que liberan somatostatina, as cales son inhibidas polas células amácrinas dopaminérxicas, inhiben as CGRf. Outras entradas sinápticas que reciben as dendritas das CGRf son as das células bipolares conos e bastóns.
Saídas
Unha diana postsináptica das CGRf é o núcleo supraquiasmático do hipotálamo, que funciona como un reloxo circadiano nun organismo. As CGRf liberan o polipéptido activador da adenilato ciclase da pituitaria (PACAP) e glutamato no núcleo supraquiasmático por medio dunha conexión monosináptica chamada tracto retinohipotalámico. O glutamato ten un efecto excitatorio sobre as neuronas do núcleo supraquiasmático e a PACAP parece potenciar os efectos do glutamato no hipotálamo.
Outras dianas postsinápticas das CGRf son: a folla interxeniculada, unha agrupación de neuronas localizadas no tálamo, que xogan un papel no arrastre circadiano; o núcleo pretectal olivar, unha agrupación de neuronas do mesencéfalo que controla o reflexo pupilar á luz; o núcleo preóptico ventrolateral, localizado no hipotálamo e é un centro de control do sono, así como a amígdala cerebral. Función
Reflexo pupilar á luz
Usando varios ratos knockout para o fotorreceptor, identificouse o papel das CGRf na sinalización transitoria e sostida do reflexo pupilar á luz. O reflexo pupilar á luz transitorio ocorre con intensidades de luz tenues ou moderadas e é un resultado da fototransdución que ocorre nos conos, que proporciona entradas sinápticas ás CGRf, que á súa vez depende da información do núcleo pretectal olivar do mesencéfalo. O neurotransmisor que intervén no relevo da información cara ao mesencéfalo desde as CGRf no reflexo pupilar á luz transitorio é o glutamato. Con intensidades de luz máis fortes prodúcese o reflexo pupilar á luz sostido, que implica tanto a fototransdución dos bastóns proporcionando entradas ás CGRf e a fototransdución das propias CGRf por medio da melanopsina. Os investigadores suxeriron que o papel da melanopsina no reflexo pupilar á luz sostido débese á súa falta de adaptación aos estímulos luminosos en contraste cos bastóns, os cales mostran adaptación. O reflexo pupilar á luz sostido é mantido pola liberación de PACAP por parte das CGRf de maneira pulsátil.
Posible papel na visión consciente
Experimentos feitos con persoas carentes de conos e bastóns permitiron estudar outro posible papel do receptor. En 2007, atopouse unha nova función da célula ganglionar fotorreceptora. Zaidi e colegas mostraron que en humanos a CGRf contribúe á visión consciente, así como en funcións non formadoras de imaxes como os ritmos circadianos, comportamento de reaccións pupilares. Como estas células responden principalmente á luz azul, suxeriuse que teñen un papel na visión mesópica[Cómpre referencia] e que a vella teoría dunha retina puramente de función dobre, con visión da luz por medio de bastóns (na escuridade) e conos (na luz) era simplista. O traballo de Zaidi e colegas con humanos que carecían de conos e bastóns abriu a porta a atribuír un papel de formadoras de imaxe (visual) ás células ganglionares fotorreceptoras.
Descubriuse que hai vías paralelas para a visión: unha clásica baseada en conos e bastóns orixinada na retina externa, a outra un detector da claridade visual rudimentario orixinado na retina interna. Esta última parece ser activada pola luz antes que a primeira. Os fotorreceptores clásicos tamén se alimentan do novo sistema fotorreceptor, e a constancia da cor pode ser unha importante tarefa na que interveñen, como suxeriu Foster. [Cómpre referencia].
Os autores sinalaron que o modelo de persoas sen conos e bastóns que o receptor podería ser un instrumento para comprender moitas doenzas, como a principal causa da cegueira en todo o mundo, o glaucoma, unha doenza que afecta as células ganglionares.
Noutros mamíferos, os ganglios fotosensibles demostraron ter un verdadeiro papel na visión consciente. Os tests dirixidos por Jennifer Ecker et al. atoparon que as ratas que carecían de bastóns e conos podían aprender a nadar cara a secuencias de barras verticais iluminadas en vez de a unha pantalla gris de luminiscencia homoxénea.
Luz violeta a azul
A maioría dos traballos indican que o pico de sensibilidade espectral do receptor está entre 460 e 484 nm. Lockley et al. en 2003 demostraron que as lonxitudes de onda de 460 nm (azul) da luz suprimen a melatonina o dobre que a luz de 555 nm (verde), o pico de sensibilidade do sistema visual fotópico. En investigacións feitas por Zaidi, Lockley e outros nas que se usaron persoas sen bastóns nin conos, atopouse que un estímulo moi intenso de 481 nm orixina algunha percepción da luz consciente, o que significa que se produciu algunha visión rudimentaria. Descubrimento
En 1923, Clyde E. Keeler observou que as pupilas dos ollos de ratos cegos que el accidentalmente criara aínda respondían á luz. A capacidade dos ratos sen conos nin bastóns de conservar un reflexo pupilar á luz suxería a presenza dunha célula fotorreceptora adicional.
Na década de 1980, a investigación en ratas deficientes en conos e bastóns mostrou unha regulación da dopamina na retina, un coñecido neuromodulador para a adaptación á luz e fotoarrastre (photoentrainment).
A investigación continuou en 1991, cando Russell G. Foster e colegas, incluíndo Ignacio Provencio, mostraron que os bastóns e conos non eran necesarios para o fotoarrastre, o impulsor visual do ritmo circadiano, nin para a regulación da secreción de melatonina da glándula pineal, en experimentos con ratos knocout para conos e bastóns. Posteriores traballos feitos por Provencio e colegas mostraron que esta fotorresposta estaba mediada polo fotopigmento melanopsina, presente na capa de células ganglionares da retina.
Os fotorreceptores identificounos en 2002 Samer Hattar, David Berson e colegas, e eran células ganglionares que expresaban melanopsina que posuían unha resposta á luz intrínseca e se proxectaban a varias áreas do cerebro implicadas na visión non formadora de imaxes.
En 2005, Panda, Melyan, Qiu e colegas demonstraron que o fotopigmento melanopsina era un pigmento de fototransdución en células ganglionares. Dennis Dacey e colegas mostraron nunha especie de mono do Vello Mundo que as células ganglionares xigantes expresan melanopsina proxectada ao núcleo xeniculado lateral. Previamente só se coñecían as proxeccións ao mesencéfalo (núcleo pretectal) e hipotálamo (núcleos supraquiasmáticos). Porén, non se sospeitaba aínda nin estaba probado un papel visual do receptor. Investigación
Investigación en humanos
Fixéronse intentos de encontrar o receptor en humanos, pero os humanos supoñían retos especiais e demandaban un novo modelo. A diferenza doutros animais, os investigadores non podían por razóns éticas inducir a perda de conos e bastóns xeneticamente ou con compostos químicos para así estudar directamente as células ganglionares. Durante moitos anos, só se podían facer inferencias sobre o receptor en humanos, aínda que estas ás veces eran pertinentes.
En 2007, Zaidi e colegas publicaron os seus traballos sobre humanos sen conos nin bastóns, mostrando que estas persoas conservaban respostas retinianas normais a efectos non visuais da luz. A identidade do fotorreceptor que non era cono nin bastón en humanos era a da célula ganglionar da retina interior como se mostrara previamente en modelos sen conos e bastóns doutros animais. O traballo realizouse utilizando pacientes con raras enfermidades que lles destruíran as funcións fotorreceptoras clásicas dos conos e bastóns pero que conservaran a función das células ganglionares. Malia non teren conos nin bastóns, os pacientes continuaban mostrando fotoarranque circadiano, padróns de comportamento circadiano, supresión da melatonina e reaccións pupilares, cun pico de sensibilidades espectrais á luz ambiental e experimental que se corresponde co fotopigmento melanopsina. Os seus cerebros podían tamén asociar a visión coa luz desta frecuencia. Os médicos e científicos están agora intentando comprender o novo papel do receptor en enfermidades humanas e na cegueira.
As CGRf tamén foron implicadas na exacerbación da dor de cabeza pola luz durante os ataques de migrañas.