Fototransducción por células ganglionares de la retina que marcan el reloj circadiano

Fototransducción por células ganglionares de la retina que marcan el reloj circadiano

La luz sincroniza los ritmos circadianos de los mamíferos con el tiempo ambiental al modular la entrada de la retina al marcapasos circadiano, el núcleo supraquiasmático (SCN) del hipotálamo. Tal arrastre fótico no requiere bastones ni conos, los únicos fotorreceptores retinianos conocidos. las células ganglionares de la retina que inervan el SCN son intrínsecamente fotosensibles. A diferencia de otras células ganglionares, se despolarizaron en respuesta a la luz incluso cuando se bloqueó toda la entrada sináptica de los conos y bastones. La sensibilidad, la sintonización espectral y la cinética lenta de esta respuesta a la luz coincidían con las del mecanismo de arrastre fótico, lo que sugiere que estas células ganglionares pueden ser los fotorreceptores primarios de este sistema.

El SCN es el marcapasos circadiano del cerebro de los mamíferos, que impulsa los ciclos diarios de actividad, los niveles hormonales y otras variables fisiológicas. La luz puede cambiar de fase el oscilador endógeno en el SCN, sincronizándolo con el ciclo ambiental día-noche. Este proceso se origina en el ojo e implica una vía axonal directa desde una pequeña fracción de células ganglionares de la retina hasta el SCN. Este circuito neural tiene aparente independencia de la fototransducción retiniana convencional. En ratones transgénicos funcionalmente ciegos que carecen de prácticamente todos los fotorreceptores conocidos (bastones y conos), el arrastre fótico persiste sin disminuir la sensibilidad. Los fotorreceptores candidatos para este sistema son neuronas retinianas no cónicas ni varillas, incluidas algunas células ganglionares, que contienen opsinas o criptocromos novedosos. Para determinar si las células ganglionares de la retina que inervan el SCN son capaces de fototransducción, las etiquetamos en la retina de la rata mediante el transporte retrógrado de microesferas fluorescentes inyectadas en el hipotálamo. En retinas aisladas, se realizaron registros de células completas de las respuestas de las células ganglionares marcadas a la luz (Fig. 1, A a E). En la mayoría de estas células (n = 150), la luz provocó grandes despolarizaciones con potenciales de acción rápidos superpuestos (Fig. 1, E a G). La respuesta a la luz persistió durante la aplicación del baño de cloruro de cobalto 2 mM (Fig. 1F), que bloquea la liberación sináptica mediada por calcio de los bastones, conos y otras neuronas de la retina. Por el contrario, otras células ganglionares preparadas y registradas en condiciones idénticas, pero no marcadas selectivamente a partir del SCN (células de control) carecían de respuesta detectable a la luz incluso sin bloqueo sináptico (47/50 células; Fig. 1, I y J). Es de suponer que esto se debe a que los fotopigmentos de varillas y conos se blanquearon mucho. Unas pocas células de control (3/50) exhibieron respuestas débiles y evanescentes a la luz, pero estas fueron eliminadas por la aplicación de baño de cobalto (n = 2). Para asegurar el bloqueo de las influencias sinápticas convencionales de conos y bastones, complementamos el cobalto con una mezcla de fármacos que interrumpieron independientemente tanto las sinapsis glutamatérgicas cruciales para la transferencia vertical de señales a través de la retina como los receptores ionotrópicos responsables de la mayoría de las influencias inhibidoras sobre las células ganglionares. En estas condiciones, persistieron fuertes respuestas de luz en las células ganglionares que proyectaban SCN (Fig. 1G; n = 7). Además, el somata de estos las células ganglionares exhibieron fotosensibilidad incluso cuando se desprendieron completamente de la retina por microdisección (Fig. 1H; n 5 3). Estas respuestas a la luz no fueron un artefacto de excitación fótica de ninguno de los fluoróforos intracelulares que usamos, ya que el espectro de acción de la respuesta a la luz (Fig. 2C) difería del espectro de absorción tanto del trazador retrógrado como del Amarillo Lucifer (LY) usado para intracelular tinción. Además, los aumentos provocados por la luz en la frecuencia de los picos fueron detectables en los registros extracelulares, antes de la rotura del parche y el llenado de colorante LY (n 5 5). Los registros de células completas revelaron respuestas de luz normales cuando se omitió LY de la solución interna (n 58). [pic 1]

Por el contrario, las células de control carecían de respuestas a la luz resistentes al cobalto incluso cuando estaban marcadas tanto con perlas fluorescentes como con LY (n = 12; Fig. 1I). Estos datos indican que las células ganglionares de la retina que inervan el SCN son intrínsecamente fotosensibles. Para determinar si estas células podrían servir como fotorreceptores primarios para el arrastre circadiano, evaluamos la congruencia entre sus propiedades fóticas y las del mecanismo de arrastre. Las respuestas de una sola célula a los estímulos de banda estrecha de varias intensidades mostraron que, en cada longitud de onda, la despolarización máxima aumentaba con la energía del estímulo (Fig. 2, A y B). Las curvas de intensidad-respuesta exhibieron una pendiente constante cuando se trazaron en coordenadas semilogarítmicas (Fig. 2B), como se esperaba para las respuestas mediadas por un solo fotopigmento (principio de univariancia). Los desplazamientos horizontales de las curvas entre sí reflejan la dependencia espectral de la eficiencia cuántica del pigmento y producen la función de sensibilidad espectral que se muestra en la Fig. 2C (curva roja). Otras células exhibieron espectros de acción similares (Fig. 2C, curva verde). Estos espectros de acción coincidían estrechamente con los pronosticados para un pigmento basado en la retina1 con una sensibilidad máxima a 484 nm (Fig. 2C, negro). También se asemejan a los espectros de acción derivados conductualmente para el arrastre circadiano en roedores, como se esperaba si estas células ganglionares funcionan como fotorreceptores circadianos primarios. A juzgar por la evidencia espectral disponible, es más probable que el fotopigmento en estas células ganglionares sea una opsina a base de retinaldehído como la melanopsina que un criptocromo a base de flavina. [pic 2]

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