Una célula fotorreceptora es un tipo especializado de célula neuroepitelial que se encuentra en la retina y que es capaz de realizar fototransducción visual . La gran importancia biológica de los fotorreceptores es que convierten la luz ( radiación electromagnética visible ) en señales que pueden estimular procesos biológicos. Para ser más específicos, las proteínas fotorreceptoras de la célula absorben fotones , lo que provoca un cambio en el potencial de membrana de la célula .
Actualmente se conocen tres tipos de células fotorreceptoras en los ojos de los mamíferos: bastones , conos y células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles . Las dos células fotorreceptoras clásicas son bastones y conos, cada uno de los cuales aporta información utilizada por el sistema visual para formar una imagen del entorno, la vista . Los bastones median principalmente la visión escotópica (condiciones oscuras), mientras que los conos median principalmente la visión fotópica (condiciones brillantes), pero los procesos en cada uno que apoyan la fototransducción son similares. [1] Las células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles se descubrieron durante la década de 1990. [2] Se cree que estas células no contribuyen directamente a la visión, pero tienen un papel en el control del ritmo circadiano y el reflejo pupilar .
Cada fotorreceptor absorbe luz según su sensibilidad espectral (absortancia), que está determinada por las proteínas fotorreceptoras expresadas en esa célula. Los humanos tenemos tres clases de conos (L, M, S), cada uno de los cuales difiere en sensibilidad espectral y "prefiere" fotones de diferentes longitudes de onda (ver gráfico). Por ejemplo, la longitud de onda máxima de la sensibilidad espectral del cono S es de aproximadamente 420 nm (nanómetros, una medida de longitud de onda), por lo que es más probable que absorba un fotón a 420 nm que a cualquier otra longitud de onda. La luz de una longitud de onda más larga también puede producir la misma respuesta desde un cono S, pero tendría que ser más brillante para lograrlo.
De acuerdo con el principio de univariancia , la señal de salida de un fotorreceptor es proporcional únicamente al número de fotones absorbidos. Los fotorreceptores no pueden medir la longitud de onda de la luz que absorben y, por tanto, no detectan el color por sí solos. Más bien, son las proporciones de respuestas de los tres tipos de células cónicas las que pueden estimar la longitud de onda y, por lo tanto, permitir la visión del color .
Los fotorreceptores de bastones y conos se encuentran en la capa más externa de la retina ; Ambos tienen la misma estructura básica. Lo más cercano al campo visual (y más alejado del cerebro) es la terminal del axón , que libera un neurotransmisor llamado glutamato a las células bipolares . Más atrás se encuentra el cuerpo celular , que contiene los orgánulos de la célula . Más atrás aún se encuentra el segmento interno, una parte especializada de la célula repleta de mitocondrias . La función principal del segmento interno es proporcionar ATP (energía) para la bomba de sodio-potasio . Finalmente, el más cercano al cerebro (y el más alejado del campo de visión) está el segmento externo, la parte del fotorreceptor que absorbe la luz . Los segmentos externos son en realidad cilios modificados [5] [6] que contienen discos llenos de opsina , la molécula que absorbe fotones, así como canales de sodio dependientes de voltaje .
La proteína opsina fotorreceptora membranosa contiene una molécula de pigmento llamada retina . En los bastones, estos juntos se llaman rodopsina . En las células de los conos existen diferentes tipos de opsinas que se combinan con la retina para formar pigmentos llamados fotopsinas . Tres clases diferentes de fotopsinas en los conos reaccionan a diferentes rangos de frecuencia de luz, una diferenciación que permite al sistema visual calcular el color . La función de la célula fotorreceptora es convertir la información luminosa del fotón en una forma de información comunicable al sistema nervioso y fácilmente utilizable por el organismo: esta conversión se llama transducción de señales .
La opsina que se encuentra en las células ganglionares intrínsecamente fotosensibles de la retina se llama melanopsina . Estas células participan en diversas respuestas reflejas del cerebro y el cuerpo a la presencia de luz (diurna), como la regulación de los ritmos circadianos , el reflejo pupilar y otras respuestas no visuales a la luz. La melanopsina funcionalmente se parece a las opsinas de invertebrados.
La mayoría de los fotorreceptores de los vertebrados se encuentran en la retina. La distribución de bastones y conos (y clases de los mismos) en la retina se denomina mosaico retiniano . Cada retina humana tiene aproximadamente 6 millones de conos y 120 millones de bastones. [8] En el "centro" de la retina (el punto directamente detrás del cristalino) se encuentra la fóvea (o fóvea central), que contiene sólo conos; y es la región capaz de producir mayor agudeza visual o mayor resolución . En el resto de la retina, los conos y bastones se entremezclan. No se encuentran fotorreceptores en el punto ciego , el área donde las fibras de las células ganglionares se acumulan en el nervio óptico y salen del ojo. [9] La distribución de las clases de conos (L, M, S) tampoco es homogénea, no hay conos S en la fóvea y la proporción entre conos L y M difiere entre individuos.
El número y la proporción de bastones y conos varía entre especies, dependiendo de si un animal es principalmente diurno o nocturno . Ciertos búhos, como el cárabo nocturno , [10] tienen una enorme cantidad de bastones en la retina. Otros vertebrados también tendrán un número diferente de clases de conos, que van desde monocromáticos hasta pentacromáticos .
El camino de una señal visual se describe mediante la cascada de fototransducción , el mecanismo por el cual la energía de un fotón señala un mecanismo en la célula que conduce a su polarización eléctrica. Esta polarización conduce en última instancia a la transmitancia o inhibición de una señal neuronal que será enviada al cerebro a través del nervio óptico . Los pasos que se aplican a la vía de fototransducción de los fotorreceptores de conos y bastones de vertebrados son:
A diferencia de la mayoría de las células receptoras sensoriales, los fotorreceptores en realidad se hiperpolarizan cuando se estimulan; y por el contrario se despolarizan cuando no se estimulan. Esto significa que el glutamato se libera continuamente cuando la célula no está estimulada y el estímulo hace que se detenga la liberación. En la oscuridad, las células tienen una concentración relativamente alta de guanosina 3'-5' monofosfato cíclico (cGMP), que abre canales iónicos activados por cGMP . Estos canales son inespecíficos y permiten el movimiento de iones de sodio y calcio cuando están abiertos. El movimiento de estos iones cargados positivamente hacia el interior de la célula (impulsado por su respectivo gradiente electroquímico ) despolariza la membrana y conduce a la liberación del neurotransmisor glutamato .
Los canales no estimulados (en la oscuridad) controlados por nucleótidos cíclicos en el segmento externo están abiertos porque el GMP cíclico (cGMP) está unido a ellos. Por lo tanto, los iones cargados positivamente (es decir, iones de sodio ) ingresan al fotorreceptor, despolarizándolo a aproximadamente -40 mV ( el potencial de reposo en otras células nerviosas suele ser -65 mV). Esta corriente de despolarización se conoce a menudo como corriente oscura.
Los fotorreceptores ( bastones y conos ) transmiten a las células bipolares, que luego transmiten a las células ganglionares de la retina. Los axones de las células ganglionares de la retina forman colectivamente el nervio óptico , a través del cual se proyectan hasta el cerebro. [8]
Los fotorreceptores de bastones y conos señalan su absorción de fotones mediante una disminución en la liberación del neurotransmisor glutamato a las células bipolares en su terminal axónico. Dado que el fotorreceptor se despolariza en la oscuridad, se libera una gran cantidad de glutamato a las células bipolares en la oscuridad. La absorción de un fotón hiperpolarizará el fotorreceptor y, por tanto, dará como resultado la liberación de menos glutamato en la terminal presináptica a la célula bipolar.
Cada fotorreceptor de bastón o cono libera el mismo neurotransmisor, el glutamato. Sin embargo, el efecto del glutamato difiere en las células bipolares, dependiendo del tipo de receptor incrustado en la membrana de esa célula . Cuando el glutamato se une a un receptor ionotrópico , la célula bipolar se despolarizará (y por tanto se hiperpolarizará con la luz a medida que se libere menos glutamato). Por otro lado, la unión del glutamato a un receptor metabotrópico produce una hiperpolarización, por lo que esta célula bipolar se despolarizará a la luz a medida que se libere menos glutamato.
En esencia, esta propiedad permite que una población de células bipolares se excite con la luz y otra población que se inhiba, aunque todos los fotorreceptores muestren la misma respuesta a la luz. Esta complejidad se vuelve importante y necesaria para detectar color , contraste , bordes , etc.
La fototransducción en bastones y conos es algo inusual porque el estímulo (en este caso, la luz) reduce la respuesta de la célula o la tasa de activación, a diferencia de la mayoría de los otros sistemas sensoriales en los que un estímulo aumenta la respuesta de la célula o la tasa de activación. Esta diferencia tiene importantes consecuencias funcionales:
Comparación de células de conos y bastones humanos, de Eric Kandel et al. en Principios de la ciencia neuronal . [11]
Los eventos clave que median la diferenciación de bastón versus cono S versus cono M son inducidos por varios factores de transcripción, incluidos RORbeta, OTX2, NRL, CRX, NR2E3 y TRbeta2. El destino del cono S representa el programa de fotorreceptores predeterminado; sin embargo, la actividad transcripcional diferencial puede provocar la generación de bastones o conos M. Los conos L están presentes en los primates, sin embargo, no se sabe mucho sobre su programa de desarrollo debido al uso de roedores en la investigación. Hay cinco pasos para desarrollar fotorreceptores: proliferación de células progenitoras de retina (RPC) multipotentes; restricción de competencia de los RPC; especificación del destino celular; expresión de genes fotorreceptores; y por último crecimiento axonal, formación de sinapsis y crecimiento del segmento externo.
La señalización temprana de Notch mantiene el ciclo progenitor. Los precursores de los fotorreceptores se producen mediante la inhibición de la señalización de Notch y el aumento de la actividad de varios factores, incluido el homólogo 1 del achaete-scute. La actividad de OTX2 compromete a las células al destino de los fotorreceptores. CRX define además el panel de genes específico del fotorreceptor que se expresa. La expresión NRL conduce al destino de la barra. NR2E3 restringe aún más las células al destino de los bastones al reprimir los genes de los conos. RORbeta es necesaria para el desarrollo de conos y bastones. TRbeta2 media el destino del cono M. Si se elimina alguna de las funciones de los factores mencionados anteriormente, el fotorreceptor predeterminado es un cono S. Estos eventos tienen lugar en diferentes períodos de tiempo para diferentes especies e incluyen un patrón complejo de actividades que generan un espectro de fenotipos. Si estas redes reguladoras se alteran, puede producirse retinitis pigmentosa , degeneración macular u otros déficits visuales. [12]
Las células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (ipRGC) son un subconjunto (≈1–3%) de células ganglionares de la retina , a diferencia de otras células ganglionares de la retina, son intrínsecamente fotosensibles debido a la presencia de melanopsina , una proteína sensible a la luz. Por tanto constituyen una tercera clase de fotorreceptores, además de los bastones y los conos . [13]
En los seres humanos , los ipRGC contribuyen a funciones que no forman imágenes, como los ritmos circadianos, el comportamiento y el reflejo pupilar a la luz . [14] La sensibilidad espectral máxima del receptor está entre 460 y 482 nm. [14] Sin embargo, también pueden contribuir a una vía visual rudimentaria que permite la visión consciente y la detección del brillo. [14] Los fotorreceptores clásicos (bastones y conos) también se alimentan del novedoso sistema visual, lo que puede contribuir a la constancia del color. Los ipRGC podrían ser fundamentales para comprender muchas enfermedades, incluidas las principales causas de ceguera en todo el mundo, como el glaucoma, una enfermedad que afecta a las células ganglionares, y el estudio del receptor ofrecía potencial como una nueva vía a explorar para tratar de encontrar tratamientos para la ceguera.
Los ipRGC solo se detectaron definitivamente en humanos durante experimentos históricos realizados en 2007 en humanos sin conos ni varillas. [15] [16] Como se había encontrado en otros mamíferos, se descubrió que la identidad del fotorreceptor que no es de bastón ni de cono en humanos es una célula ganglionar en la retina interna. Los investigadores habían rastreado pacientes con enfermedades raras que eliminaban la función clásica de los fotorreceptores de conos y bastones pero preservaban la función de las células ganglionares. [15] [16] A pesar de no tener bastones ni conos, los pacientes continuaron exhibiendo fotoentrenamiento circadiano, patrones de comportamiento circadiano, supresión de melanopsina y reacciones pupilares, con sensibilidades espectrales máximas a la luz ambiental y experimental que coincidían con las del fotopigmento de melanopsina. Sus cerebros también podrían asociar la visión con luz de esta frecuencia.
Los fotorreceptores de conos y bastones son comunes a casi todos los vertebrados. Las glándulas pineal y parapineal son fotorreceptivas en los vertebrados no mamíferos, pero no en los mamíferos. Las aves tienen neuronas fotoactivas en contacto con el líquido cefalorraquídeo (LCR) dentro del órgano paraventricular que responden a la luz en ausencia de información de los ojos o neurotransmisores. [17] Los fotorreceptores de invertebrados en organismos como insectos y moluscos son diferentes tanto en su organización morfológica como en sus vías bioquímicas subyacentes. Este artículo describe los fotorreceptores humanos .
Medios relacionados con las células fotorreceptoras en Wikimedia Commons