Una célula fotorreceptora es un tipo especializado de célula neuroepitelial que se encuentra en la retina y que es capaz de realizar la 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 desencadena 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 los bastones y los 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 de poca luz), 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 vista, pero tienen un papel en el arrastre del ritmo circadiano y el reflejo pupilar .
Cada fotorreceptor absorbe la luz de acuerdo con su sensibilidad espectral (absorción), que está determinada por las proteínas fotorreceptoras expresadas en esa célula. Los humanos tenemos tres clases de conos (L, M, S) que difieren en sensibilidad espectral y "prefieren" 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 de un cono S, pero tendría que ser más brillante para hacerlo.
De acuerdo con el principio de univariante , 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 lo tanto, no detectan el color por sí mismos. En cambio, son las proporciones de las respuestas de los tres tipos de células cónicas las que pueden estimar la longitud de onda y, por lo tanto, permiten la visión del color .
Los fotorreceptores de conos y bastones se encuentran en la capa más externa de la retina ; ambos tienen la misma estructura básica. Más cerca del campo visual (y más lejos del cerebro) está la terminal axónica , que libera un neurotransmisor llamado glutamato a las células bipolares . Más atrás está el cuerpo celular , que contiene los orgánulos de la célula . Más atrás aún está el segmento interno, una parte especializada de la célula llena de mitocondrias . La función principal del segmento interno es proporcionar ATP (energía) para la bomba de sodio-potasio . Finalmente, más cerca del cerebro (y más lejos 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 fotorreceptora membranosa opsina contiene una molécula de pigmento llamada retinal . En las células de los bastones, estas en conjunto se denominan rodopsina . En las células de los conos, existen diferentes tipos de opsinas que se combinan con el retinal para formar pigmentos llamados fotopsinas . Tres clases diferentes de fotopsinas en los conos reaccionan a diferentes rangos de frecuencia de luz, una selectividad que permite al sistema visual transducir 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 para el organismo: Esta conversión se denomina transducción de señales .
La opsina que se encuentra en las células ganglionares de la retina, intrínsecamente fotosensibles, se denomina 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 se parece funcionalmente a las opsinas de los invertebrados.
La mayoría de los fotorreceptores vertebrados se encuentran en la retina. La distribución de bastones y conos (y sus clases) 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 centralis), que contiene solo células cónicas; y es la región capaz de producir la mayor agudeza visual o la mayor resolución . En el resto de la retina, los bastones y los conos están entremezclados. No se encuentran fotorreceptores en el punto ciego , el área donde las fibras de las células ganglionares se recogen en el nervio óptico y salen del ojo. [9] La distribución de las clases de conos (L, M, S) tampoco es homogénea, sin conos S en la fóvea, y la proporción de conos L a conos M difiere entre individuos.
La cantidad y la proporción de bastones y conos varía entre especies, dependiendo de si un animal es principalmente diurno o nocturno . Algunos búhos, como el cárabo nocturno , [10] tienen una enorme cantidad de bastones en sus retinas. Otros vertebrados también tendrán una cantidad diferente de clases de conos, que van desde monocromáticos a pentacrómatas .
La ruta de una señal visual se describe mediante la cascada de fototransducción , el mecanismo por el cual la energía de un fotón envía señales a un mecanismo en la célula que conduce a su polarización eléctrica. Esta polarización conduce, en última instancia, a la transmisión o inhibición de una señal neuronal que se enviará al cerebro a través del nervio óptico . Los pasos que se aplican a la ruta 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, a la inversa, 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 la liberación se detenga. En la oscuridad, las células tienen una concentración relativamente alta de guanosina 3'-5' monofosfato cíclico (cGMP), que abre canales iónicos regulados por cGMP . Estos canales no son específicos, lo que permite el movimiento de iones de sodio y calcio cuando están abiertos. El movimiento de estos iones con carga positiva hacia la célula (impulsado por su respectivo gradiente electroquímico ) despolariza la membrana y conduce a la liberación del neurotransmisor glutamato .
Los canales activados por nucleótidos cíclicos no estimulados (en la oscuridad) del segmento externo están abiertos porque el GMP cíclico (cGMP) está unido a ellos. Por lo tanto, los iones cargados positivamente (es decir, los iones de sodio ) ingresan al fotorreceptor, despolarizándolo a aproximadamente -40 mV ( el potencial de reposo en otras células nerviosas suele ser de -65 mV). Esta corriente de despolarización a menudo se conoce como corriente oscura.
Los fotorreceptores ( bastones y conos ) transmiten señales a las células bipolares, que a su vez las 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 al cerebro. [8]
Los fotorreceptores de conos y bastones indican la absorción de fotones mediante una disminución de la liberación del neurotransmisor glutamato a las células bipolares en su terminal axónica. 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 lo tanto, dará como resultado la liberación de menos glutamato en la terminal presináptica de la célula bipolar.
Cada fotorreceptor de cono o bastón 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 lo tanto, se hiperpolarizará con la luz, ya que se libera menos glutamato). Por otro lado, la unión del glutamato a un receptor metabotrópico da como resultado una hiperpolarización, por lo que esta célula bipolar se despolarizará a la luz, ya que se libera menos glutamato.
En esencia, esta propiedad permite que exista una población de células bipolares que se excita con la luz y otra población que se inhibe con ella, aunque todos los fotorreceptores muestren la misma respuesta a la luz. Esta complejidad se vuelve importante y necesaria para detectar el color , el contraste , los bordes , etc.
La fototransducción en los bastones y conos es algo inusual, ya que el estímulo (en este caso, la luz) reduce la respuesta o la frecuencia de disparo de la célula, a diferencia de la mayoría de los demás sistemas sensoriales en los que un estímulo aumenta la respuesta o la frecuencia de disparo de la célula. Esta diferencia tiene importantes consecuencias funcionales:
Comparación de células cono y bastón humanas, de Eric Kandel et al. en Principles of Neural Science . [11]
Los eventos clave que median la diferenciación de los conos bastones, S y M son inducidos por varios factores de transcripción, entre ellos RORbeta, OTX2, NRL, CRX, NR2E3 y TRbeta2. El destino de los conos S representa el programa de fotorreceptores por defecto; sin embargo, la actividad transcripcional diferencial puede provocar la generación de conos bastones o 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 el desarrollo de fotorreceptores: proliferación de células progenitoras retinianas multipotentes (RPC); restricción de la competencia de las RPC; especificación del destino celular; expresión génica de los fotorreceptores; y, por último, crecimiento axonal, formación de sinapsis y crecimiento del segmento externo.
La señalización temprana de Notch mantiene el ciclo de los progenitores. Los precursores de los fotorreceptores surgen a través de la inhibición de la señalización de Notch y el aumento de la actividad de varios factores, incluido el homólogo 1 de achaete-scute. La actividad de OTX2 compromete a las células con el destino de fotorreceptor. CRX define además el panel específico de genes de fotorreceptor que se expresan. La expresión de NRL conduce al destino de bastón. NR2E3 restringe aún más las células al destino de bastón al reprimir los genes de cono. RORbeta es necesario para el desarrollo tanto de los bastones como de los conos. TRbeta2 media el destino del cono M. Si se eliminan las funciones de cualquiera 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 dan lugar a un espectro de fenotipos. Si se interrumpen estas redes reguladoras, pueden 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 las 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 lo tanto, constituyen una tercera clase de fotorreceptores, además de las células de conos y bastones . [13]
En los seres humanos, las ipRGC contribuyen a funciones no formadoras de 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 alimentan el nuevo sistema visual, que puede contribuir a la constancia del color. Las 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 ofreció potencial como una nueva vía para explorar en el intento de encontrar tratamientos para la ceguera.
Las ipRGC solo se detectaron definitivamente en humanos durante experimentos de referencia en 2007 en humanos sin bastones ni conos. [15] [16] Como se había encontrado en otros mamíferos, se descubrió que la identidad del fotorreceptor no bastonero ni cono en humanos era una célula ganglionar en la retina interna. Los investigadores habían rastreado a pacientes con enfermedades raras que eliminaban la función clásica de los fotorreceptores de bastones y conos 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 circadianos, 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 podían asociar la visión con la luz de esta frecuencia.
Los fotorreceptores de conos y bastones son comunes a casi todos los vertebrados. Las glándulas pineal y parapineal son fotorreceptoras en vertebrados no mamíferos, pero no en mamíferos. Las aves tienen neuronas fotoactivas que entran en contacto con el líquido cefalorraquídeo (LCR) dentro del órgano paraventricular y que responden a la luz en ausencia de información procedente de los ojos o de neurotransmisores. [17] Los fotorreceptores de invertebrados en organismos como los insectos y los moluscos son diferentes tanto en su organización morfológica como en sus vías bioquímicas subyacentes. Este artículo describe los fotorreceptores humanos .
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