Las ondas retinianas son ráfagas espontáneas de potenciales de acción que se propagan de forma ondulatoria a través de la retina en desarrollo . Estas ondas se producen antes de la maduración de los bastones y los conos y antes de que pueda producirse la visión . Las señales de las ondas retinianas impulsan la actividad en el núcleo geniculado lateral dorsal (dLGN) y la corteza visual primaria . Se cree que las ondas se propagan a través de las células vecinas en direcciones aleatorias determinadas por períodos de refractariedad que siguen a la despolarización inicial. Se cree que las ondas retinianas tienen propiedades que definen la conectividad temprana de los circuitos y las sinapsis entre las células de la retina. Todavía hay mucho debate sobre el papel exacto de las ondas retinianas. Algunos sostienen que las ondas son instructivas en la formación de las vías retinogeniculadas, mientras que otros argumentan que la actividad es necesaria pero no instructiva en la formación de las vías retinogeniculadas.
Uno de los primeros científicos que teorizó la existencia de cascadas espontáneas de actividad eléctrica durante el desarrollo de la retina fue el neurobiólogo computacional David J. Willshaw. Propuso que las células adyacentes generan actividad eléctrica en una formación ondulatoria a través de capas de células presinápticas y postsinápticas interconectadas. Se cree que la actividad que se propaga a través de un espacio cercano de células presinápticas y postsinápticas da como resultado una actividad eléctrica fuerte en comparación con las células presinápticas y postsinápticas que están más separadas, lo que da como resultado una actividad más débil. Willshaw pensó que esta diferencia en la fuerza de disparo y la ubicación de las células era responsable de determinar los límites de las actividades. Se cree que el movimiento lateral de disparo de una célula vecina a otra, comenzando en un área aleatoria de células y moviéndose a lo largo de las capas presinápticas y postsinápticas, es responsable de la formación del mapa retinotópico. Para simular la cascada de actividad eléctrica, Willshaw escribió un programa de computadora para demostrar el movimiento de la actividad eléctrica entre las capas de células presinápticas y postsinápticas. Lo que Willshaw llamó "actividad eléctrica espontánea pautada" hoy se conoce como "ondas retinianas". [1]
A partir de este concepto puramente teórico, los científicos italianos Lucia Galli y Lamberto Maffei utilizaron modelos animales para observar la actividad eléctrica en las células ganglionares de la retina. Antes de Galli y Maffei, nunca se había registrado la actividad de las células ganglionares de la retina durante el desarrollo prenatal. Para estudiar la actividad ganglionar, Galli y Maffei utilizaron retinas de ratas prematuras, entre los días embrionarios 17 y 21, para registrar la actividad eléctrica. Para este estudio se utilizaron varias células individuales aisladas. Los registros mostraron que la actividad celular era catalizada por las células ganglionares. Galli y Maffei especularon que la actividad eléctrica observada en las células ganglionares de la retina puede ser responsable de la formación de conexiones sinápticas retinianas y de las proyecciones de las células ganglionares de la retina al colículo superior y al núcleo geniculado lateral (LGN). [2]
A medida que se fue consolidando la idea de las ondas retinianas, la neurobióloga Carla Shatz utilizó imágenes de calcio y registros con microelectrodos para visualizar el movimiento de los potenciales de acción en una formación similar a una onda. Para obtener más información sobre imágenes de calcio y registros con microelectrodos, consulte la sección siguiente. Las imágenes de calcio mostraron que las células ganglionares iniciaban la formación de ondas retinianas, junto con las células amacrinas adyacentes , que participan en el movimiento de la actividad eléctrica. También se pensó que los registros con microelectrodos mostraban que las neuronas LGN eran impulsadas por la formación similar a una onda de actividad eléctrica a través de las células ganglionares retinianas vecinas. A partir de estos resultados, se sugirió que las ondas de actividad eléctrica eran responsables de impulsar el patrón de actividad espaciotemporal y también desempeñaban un papel en la formación del sistema visual durante el desarrollo prenatal. [3]
Rachel Wong es otra investigadora involucrada en el estudio de las ondas retinianas. Wong especuló que la actividad eléctrica, dentro de la retina, está involucrada en la organización de las proyecciones retinianas durante el desarrollo prenatal. Más específicamente, la actividad eléctrica puede ser responsable de la segregación y organización del dLGN. Wong también especuló que partes específicas del sistema visual, como las columnas de dominancia ocular , requieren alguna forma de actividad eléctrica para desarrollarse completamente. También creía que ser capaz de descifrar las señales codificadas por las ondas retinianas, podría permitir a los científicos comprender mejor cómo las ondas retinianas juegan un papel en el desarrollo de la retina. [4]
Algunas de las investigaciones más recientes que se están llevando a cabo están intentando entender mejor las señales codificadas de las ondas retinianas durante el desarrollo. Según la investigación realizada por Evelyne Sernagor, se cree que las ondas retinianas no solo son necesarias para su actividad eléctrica espontánea, sino que también son responsables de codificar la información que se utilizará en la formación de patrones espaciotemporales que permiten que las vías retinianas se vuelvan más refinadas. Utilizando tortugas para probar este concepto, Sernagor utilizó imágenes de calcio para observar el cambio en las ondas retinianas durante varias etapas del desarrollo de la retina. Según el estudio, en las primeras etapas del desarrollo, las ondas retinianas se activan rápida y repetidamente, lo que provoca lo que se cree que es una gran ola de potenciales de acción a través de la retina. Sin embargo, a medida que la tortuga se acerca a la finalización del desarrollo, las ondas retinianas dejan de propagarse gradualmente y, en su lugar, se convierten en grupos inmóviles de células ganglionares de la retina. Se cree que esto es el resultado del cambio del GABA de excitador a inhibidor durante el desarrollo continuo de la retina. Todavía se desconoce en gran medida si el cambio en la formación de ondas retinianas durante el desarrollo es exclusivo de las tortugas. [5]
La generación y propagación espontánea de ondas se observa en otras partes de los circuitos en desarrollo. Se ha observado una actividad espontánea sincronizada similar en las primeras etapas del desarrollo en las neuronas del hipocampo , la médula espinal y los núcleos auditivos. [6] La actividad pautada que da forma a las conexiones neuronales y el control de la eficiencia sináptica en múltiples sistemas, incluida la retina, son importantes para comprender la interacción entre las células presinápticas y postsinápticas que crean conexiones precisas esenciales para el funcionamiento del sistema nervioso. [4]
Durante el desarrollo, la comunicación a través de sinapsis es importante entre las células amacrinas y otras interneuronas retinianas, así como las células ganglionares , que actúan como sustrato para las ondas retinianas. [4] Hay tres etapas de desarrollo que caracterizan la actividad de las ondas retinianas en los mamíferos. Antes del nacimiento, las ondas están mediadas por corrientes no sinápticas, las ondas durante el período desde el nacimiento hasta los 10 días después del nacimiento están mediadas por el neurotransmisor acetilcolina que actúa sobre los receptores nicotínicos de acetilcolina , y las ondas durante el tercer período, desde los 10 días después del nacimiento hasta las 2 semanas, están mediadas por receptores ionotrópicos de glutamato . [7]
Las sinapsis químicas durante el período de ondas colinérgicas implican que las células amacrinas en estrella (SAC) liberen acetilcolina a otras SAC, que luego propagan ondas. Durante este período, la producción de ondas colinérgicas excede la producción de ondas a través de las uniones en hendidura , cuyas señales se reducen bastante. Esta señalización ocurre antes de que las células bipolares formen conexiones en la capa plexiforme interna . Se cree que las SAC son la fuente de las ondas retinianas porque se han observado despolarizaciones espontáneas sin excitación sináptica. [7]
La actividad de las ondas colinérgicas finalmente desaparece y la liberación de glutamato en las células bipolares genera ondas. [7] Las células bipolares se diferencian más tarde que las células amacrinas y ganglionares, lo que podría ser la causa de este cambio en el comportamiento de las ondas. [4] El cambio de la mediación colinérgica a la mediación glutamatérgica ocurre cuando las células bipolares establecen sus primeras conexiones sinápticas con las células ganglionares. [7] El glutamato, el neurotransmisor contenido en las células bipolares, genera actividad espontánea en las células ganglionares. Las ondas aún están presentes después de que las células bipolares establecen una conexión sináptica con las células amacrinas y ganglionares. [4]
Las actividades adicionales involucradas en las ondas retinianas incluyen lo siguiente. En ciertas especies, el GABA parece desempeñar un papel en la frecuencia y duración de las ráfagas en las células ganglionares. Las interacciones en las células varían en diferentes sujetos de prueba y en diferentes niveles de madurez, especialmente las interacciones complejas mediadas por las células amacrinas. La actividad propagada a través de uniones en hendidura no se ha observado en todos los sujetos de prueba; por ejemplo, la investigación ha demostrado que las células ganglionares de la retina del hurón no están acopladas. Otros estudios han demostrado que los agentes excitadores extracelulares como el potasio podrían ser fundamentales en la propagación de las ondas. La investigación sugiere que las redes sinápticas de células amacrinas y ganglionares son necesarias para la producción de ondas. En términos generales, las ondas se producen y continúan durante un período de desarrollo relativamente largo, durante el cual se agregan nuevos componentes celulares de la retina y sinapsis. La variación en los mecanismos de las ondas retinianas explica la diversidad en las conexiones entre las células y la maduración de los procesos en la retina. [4]
Las ondas se generan de forma aleatoria, pero limitada espacialmente debido a un período refractario en las células después de que se han producido ráfagas de potenciales de acción. Después de que una onda se ha propagado en un lugar, no puede propagarse nuevamente en el mismo lugar. Las áreas refractarias inducidas por ondas duran aproximadamente de 40 a 60 segundos. Las investigaciones sugieren que cada región de la retina tiene la misma probabilidad de generar y propagar una onda. El período refractario también determina la velocidad (distancia entre frentes de onda por unidad de tiempo) y la periodicidad (intervalo de tiempo promedio entre transitorios de calcio inducidos por ondas o despolarizaciones registradas en una neurona particular en la capa de células ganglionares). La densidad de células refractarias corresponde a la velocidad a la que se propagan las ondas retinianas; por ejemplo, si hay un número o densidad bajos de células refractarias, la velocidad de propagación será alta. [8]
Los dos métodos principales para visualizar las ondas retinianas son el uso de imágenes de calcio y la matriz de múltiples electrodos . Las imágenes de calcio permiten el análisis del patrón de ondas en una gran área de la retina (más que con el registro de múltiples electrodos). Las imágenes como tales han permitido a los investigadores investigar las propiedades espaciotemporales de las ondas, así como el mecanismo y la función de las ondas en el desarrollo.
Existen tres técnicas principales que se utilizan actualmente para alterar las ondas retinianas: inyección intraocular de sustancias farmacológicas que alteran los patrones de onda, uso de inmunotoxinas que eliminan ciertas clases de células amacrinas o uso de líneas de ratones knockout que han alterado los patrones de disparo espontáneo. [9] Existen varios agentes farmacológicos que se pueden utilizar para alterar la actividad retiniana. La tetrodotoxina (TTX) se puede inyectar cerca del tracto óptico para bloquear la actividad retiniana entrante además de la actividad saliente de las neuronas geniculadas laterales. [10] Las inyecciones intraoculares de epibatidina , un agonista colinérgico, se pueden utilizar para bloquear el disparo espontáneo en la mitad de todas las células ganglionares de la retina y causar un disparo no correlacionado en la mitad restante. [9] Los efectos de los agentes farmacológicos sobre la actividad de las células ganglionares de la retina se observan utilizando MEA o imágenes de calcio. Las inmunotoxinas se pueden utilizar para dirigirse a las células amacrinas en estrella. Las células amacrinas en estrella son interneuronas retinianas responsables de las ondas retinianas colinérgicas. [9] El tercer método consiste en utilizar ratones knock-out con patrones de disparo espontáneos alterados. La línea de ratones más común para este método es la subunidad beta-2 del receptor nicotínico de acetilcolina neuronal knock-out (β2-nAChR-KO). Se ha observado que los ratones β2-nAChR-KO tienen un refinamiento retinotópico específico del ojo reducido similar a la inyección de epitbatidina, así como ondas no correlacionadas, como se observa con imágenes de calcio y registro de MEA. [9]
Actualmente, todavía existe mucha controversia sobre si las ondas retinianas desempeñan un papel "instructivo" o "permisivo" en la formación de proyecciones específicas del ojo en la vía del retinogeniculado. Las inyecciones de agentes farmacológicos previenen la formación de entradas de retinogeniculado específicas del ojo, lo que indica que las ondas retinianas desempeñan algún papel en la formación. Se ha descubierto que los ratones β2-nAChR-KO tienen patrones alterados de activación espontánea. Es importante señalar que, si bien los experimentos realizados en líneas knock-out hasta la fecha han ayudado a explicar algunas cosas sobre las ondas retinianas, solo los experimentos realizados in vivo a temperatura corporal normal y en un entorno químico normal pueden determinar realmente cuál es el verdadero patrón de activación en los animales knock-out. [9] [10]
Se ha descubierto que la actividad de las ondas retinianas coincide con el período en el que se forman las proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo. Esta superposición temporal sería necesaria para una relación causal. Las inyecciones de TTX en fetos de gato evitaron la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo, lo que indica que la actividad neuronal es necesaria para la formación de capas específicas del ojo. [10] Después del tratamiento con epibatidina, la falta de activación correlacionada en la mitad restante de las células ganglionares de la retina a pesar de la activación robusta, así como la falta de formación de capas específicas del ojo, pueden indicarse como prueba de que las ondas desempeñan un papel instructivo. [9] La observación de imágenes de calcio después del uso de inmunotoxina mostró que todavía quedaba algo de activación correlacionada donde el registro de pinza de voltaje acoplado mostró una reducción significativa en la activación correlacionada. [9] La activación correlacionada restante podría explicar la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo que se encontró. Mediante imágenes de calcio y registro MEA, estas células han demostrado que no tienen activación correlacionada. En cambio, se han observado tasas de activación reducidas y la despolarización en una célula pareció inhibir las células circundantes. [9] El patrón de disparo alterado de los ratones β2-nAChR-KO también es controvertido, ya que ha habido cierta evidencia de que el disparo correlacionado todavía ocurre en los ratones knock-out, como se detalla en la siguiente sección.
Se han encontrado ondas retinianas mientras se forman las vías retinogeniculadas específicas del ojo; sin embargo, es importante señalar que en todas las especies estudiadas hasta la fecha, las ondas retinianas comienzan antes y continúan después de que se formen estas vías específicas del ojo. También se observa que algunas especies en las que se ha documentado que las ondas retinianas tienen proyecciones que se cruzan. Esto sugiere que las ondas retinianas pueden estar presentes y no desempeñar un papel instructivo en las entradas específicas del ojo. [10] Hay varias cuestiones que deben considerarse al analizar los datos del uso de sustancias farmacológicas para bloquear la actividad retiniana. En primer lugar, se desconocen los efectos a largo plazo del tratamiento con TTX, ya que aún no es posible monitorear la actividad retiniana durante un largo período en un animal intacto. [10] El hallazgo de que la inyección a largo plazo de TTX no inhibió y, en cambio, simplemente retrasó la formación de la capa específica del ojo podría explicarse entonces por los efectos reducidos de TTX sobre la actividad retiniana a una duración más larga. Esto apoya el argumento de que el bloqueo de toda la actividad retiniana previene la formación de proyecciones específicas del ojo aún está por determinar. [10] Además, dado que el tratamiento con inmunotoxina para matar las células amacrinas en forma de estrella no muestra diferencias en la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo mientras que el tratamiento con epibatidina sí lo hace, podría sugerir que algún tipo de actividad retiniana es esencial para la formación de la capa específica del ojo, pero no las ondas retinianas. [10] Un estudio mostró que los ratones β2-nAChR-KO todavía tenían una actividad de onda retiniana robusta, a diferencia de lo informado anteriormente; sin embargo, encontraron que las ondas retinianas se propagaban utilizando uniones gap en la línea knock-out, en lugar de la transmisión colinérgica que muestran los ratones de tipo salvaje. [10]