Fisiología ocular: Visión - Inicio
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Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ FISIOLOGÍA OCULAR: VISIÓN Dra. Del Sole, María José1 El conocimiento adecuado de los mecanismos fisiológicos básicos del ojo y la visión permite conocer y comprender enfermedades oculares, métodos de diagnóstico, procedimientos terapéuticos y hasta técnicas quirúrgicas. En el presente resumen, que bajo ningún concepto pretende suplir a los libros de texto, se describirán brevemente los mecanismos relacionados con la fisiología de la visión. Previamente y con el objeto de facilitar la comprensión del tema se presentará una breve descripción anatómica del globo ocular de los mamíferos (Fig. 1). Básicamente el ojo está constituido por tres capas: 1 - La mayor parte de la cubierta externa es la esclerótica. Esta túnica conectiva resistente, rígida y opaca evita la deformación del globo ocular y es la estructura sobre la que se insertan los músculos extraoculares. En la parte anterior del ojo la esclerótica es reemplazada por una cubierta transparente denominada córnea. La unión entre la córnea y la esclerótica se denomina limbo. 2 - En el interior del globo ocular se encuentra una túnica vascular pigmentada, que en la parte posterior del ojo constituye la coroides y hacia anterior se engrosa para formar el cuerpo ciliar y el iris. El iris rodea una abertura de diámetro regulable, la pupila. La coroides contiene una capa receptora denominada tapetum, estructura responsable del brillo de los ojos de los animales cuando se les dirige una luz en la oscuridad. El tapetum no está presente en el cerdo ni en el hombre. El iris establece la 1 Becaria CONICET. Lab. Fisiología Sistema Nervioso y Endocrinología, Dto. Fisiopatología, Facultad de Ciencias Veterinarias, UNICEN. Especialista en Clínica de Caninos y Felinos Domésticos con orientación en Oftalmología. Título otorgado por el Colegio de Veterinarios de la Provincia de Buenos Aires (Res. Nº 18/99). Ayudante Diplomada. Área Cirugía General. Facultad de Ciencias Veterinarias. UNICEN. 1 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ cantidad de luz que ha de penetrar en el globo ocular regulando el tamaño de la abertura pupilar. Las fibras musculares responsables de esta acción están dispuestas de dos formas: rodeando la pupila, esfínter de la misma, y radialmente, formando el músculo dilatador. 3 - La capa más interna o retina reviste la coroides y contiene las células fotorreceptoras (conos y bastones). La retina es la túnica nerviosa del ojo y es sensible a la luz. Está conectada con el encéfalo por el nervio óptico. Embriológicamente, la retina es en realidad una parte del encéfalo, y el nervio óptico, un haz cerebral. Finalmente, el cristalino es una masa transparente y biconvexa, suspendida del cuerpo ciliar por las fibras radiales de la zónula de Zinn. Su función se basa en la acomodación ocular, proceso por el cual el ojo cambia su distancia focal (ver apartado Acomodación ocular). Humor acuoso Cuerpo ciliar Esclerótica Limbo Coroides Córnea Nervio óptico Pupila Cristalino Cuerpo vítreo Iris Retina Figura 1. Esquema del globo ocular De este modo, los ojos constituyen unos completos órganos sensoriales que son básicamente una extensión del cerebro con una capa de receptores, un sistema de lentes para enfocar o concentrar la imagen y un sistema de axones para transmitir los potenciales de acción hasta el cerebro. 2 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ Visión La visión es un proceso complejo que puede ser dividido en tres partes bien definidas: - una parte óptica que incluye el proceso físico por el cual la luz atraviesa los diferentes medios transparentes y refringentes del ojo hasta estimular los fotorreceptores de la retina, - una parte química que comprende todas las reacciones bioquímicas producidas en la retina y que constituye el proceso denominado fototransducción y - una parte neurológica que involucra los procesos de conducción neurológica por la vía visual y la formación final de la imagen en la corteza cerebral. Para un mejor entendimiento de este proceso denominado visión, en adelante se describen sucintamente cada una de sus partes. 1 nm Ondas magnéticas lentas Ondas de radio Microondas Infrarrojos Ultravioleta Rayos X Rayos gamma Rayos cósmicos 1. Óptica Para comenzar con esta parte de la visión inicialmente se debe definir el término luz. La luz es la parte visible del espectro electromagnético (Fig. 2) y ha sido descripta de dos formas distintas: a. como un fenómeno de partículas (Newton, 1672) y b. como un fenómeno de ondas (Huygens, 1678). Actualmente se sabe que la luz puede comportarse en forma dual, ya sea como partículas durante el proceso de generación (transformación de energía) o como ondas en los procesos de conducción. 103 µm LUZ Espectro visible 290 380 500 600 780 1100 Figura 2. Representación esquemática de la luz en el espectro electromagnético 3 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ En el ojo, ambos procesos son aplicables: la teoría de ondas explica los cambios que sufre la luz cuando atraviesa los medios transparentes, mientras que la teoría de partículas es aplicable cuando la luz es absorbida por los fotorreceptores de la retina. La onda de luz puede ser analizada mediante dos características: la amplitud de onda, que determina la intensidad, y la longitud de onda, que determina la localización en el espectro electromagnético. La luz ocupa una pequeña porción de este espectro en un rango que va, en el caso del ser humano, desde 380 a 780 nm. Si bien este tema será abordado más adelante, de este rango depende el espectro de colores que los animales pueden ver. 1.1. Refracción Para que se pueda comprender la fisiología ocular en primer lugar se ha de recordar los principios de la refracción. Cuando la luz incide sobre una interfase perpendicular su velocidad de transmisión disminuye y se acorta la longitud de onda pero sin desviarse de su curso. En cambio cuando la luz incide formando un ángulo, la dirección de la misma sufre una desviación denominada refracción (Fig. 3). Cuando un haz de luz formado por rayos paralelos atraviesa una lente convexa, los rayos que lo hacen por el centro inciden de manera perpendicular a su superficie y, por lo tanto, no sufren refracción. Por otro lado, los rayos más externos se curvan más y más hacia el centro. Este tipo de lentes llamadas convergentes, harán que todos los rayos se desvíen hasta juntarse en un punto común denominado punto focal. La distancia entre la lente y el punto focal se denomina distancia focal (Fig. 3). Distancia focal Punto focal Lente convergente Figura 3. Fenómeno de refracción en una lente convergente Por lo explicado, cuanto mayor sea la convexidad de la lente, mayor será la desviación de los rayos de luz que la atraviesen, y por lo tanto el punto focal será 4 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ menor. En otras palabras, las lentes de mayor convexidad poseen mayor poder refractivo (en este caso de convergencia) y este poder de refracción se mide en términos de dioptrías (D). Así, una dioptría se define como el poder de una lente que converge rayos de luz paralelos a una distancia focal de 1 metro. En resumen, D = 1/distancia focal Es decir, que una lente con una distancia focal de 1 m posee 1 D mientras que una lente de 2 D posee una distancia focal de 0,5 m. Ahora bien, una vez definido el fenómeno de refracción se extrapolarán los conceptos explicados anteriormente al globo ocular. 1.1.1. Estructuras refractivas del ojo La luz es sucesivamente refractada por diferentes estructuras a medida que atraviesa el ojo para llegar a la retina. La estructura ocular de mayor poder refractivo es la córnea, seguida por el cristalino. Tanto la córnea como el cristalino actúan como lentes convergentes con el objeto de que todos los rayos de luz paralelos que los atraviesen tengan su punto focal en la retina de modo de generar una imagen nítida y enfocada. Para colaborar con la comprensión de este proceso se explicarán brevemente algunos términos utilizados en forma cotidiana, pero quizá no totalmente comprendidos. 1.1.2. Errores de refracción Se denomina emetropía a la condición ocular en la que los rayos paralelos de luz se focalizan en la retina al atravesar las estructuras oculares. La ametropía es la alteración de la emetropía que puede ser de dos tipos: miopía e hipermetropía (Fig. 4). La miopía se produce cuando los rayos de luz se enfocan por delante de la retina, situación que suele deberse a la presencia de un globo ocular demasiado largo o un sistema refractivo demasiado grande en el cristalino. Así, un individuo miope no puede enfocar con agudeza los objetos lejanos a su retina y posee un punto lejano límite definido para ver con claridad. Por el contrario, la hipermetropía suele deberse a un globo ocular demasiado corto o a un cristalino demasiado débil. Por esto, los rayos de luz paralelos no se curvan lo suficiente en el cristalino y convergen por detrás de la retina. 5 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ Emetropía Hipermetropía Miopía Figura 4. Errores de refracción Diversos estudios han determinado que la mayoría de los perros y gatos se encuentran cercanos a la emetropía o con leves miopías (-0,5 a -1 D) existiendo variaciones de -3 a +3 D en el caballo. Otro defecto de refracción es el astigmatismo que puede definirse como un error del sistema de lentes del ojo, ocasionado por una córnea excesivamente oblonga o, raras veces, por un cristalino ovoideo. Normalmente, la córnea tiene un radio de curvatura constante en todos sus meridianos; el astigmatismo ocurre cuando alguno de estos meridianos presenta un radio de curvatura diferente. Debido a esto, la luz que entra al ojo a través del meridiano vertical puede sufrir una diferente refracción que la luz que entra por el meridiano horizontal, de modo que parte de la imagen de la retina resulta borrosa. Luego que la córnea y el cristalino enfocan la luz, esta atraviesa el humor vítreo ocupante de la cavidad ocular, antes de alcanzar los fotorreceptores retinianos. La melanina contenida en las células del epitelio pigmentario que reviste la parte posterior de la retina, absorbe la luz que no es capturada por ella. Se evita así que la luz se refleje en la parte posterior del ojo y vuelva de nuevo a la retina, lo cual degradaría la imagen visual. Como los receptores se encuentran en la parte posterior del ojo, inmediatamente por delante del epitelio pigmentario, todas las demás células de la retina están por delante de ellos, es decir, más cerca del cristalino. En consecuencia, la luz ha de atravesar varias capas de neuronas retinianas antes de alcanzar los fotorreceptores (Fig. 5). Para permitir que la luz llegue a ellos sin ser absorbida ni sufrir dispersiones importantes (que distorsionarían la imagen visual), los axones de las neuronas de las 6 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ capas proximales de la retina son amielínicos, lo que hace que estas capas sean relativamente transparentes. Hasta aquí se ha descripto como la luz llega a los fotorreceptores de la retina. En adelante se detallará como en la retina el estímulo lumínico se transforma en eléctrico. 2. Química La retina merece un estudio cuidadoso por varias razones. En primer lugar, ayuda a conocer la conversión sensitiva en general, ya que probablemente sus fotorreceptores sean las células receptoras más investigadas. En segundo lugar, a diferencia de otras estructuras sensitivas como el caracol o algunos receptores somáticos de la piel, la retina no es un órgano periférico sino que forma parte del sistema nervioso central (SNC) y su organización sináptica es similar a la de las demás estructuras nerviosas. A la vez, la retina es relativamente sencilla en comparación con otras regiones encefálicas. Sólo contiene cinco clases principales de neuronas, unidas mediante un intrincado, pero ordenado, patrón de conexiones y formando una organización anatómica en capas (Fig. 5). Esta combinación de diversidad fisiológica y organización estructural relativamente simple hace de la retina un órgano útil para comprender la forma en que los complejos circuitos nerviosos del encéfalo procesan la información. Superficie de la retina LUZ Figura 5. Estructura de la retina 7 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ 2.1. Fotorreceptores Existen dos tipos de fotorreceptores: los bastones y los conos. Estos últimos son los responsables de la visión diurna: las personas que pierden la función de los conos son legalmente ciegas. Los bastones intervienen en la visión nocturna y la pérdida de su funcionalidad solo produce ceguera nocturna. Como algunos otros receptores sensoriales, los bastones y los conos no disparan potenciales de acción sino que responden a la luz con cambios graduales de los potenciales de membrana. La respuesta de los bastones es lenta, de forma que los efectos de todos los fotones absorbidos durante un intervalo de 100 ms se suman. Ello permite a los bastones detectar pequeñas cantidades de luz, pero les impide resolver la luz que parpadea a una velocidad superior a los 12 Hz. La respuesta de los conos es mucho más rápida, lo que les permite detectar parpadeos de hasta 55 Hz o más. Los factores más importantes que contribuyen a las principales diferencias entre ambos tipos de fotorreceptores se resumen en el siguiente cuadro. Bastones - Gran sensibilidad Visión nocturna Sistema acromático: un tipo de pigmento Mayor cantidad de fotopigmentos Gran poder de amplificación (detección de fotones únicos) Baja resolución temporal (respuesta lenta, tiempo de integración prolongado) Mayor sensibilidad a la luz dispersa Vías retinianas muy convergentes (escasa agudeza visual) Conos - Menor sensibilidad Visión diurna Sistema cromático: 3 tipos de pigmentos Menor cantidad de fotopigmentos Menor poder de amplificación Gran resolución temporal (respuesta rápida, tiempo de integración breve) Más sensibles a los rayos axiales directos Vías retinianas dispersas (gran agudeza visual) Estructuralmente, tanto los conos como los bastones, tienen tres regiones funcionales fundamentales (Fig. 6): 8 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ - - El segmento externo, localizado en la superficie más externa o distal de la retina y especializado en la fotoconversión. El segmento interno, localizado en la zona más proximal de la retina y en el que se encuentra el núcleo de la célula y la mayor parte de su maquinaria de biosíntesis. La terminal sináptica, que establece contacto con las células objeto de la acción de los fotorreceptores. Figura 6. Regiones funcionales de los fotorreceptores Los segmentos externos de los bastones y los conos están totalmente ocupados por los pigmentos visuales que absorben la luz. Cada molécula de pigmento está formada por una pequeña molécula que absorbe la luz unida a una gran proteína que se extiende por la membrana. Los conos y los bastones poseen un número notablemente grande de estas proteínas de membrana (hasta 108 cada célula) debido a que en sus segmentos externos disponen de un elaborado sistema de discos membranosos apilados que aumentan considerablemente la superficie de sus membranas (Fig. 7). Estos discos se desarrollan como una serie de invaginaciones de la membrana plasmática de la célula, organizadas como una pila de monedas. En los conos, los discos se continúan con la membrana celular, mientras que en los bastones se separan de ella y se convierten en organelas intracelulares. 9 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ Figura 7. Discos membranosos de los fotorreceptores Al igual que las demás neuronas, los fotorreceptores no tienen capacidad de división, pero sus segmentos externos están sometidos a una renovación constante. Los nuevos discos se forman a gran velocidad; los bastones sintetizan alrededor de tres discos por hora. Los viejos se desprenden del extremo de los fotorreceptores y son eliminados por la actividad fagocitaria de las células epiteliales pigmentarias. 2.2. Conversión de la luz La conversión de la luz es consecuencia de una cascada de fenómenos bioquímicos de tres fases que se producen en los fotorreceptores. La absorción de la luz por los pigmentos visuales de los bastones y los conos activa una cascada de fenómenos que provoca un cambio de los flujos iónicos en la membrana plasmática de estas células y, por lo tanto, un cambio de potencial de membrana. Una molécula esencial en esta cascada es el nucleótido cíclico 3'-5' monofosfato de guanosina (GMPc). Esta molécula controla los flujos de iones, abriendo una clase especial de canales iónicos, los canales iónicos regulados por el GMPc, que permiten la entrada de iones de Na+ a la célula. Durante la oscuridad, la concentración de GMPc es relativamente elevada, lo que determina que los canales regulados por esta molécula se encuentren abiertos y permitan la corriente de entrada que mantiene a la célula en un estado relativamente despolarizado. Por lo tanto, la fotoconversión tiene lugar a través de tres fases: (1) la luz activa los pigmentos visuales, (2) estas moléculas activadas estimulan la GMPc fosfodiesterasa, una enzima que reduce la concentración de GMPc en el citoplasma, y 10 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ (3) la reducción de la concentración de GMPc cierra los canales regulados por él, hiperpolarizando el fotorreceptor. Un resumen esquemático de estos eventos se detalla en la Fig. 8. GMPc fosfodiesterasa Rodopsina Proteína G Transducina Membrana del segmento externo Espacio extracelular Citoplasma Disco Canal regulado por GMPc 2 Na+ GMPc 1 3 GTP 5´GMP LUZ Figura 8. Fotoconversión En adelante, se examinaran estos fenómenos paso a paso. 2.2.1. Fase I: la luz activa las moléculas de pigmento de lo fotorreceptores El pigmento visual de los bastones, la rodopsina, tiene dos partes. La porción proteica, u opsina, se encuentra en la membrana que forma el disco y, por si misma no absorbe luz. La porción que absorbe la luz, el retinal, es un derivado de la vitamina A. Esta sustancia puede adoptar varias configuraciones isométricas distintas, dos de las cuales son importantes para las distintas fases del ciclo visual. En la forma inactiva, la rodopsina contiene el isómero 11-cis del retinal, que se adapta cómodamente a su lugar de unión de la molécula de opsina (Fig. 9). 11 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ NH2 Residuo 296 (lugar de unión del retinal) Rodopsina Interior del disco Segmento externo Citoplasma Interior del disco Disco Membrana del disco Citoplasma COO COOH H Figura 9. Ubicación y estructura de la rodopsina La activación de la rodopsina se inicia con la absorción de luz, que induce un cambio de la configuración del retinal, que pasa de 11-cis a holo-trans (Fig. 10). Esta reacción es el único paso de la visión que depende de la luz. Debido a este cambio de configuración, el retinal pierde su adaptación al lugar de unión en la opsina. Por lo tanto, ésta a su vez cambia también su configuración, y adopta una forma semiestable llamada metarrodopsina II que pone en marcha el segundo paso de la fotoconversión. La metadorropsina II es inestable y en cuestión de minutos se separa en opsina y retinal holo-trans, que es transportado desde los bastones a las células epiteliales pigmentarias donde es reducido a retinol 11-cis (vitamina A), el precursor de la síntesis de retinal11-cis, que vuelve de nuevo a los bastones. 2.2.2. Fase II: la activación de las moléculas de pigmento reduce la concentración citoplásmica de GMPc La concentración del GMPc está controlada por dos enzimas. Sintetizado a partir del GTP por la guanilil ciclasa, se degrada a 5’-GMP por acción de la GMPc fosfodiesterasa, una proteína asociada periféricamente a la membrana de los discos. En la oscuridad, la actividad de la GMPc fosfodiesterasa es débil y, por lo tanto, la concentración de GMPc es relativamente alta. 12 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ 11-cis retinal L U Z + C N C R + N R retinal todo trans Figura 10. Cambio de configuración del retinal en respuesta a la luz La molécula de rodopsina activada difunde en la membrana de los discos y activa cientos de moléculas de la proteína reguladora transducina cada una de las cuales estimula una molécula de fosfodiesterasa. A su vez, cada molécula de fosfodiesterasa puede hidrolizar más de 103 moléculas de GMPc por segundo. La transducina inactiva se une íntimamente a una molécula GDP; sin embargo, gracias a la interacción con la rodopsina activada la transducina intercambia GDP por GTP y se activa. La respuesta a la luz se completa por dos mecanismos, la inactivación de la transducina que se produce porque ella también tiene actividad GTPasa, que degrada a GDP la molécula de GTP y la fosforilación de la rodopsina por una proteína cinasa específica, la opsina cinasa. Una vez fosforilada, la rodopsina interactúa con una proteína reguladora específica llamada arrestina, lo que determina su rápida inactivación (Fig. 11). 2.2.3. Fase III: la reducción de la concentración de GMPc cierra los canales iónicos regulados por GMPc, lo que se traduce en hiperpolarización del fotorreceptor Para abrir los canales, el GMPc se une directamente a la superficie citoplásmica de los mismos. Estos se activan gracias a la unión de cooperación de al menos tres moléculas de GMPc. En ausencia de estímulo lumínico, los canales regulados por GMPc conducen una corriente hacia adentro que tiende a despolarizar el fotorreceptor. El cierre de estos canales provocado por la luz reduce la corriente y causa, por tanto, una hiperpolarización (-70 mV). 13 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ Epitelio pigmentario Fotorreceptor 11- cis retinal Rodopsina Metarrodopsina II 11-cis retinol Retinal holo trans -GDP A 11- cis retinal Retinol holo trans GTP Retinol holo trans Arrestina GTPasa Opsina Opsina fosforilada B Figura 11. Mecanismos implicados en el final de la respuesta a la luz en el fotorreceptor. A. Inactivación de la transducina. B. Inactivación de la opsina activada y reciclaje del retinal. 3. Neurológica 3.1. Eferencias de la retina Los impulsos eferentes de la retina son transportados por las neuronas ganglionares, que a diferencia de los fotorreceptores que responden a la luz con cambios graduales de los potenciales de membrana, transmiten la información como series de potenciales de acción. Los axones de estas células forman el nervio óptico. Entre los receptores y las células ganglionares existen tres clases de interneuronas: las células bipolares, las amácrinas y las horizontales. Estas células no se limitan simplemente a trasmitir las señales de los fotorreceptores de tal forma que las respuestas eléctricas producidas en las células ganglionares dependen de forma esencial de los exactos patrones espaciales y temporales de la luz que estimula la retina. Incluso en la oscuridad, las células ganglionares nunca permanecen en reposo, pero su actividad espontánea está regulada por las aferencias procedente de las interneuronas retinianas. Las aferencias que llegan a las células ganglionares tienen su origen en los fotorreceptores vecinos que ocupan un área circunscripta de la retina, el campo receptivo de cada célula. Estos campos son circulares y constan de dos partes: un centro y una periferia. La respuesta de una pequeña mancha de luz aplicada sobre el centro del campo receptivo permite distinguir dos clases de células ganglionares (Fig. 12): - las células ganglionares conectadas por el centro (centro on), que se excitan cuando la luz incide directamente en el centro de su campo receptivo, mientras que una luz aplicada a la periferia inhibe la célula, y - las células ganglionares desconectadas por el centro (centro off), que se inhiben cuando la luz se aplica al centro de su campo receptivo, sin embargo, su ritmo de 14 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ activación aumenta durante un corto intervalo una vez retirada la luz. Es decir, se excitan cuando se apaga la mancha de luz dirigida al centro o cuando la luz incide en la periferia del campo receptivo. De este modo, el sistema visual consigue un buen contraste de los bordes de los objetos. Figura 12. Campos receptivos de las células ganglionares de centro conectado (on) y desconectado (off). Respuesta de las mismas ante la iluminación en sus diferentes partes. Sin embargo, no todas las células ganglionares disponen de una organización de campo receptivo con centro y periferia. Por ejemplo, algunas responden a los cambios de luminancia total del campo visual y son importantes en el control de los reflejos pupilares. Esta organización comienza a nivel de las células bipolares. Pues, cada cono establece sinapsis con dos tipos de células bipolares, de centro conectado y centro desconectado, y a su vez cada una de éstas establece una conexión excitatoria con una célula ganglionar del mismo tipo (Fig. 13). Así cuando la luz hiperpolariza el cono, la 15 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ célula bipolar de centro conectado se excita y la de centro desconectado se inhibe mediante su único neurotransmisor: el glutamato. Figura 13. Efecto de la luz sobre los conos, las células bipolares y las células ganglionares En la oscuridad los conos liberan glutamato como único neurotransmisor manteniéndose despolarizados (alrededor de -40 mV), por lo que sus canales de Ca2+ sensibles al voltaje de sus terminales sinápticas están abiertos y permiten la entrada del ion en los terminales, lo cual a su vez, desencadena la liberación de glutamato. Esta liberación constante de glutamato en condiciones de oscuridad mantiene las células bipolares de centro conectado en estado de hiperpolarización. Al producirse la iluminación, los conos se hiperpolarizan, los canales de Ca2+ sensibles al voltaje se cierran y la entrada de Ca2+ desciende. Por lo tanto, la cantidad de glutamato liberada por la célula disminuye y las células bipolares de centro conectado se despolarizan. Por el contrario, en la oscuridad, los conos mantienen despolarizadas a las células bipolares de centro desconectado. Cuando la luz reduce la liberación de glutamato, las células bipolares de centro conectado se despolarizan mediante la apertura de un tipo de canales de cationes por el que discurre una corriente de entrada de Na+ en la célula. En las células bipolares de centro desconectado el mecanismo por el que el glutamato hiperpolariza es diverso. En 16 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ algunas sinapsis este neurotransmisor actúa abriendo los canales iónicos selectivos de K+. En otras, cerraría los canales regulados por le GMPc del mismo modo como la luz disminuye la concentración de GMPc en el fotorreceptor (Fig. 14). Figura 14. Mecanismos del glutamato para despolarizar o hiperpolarizar las células bipolares Es así como las células bipolares despolarizadas despolarizan a las ganglionares cuyos largos axones alcanzan distancias considerables hasta sus objetivos en el encéfalo y transfieren la información como series de potenciales de acción. Finalmente, las células horizontales por su parte despolarizan los conos del centro cuando la periferia se ilumina, un efecto inverso al que produce la absorción de la luz por estos conos. Las amácrinas establecen conexiones entre las células bipolares y las ganglionares. 3.2. Vías aferentes visuales Como ya se mencionara, los axones de las células ganglionares constituyen el nervio óptico, el cual lleva la información hasta el encéfalo. En las aves y los mamíferos, las fibras provenientes de cada hemirretina nasal se cruzan (decusación de las fibras) formando el quiasma óptico (diencéfalo) para reunirse 17 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ después con las fibras provenientes de la hemirretinas temporales opuestas, las cuales siguen ipsilateralmente formando las cintillas ópticas o tractos ópticos. Las fibras de cada cintilla óptica hacen sinapsis en el núcleo geniculado lateral del tálamo y desde aquí las fibras geniculocalcarinas forman el fascículo o haz geniculocalcarino o radiación óptica hasta la corteza visual situada en la cisura calcarina del lóbulo occipital (Fig. 15). En consecuencia, los campos visuales derechos de cada ojo (mitad izquierda de cada ojo), se proyectan en la corteza izquierda y a la inversa. En los caninos el 75% de las fibras de cada nervio óptico cruza contralateralmente a nivel del quiasma óptico para estimular la corteza visual de cada lado del cerebro (felinos 65% y equinos 80-90%). La mayor cantidad de axones que cruzan en el quiasma óptico provienen de las células ganglionares de la parte medial o nasal de la retina, mientras que los axones que permanecen ipsilaterales provienen de las células ganglionares de la parte lateral o temporal (Fig. 15). Figura 15. Vías visual y refleja. 1. Nervio óptico. 2 Quiasma óptico. 3 Cuerpo geniculado lateral. 4. Núcleo nervio oculomotor. 5. Corteza occipital. 6. Ganglio ciliar. Además, las fibras visuales pasan colaterales hacia otras partes del cerebro: a) núcleo supraquiasmático del hipotálamo, posiblemente para regular los ciclos circadianos; b) núcleos pretectales, que activan el reflejo pupilar de la luz y regulan la fijación sobre objetos importantes y 18 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ c) colículos superiores, que regulan los movimientos simultáneos de ambos ojos. El núcleo geniculado lateral está estructuralmente formado por seis capas nucleares. Las capas 1 (la más ventral), 4 y 6 reciben los axones que cruzan el quiasma óptico desde la retina nasal al ojo opuesto, mientras que las capas 2, 3 y 5 reciben señales procedentes de la parte temporal de la retina ipsilateral. No se sabe porque le núcleo geniculado lateral presenta esta estructuración en capas neuronales. Lo que si se sabe es que las capas 1 y 2 (que constituyen el grupo magnocelular) se relacionan principalmente con la visión escotópica (visión con luz escasa) mientras que las capas 3, 4, 5 y 6 (grupo parvocelular) intervienen en la visión fotópica (visión con luz intensa). El núcleo geniculado lateral introduce pocas variaciones en las señales visuales: hay correlación espacial entre sus células y las ganglionares, lo que supone que se conserva la topografía. Tal vez lo más relevante es que se acentúa el contraste visual (cromático y claro-oscuro), lo que indica que siguen operando procesos de inhibición lateral. En humanos se sabe que la corteza visual presenta una organización retinotópica no proporcional en extensión. Así, la región de la fóvea de los humanos (condensación de conos) presenta el máximo de representación cortical y se localiza en el polo más occipital. Esta se encuentra rodeada concéntricamente por regiones retinianas sucesivamente más alejadas, de modo que las partes más altas de la retina se localizan en las zonas superiores de la corteza visual, y a la inversa. La corteza visual de cada lóbulo tiene proyecciones hacia la corteza occipital contralateral, a la corteza motora de ambos hemisferios, al cerebelo a través del puente, al mesencéfalo y a los núcleos de los pares craneanos III (oculomotor), IV (troclear) y VI (abducens). 3.3. Vía Refleja Esta vía es la responsable de la respuesta de las pupilas a estímulos lumínicos de diferente intensidad. El sistema nervioso autónomo, mediante su división simpática y parasimpática, es el que permite que el ojo se adapte a estos estímulos. La inervación parasimpática del ojo es la que regula las respuestas pupilares a la luz ambiental, mediante la acción del III par craneano. Los cuerpos celulares de las neuronas que conforman el núcleo del nervio oculomotor se hallan en el mesencéfalo. Los axones preganglionares provenientes de las neuronas del núcleo oculomotor hacen sinapsis con las neuronas postganglionares en el ganglio ciliar, localizado en ventral al nervio óptico. Los axones postganglionares corresponden a los nervios ciliares cortos, que pasan a través del nervio óptico al globo ocular e inervan al músculo ciliar y al músculo constrictor de la pupila (Fig. 15 y 16). Este sistema parasimpático funciona de acuerdo con la cantidad de luz percibida por ambos ojos. Ante escasa luz ambiental las pupilas se dilatan (midriasis) en forma 19 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ pasiva ya que el sistema no se estimula. Cuando la luz es intensa el sistema es completamente excitado y las pupilas se contraen (miosis). Figura 16. Vías visuales y reflejas El sistema puede ser testeado a través de los reflejos pupilares a la luz. Cuando una luz brillante es colocada frente a uno de los ojos se produce miosis en ambos. La respuesta de miosis en el ojo donde se coloca la fuente lumínica se denomina reflejo pupilar directo. El estímulo aferente que produce la luz excita los receptores de la retina, es conducido a través del nervio óptico hasta el quiasma óptico donde se produce el entrecruzamiento de fibras. Desde aquí, el estímulo viajará por ambos tractos ópticos. Aproximadamente un 20% de los axones de lo tractos ópticos se desviarán hacia los núcleos pretectales, donde hacen sinapsis para formar parte de la vía refleja. Luego de esta sinapsis, los axones de las neuronas de los núcleos pretectales se dirigen a los 20 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ núcleos oculomotores, activando las neuronas preganglionares que producirán la respuesta eferente y la constricción pupilar en ambos ojos (reflejo pupilar indirecto). La inervación simpática regula las respuestas pupilares a la excitación, el miedo o la ira. Los cuerpos celulares de las neuronas preganglionares simpáticas del ojo están situados en la sustancia gris medular de los primeros tres o cuatro segmentos torácicos. Los axones de estas neuronas viajan a través del tronco simpático cervical para formar parte del denominado tronco vagosimpático. Los axones simpáticos terminan haciendo sinapsis con las neuronas postganglionares en el ganglio cervical craneal, ventral a la bulla timpánica. Los axones postganglionares pasan por dentro de la cavidad del oído medio y penetran en la periórbita, los párpados y el músculo dilatador de la pupila (Fig. 16). La función de esta inervación simpática lleva a mantener el ojo protruído, la fisura palpebral abierta, el tercer párpado retraído y la pupila parcialmente dilatada. 3.4. Otras rutas neurológicas relacionadas 3.4.1. Movimientos conjugados de los globos oculares Los movimientos conjugados de los globos oculares se asocian a los movimientos de la cabeza. Normalmente se observa un movimiento oscilatorio de los ojos, rítmico e involuntario, ante cualquier movimiento rápido de la cabeza. Este movimiento se denomina nistagmo fisiológico vestibular y es estimulado por movimientos cefálicos laterales o verticales. Un movimiento lento es observado primero hacia la dirección en que se mueve la cabeza. El primer movimiento es iniciado por vías laberínticas, el de recuperación es a través de de los centros del tronco encefálico. Este reflejo ayuda a mantener la fijación visual sobre puntos estacionarios mientras la cabeza rota. Los movimientos conjugados de los ojos se producen gracias a la acción conjunta de los músculos extraoculares inervados por los pares craneanos III, IV y VI. Se realizará una breve descripción anátomo-fisiologíca de los mismos (Fig. 17): - Nervio Oculomotor (III par craneal): Inerva al músculo recto dorsal, recto ventral, recto medial, oblicuo ventral y elevador del párpado superior. - Nervio Troclear (IV par craneal): Inerva al músculo oblicuo dorsal. - Nervio Abducens (VI par craneal): Inerva al músculo recto lateral y retractor del globo ocular. 21 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ Figura 17. Inervación de los músculos extraoculares El ojo tiene tres ejes de rotación: uno horizontal, uno vertical y otro sagital. Si se considera que el eje horizontal atraviesa el ojo por su centro. El músculo recto dorsal elevará el ojo mientras que el recto ventral descenderá el mismo. Si se considera la dirección del eje vertical, el músculo recto medial realizará el movimiento de aducción del ojo mientras que el oblicuo ventral mueve el ojo lateroventralmente alejándose de la nariz. Estos movimientos descriptos no se realizan por separado sino en conjunto poniendo en funcionamiento mecanismos neurológicos que permiten movimientos de sinergismo y antagonismo muscular para permitir que ambos ojos se muevan en la misma dirección y al mismo tiempo. Un ejemplo podría ser el movimiento de los ojos sobre el eje horizontal (hacia la derecha y la izquierda). Si se evalúa como los ojos se mueven hacia la derecha, esto requerirá la estimulación de las neuronas del nervio abducens para movilizar el músculo recto lateral del ojo derecho y la inhibición de aquellas que cumplen la misma función en el ojo izquierdo. Simultáneamente, deberán estimularse las neuronas del nervio oculomotor para el músculo recto medial del ojo izquierdo, mientras que las mismas del ojo derecho deberán estar inhibidas. El fascículo longitudinal medial es el que permite esta actividad coordinada entre núcleos nerviosos, pues axones provenientes de los núcleos vestibulares en el bulbo raquídeo se proyectan por al fascículo e influencian los núcleos de los nervios craneanos III, IV y VI). 22 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ 3.4.2. Acomodación ocular La acomodación del cristalino es un mecanismo reflejo que se inicia por la percepción de imágenes borrosas procedentes de la retina. Interviene la corteza visual en relación con zonas de la región pretectal de la vía visuales de donde se llega al núcleo del nervio oculomotor. A partir de aquí, salen fibras ganglionares colinérgicas (parasimpáticos) que establecen sinapsis con el ganglio ciliar situado por detrás del ojo y cuyos axones posganglionares colinérgicos inervan los músculos ciliares aumentando la curvatura del cristalino. Brevemente, los ligamentos de la zónula de Zinn se hallan constantemente en tensión por la tracción elástica de sus fijaciones en la coroides, lo que hace que el cristalino se conserve relativamente plano en condiciones de reposo (visión lejana). Al contraerse los músculos ciliares para enfocar un objeto cercano, disminuye la tensión de estos ligamentos zonulares sobre el cristalino y, por tanto, se abomba aumentando el poder de refracción. Cabe destacar que existe una capacidad muy limitada para la acomodación en los animales domésticos, exceptuando quizá al gato. El caballo es una animal que puede citarse a este respecto como poseedor de un ojo especialmente diseñado para aumentar su natural facilidad de acomodación de una forma interesante. El caballo puede enfocar los objetos sin cambiar la forma del cristalino, debido a su llamada retina en rampa, en la cual la parte posterior del ojo se encuentra aplanada de tal manera que al cambiar el ángulo de los rayos de luz que penetran en el ojo, se modifica el foco en la retina. Las fibras del músculo ciliar están muy poco desarrolladas. En el conejo se cita a la repleción de los vasos sanguíneos ciliares como generadores de un cambio ligero en la posición del cristalino. La capacidad del cristalino para adoptar forma esférica disminuye en forma progresiva a partir de los 40-50 años en el hombre. A esta deficiencia en la acomodación del cristalino se la denomina presbiopía y puede corregirse con lentes bifocales convexas. 4. Los animales y la visión en colores En la retina de los primates cada uno de los tres tipos de conos tiene un fotopigmento distinto que es óptimo para absorber la luz de las distintas regiones del espectro de la luz visible. Al igual que los bastones, el pigmento visual de los conos consta de dos partes: una proteína llamada opsina de los conos y una porción que absorbe la luz, el 11-cis retinal. Cada tipo de cono posee una isoforma distinta de opsina que interactúa distinto con el 11-cis retinal, haciéndolo más sensible a una región más concreta del espectro visible. La existencia de estos tres tipos de conos con distintas 23 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ 1 nm Humanos: 445 535 570 Canino: 429-435 555 103 µm Felino: 450 550 500-520 Equinos: xxx xxx xxx Espectro visible 290 380 500 Azul Ondas magnéticas lentas Ondas de radio Microondas Infrarrojos Ultravioleta Rayos X Rayos gamma Rayos cósmicos características de absorción constituye la base de la visión trivalente del color del ser humano. En el hombre se ha determinado que existen tres isoformas de opsina que son sensibles al azul, verde y rojo, lo que equivale a decir que en el ojo humano existen 3 tipos de conos que muestran el máximo de absorbancia a longitudes de onda de 445, 535 y 570 nm, respectivamente. Según las proporciones de estimulación entre los diversos tipos de conos, el sistema nervioso las interpreta como distintos colores. La estimulación de los tres tipos de colores a la vez da sensación de blanco. Por lo tanto, se dice que el sistema de visión en colores del hombre es un sistema tricromático ya que puede detectar casi todas las gradaciones de color cuando se mezclan adecuadamente luces monocromáticas azul, verde y roja (Fig. 18). Diversos estudios morfológicos, fisiológicos y de comportamiento han determinado que la mayoría de los animales domésticos poseen visión de colores, pero que a diferencia de los primates, poseen un sistema dicromático, es decir que forman sus colores a partir de la combinación de sólo 2 colores básicos, lo que significa una menor cantidad de combinaciones y menor cantidad de colores del espectro lumínico. En el perro se han determinado que existen 2 fotopigmentos con picos espectrales de 429 y 550 nm, lo que supone no posee capacidad para ver el color rojo. En el gato se han identificado con 450 y 561 nm, aunque hay estudios que sugieren un sistema tricromático con otro pigmento en 520 nm. Se cree que el caballo es sensible al amarillo, verde y azul pudiendo ser una especie con un sistema de visión tricromático. 600 780 Rojo Verde Figura 18. Visión en colores 24 1100 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ 5. Evaluación clínica de la visión Ahora bien, como el veterinario evalúa la visión de un paciente, es una consideración importante a tener en cuenta, pues esta tarea difiere en absoluto de aquella realizada en humanos. Varias son las pruebas de rutina que se realizan en el consultorio, entre ellas: - Prueba de ambulación en ambientes desconocidos. Habitualmente asociado a la prueba de obstáculos, este test debe primero realizarse con una luz ambiental intensa y luego reducirla para evaluar si existen diferencias entre ambas. - Prueba de acomodación. Se realiza sosteniendo al animal desde atrás, por el tórax y acercándolo hacia una mesa. Si la capacidad visual está conservada el animal deberá intentar colocar ambos miembros anteriores sobre la mesa antes de sentir el contacto con la misma. - Prueba de amenaza. Consiste en realizar un ademán de amenaza con la mano hacia uno de los ojos del animal, manteniendo el otro ojo tapado con la otra mano. En los pacientes dóciles podría evaluarse el aspecto lateral y medial de cada ojo. Es importante no producir movimientos violentos que generen corrientes de aire o roce con los pelos faciales ya que pueden producirse resultados erróneos. Tanto la parte periférica como la parte central de la vía visual deben estar intactas para que el resultado de la prueba sea normal. La respuesta esperada es el cierre del párpado y a veces retracción del globo ocular y de la cabeza del animal alejándose del estímulo nocivo. Para que el parpadeo ocurra, el núcleo y el nervio facial deben funcionar correctamente. No se debe olvidar que desde la corteza visual el estímulo debe pasar por el cerebelo a través de la proyección cerebropontocerebelosa, por lo que lesiones del cerebelo pueden provocar pruebas de amenaza negativas con visión intacta y el núcleo y nervio faciales normales. En este caso puntual el déficit es ipsilateral por el entrecruzamiento que existe en el perro de las vías que van del cerebro al cerebelo a través del puente. - La evaluación visual también se puede realizar sosteniendo la cabeza del perro en una posición fija y moviendo la mano del evaluador de un lado al otro. Normalmente el animal seguirá con movimientos coordinados de los ojos estos ademanes. Esta prueba también puede realizarse soltando trozos de algodón a unos 20 cm de los ojos del animal para evaluar si sigue con la vista la caída de los mismos. Con esta prueba se evalúa la capacidad visual, la integridad del nervio óptico y los centros corticomesencefálicos. Es importante destacar que cuando existen lesiones de la vía visual, la pérdida del reflejo pupilar sólo se produce ante daños severos. 25 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ Problema Se presenta a consulta un pequinés macho de 10 años de edad con protrusión del globo ocular derecho. Luego de 10 días de repuesto el ojo se observa midriasis derecha persistente. Se sospecha de ruptura/desgarro del nervio óptico. A. Como evaluaría al paciente para corroborar la estructura afectada? B. Qué respuestas le parece a Ud. encontrará? 26 Fisiología ocular: Visión ________________________________________________________ Bibliografía - Cunningham, J.G. Fisiología Veterinaria, Ed Interamericana - Mc Graw-Hill, 1992. Ganong, W. Fisiología Médica, Ed. Manual Moderno, 1996. García Sacristán, A. Fisiología Veterinaria, Ed. Interamericana, 1995. Kandel, E.R.; Schwartz, J.H. y Jessell, T.M. Principios de Neurociencia. Cuarta Edición, Ed. Mc Graw-Hill, 2000. Ofri, R. Optics and Physiology of Vision. En: Gelatt K.N. Veterinary Ophthalmology, Tercera Edición, Ed. Lippincott Williams Wilkins, 1999. Swenson, M.J. y Reece, W.O. Fisiología de los animales domésticos de Dukes. Quinta edición, Ed. Limusa, 1999. Apuntes Curso Ciencias Básicas Aplicadas a la Oftalmología Veterinaria. Facultad de Ciencias Veterinarias, UBA, 2004. 27
