6 de Octubre de 2010
LA JOLLA, CA—Al comparar una entrada visual claramente definida con la salida eléctrica de la retina, los investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos pudieron rastrear por primera vez el circuito neuronal que conecta los fotorreceptores individuales con las células ganglionares de la retina, las neuronas que transportan señales visuales del ojo al cerebro.
Sus medidas, publicadas en la edición del 7 de octubre de 2010 de la revista Nature, no solo revelan cálculos en un circuito neuronal con la resolución elemental de las neuronas individuales, sino que también arrojan luz sobre el código neuronal utilizado por la retina para transmitir información de color al cerebro.
Al poder registrar cientos de células ganglionares de la retina, EJ Chichilnisky y su equipo pudieron rastrear las conexiones de fotorreceptores individuales (puntos rojos, verdes y azules) a células ganglionares de la retina individuales.
Imagen: Cortesía del Dr. EJ Chichilnisky y la revista. Nature
"Nadie ha visto nunca toda la transformación de entrada-salida realizada por circuitos completos en la retina con una resolución de una sola célula", dice el autor principal. EJChichilnisky, Ph.D., profesor asociado en los Laboratorios de Neurobiología de Sistemas. “Creemos que estos datos nos permitirán comprender más profundamente los cálculos neuronales en el sistema visual y, en última instancia, pueden ayudarnos a construir mejores implantes de retina”.
Uno de los elementos esenciales que hicieron posible los experimentos fue el exclusivo sistema de registro neuronal desarrollado por un equipo internacional de físicos de alta energía de la Universidad de California, Santa Cruz; la Universidad de Ciencia y Tecnología AGH, Cracovia, Polonia; y la Universidad de Glasgow, Reino Unido. Este sistema es capaz de registrar simultáneamente las diminutas señales eléctricas generadas por cientos de neuronas de salida de la retina que transmiten información sobre el mundo visual exterior al cerebro. Estas grabaciones se realizan a alta velocidad (más de diez millones de muestras cada segundo) y con gran detalle espacial, suficiente para detectar incluso una población localmente completa de las células de salida diminutas y densamente espaciadas conocidas como células ganglionares de la retina "enanas".
Un sistema de registro neuronal único desarrollado por un equipo internacional de físicos de alta energía, que es capaz de registrar simultáneamente las diminutas señales eléctricas generadas por cientos de neuronas de salida de la retina, es uno de los elementos esenciales del estudio. Los electrodos de registro se muestran en primer plano y las células ganglionares de la retina en el fondo.
Imagen: Cortesía del Dr. EJ Chichilnisky, Instituto Salk de Estudios Biológicos
Las células ganglionares de la retina se clasifican según su tamaño, las conexiones que forman y sus respuestas a la estimulación visual, que pueden variar ampliamente. A pesar de sus diferencias, todos tienen una cosa en común: un axón largo que se extiende hasta el cerebro y forma parte del nervio óptico.
El procesamiento visual comienza cuando los fotones que ingresan al ojo golpean una o más de las 125 millones de células nerviosas sensibles a la luz en la retina. Esta primera capa de células, que se conoce como bastones y conos, convierte la información en señales eléctricas y las envía a una capa intermedia, que a su vez transmite señales a los 20 o más tipos distintos de células ganglionares de la retina.
En un estudio anterior, Chichilnisky y su equipo descubrieron que cada tipo de células ganglionares de la retina forma una red sin fisuras que cubre el espacio visual y transmite una imagen visual completa al cerebro. En el estudio actual, el investigador postdoctoral y coautor Greg D. Field, Ph.D., y sus colaboradores se enfocaron en el patrón de conectividad entre estas capas de células ganglionares de la retina y la red completa de receptores cónicos.
Los investigadores de Salk registraron simultáneamente cientos de células ganglionares de la retina y, basándose en la densidad y las propiedades de respuesta a la luz, identificaron cinco tipos de células: células enanas ON y OFF, células parasol ON y OFF y células pequeñas biestratificadas, que en conjunto representan aproximadamente el 75 por ciento de todas las células ganglionares de la retina.
Para resolver la fina estructura de los campos receptivos, las pequeñas ventanas de forma irregular a través de las cuales las neuronas de la retina ven el mundo, los autores utilizaron estímulos con píxeles diez veces más pequeños. "En lugar de una región difusa de sensibilidad a la luz, detectamos islas punteadas de sensibilidad a la luz separadas por regiones sin sensibilidad a la luz", dice.
Los fotorreceptores en la retina convierten la información visual en señales eléctricas y las envían a una capa intermedia, que a su vez transmite señales a los 20 o más tipos distintos de células ganglionares de la retina.
Imagen: Cortesía de Jamie Simon, Instituto Salk de Estudios Biológicos.
Cuando se combinaron con información sobre sensibilidades espectrales de conos individuales, los mapas de estas islas punteadas no solo permitieron a los investigadores recrear el mosaico de conos completo que se encuentra en la retina, sino también concluir qué cono alimentaba información a qué célula ganglionar de la retina.
“Simplemente estimulando las celdas de entrada y tomando una grabación de alta densidad de las celdas de salida, podemos identificar todas las celdas de entrada y salida individuales y descubrir quién está conectado con quién”, dice Chichilnisky.
Chichilnisky y su equipo descubrieron que las poblaciones de células enanas y sombrillas ENCENDIDAS y APAGADAS tomaron muestras de la población completa de conos sensibles a la luz roja o verde, y las células enanas tomaron muestras de estos conos de una manera sorprendentemente no aleatoria. Solo las células enanas OFF recibieron con frecuencia una fuerte entrada de conos sensibles a la luz azul.
La investigación fue financiada en parte por la Fundación Helen Hay Whitney, la Fundación Alemana de Investigación, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Chapman, el Instituto Miller para la Investigación Básica en Ciencias, el Ministerio de Ciencia y Educación Superior de Polonia, el Burroughs Wellcome Trust , la Fundación McKnight, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Sloan, el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas y la Sociedad Real de Edimburgo.
Los investigadores que también contribuyeron al trabajo incluyen al coautor principal Jeffrey L. Gauthier, Ph.D., Martin Greschner, Timothy A. Machado, Lauren H. Jepson y Jonathon Shlens en el Laboratorio de Neurobiología de Sistemas en el Instituto Salk, co- primer autor Alexander Sher y Alan Litke en el Instituto de Física de Partículas de Santa Cruz en la Universidad de California, Santa Cruz, Deborah E. Gunning y Keith Mathieson en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow, Wladyslaw Dabrowski en la Facultad de Física y Ciencias de la Computación Aplicadas en la Universidad de Ciencia y Tecnología AGH de Cracovia, y Liam Paninski en el Departamento de Estadística y Centro de Neurociencia Teórica de la Universidad de Columbia, Nueva York.
Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.
Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.
El Instituto Salk celebra con orgullo cinco décadas de excelencia científica en investigación básica.
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