estructurascomputacionalesparala simulaciónymodeladode … · 2020. 5. 18. · agradecimientos en...

Estructuras Computacionales para laSimulación y Modelado de

Funciones Retinales

Gabriel de Blasio

Índice general

Agradecimientos 12

Resumen 14

Summary 16

1. Bases Neurofisiológicas 191.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.2. Organización estructural de la retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.3. Células de la Capa Nuclear Externa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3.1. Bastones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.3.2. Conos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.4. Células de la Capa Nuclear Interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.4.1. Células bipolares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.4.2. Células horizontales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.4.3. Células amacrinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.4.4. Células Interplexiformes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.5. Capa de células Ganglionares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.5.1. Clasificación de las ganglionares en el gato . . . . . . . . . . . . . . 321.5.2. Clasificación de las ganglionares en los primates . . . . . . . . . . . 35

1.6. Respuestas de las células retinales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361.7. Sinapsis y canales de transmisión en la retina . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.7.1. Sinapsis en las Capas Plexiformes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.7.2. Canales o circuitos neuronales en la retina . . . . . . . . . . . . . . 40

1.7.2.1. Detección de cambios de luminosidad . . . . . . . . . . . . 411.7.2.2. Adaptación a la iluminación . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.7.3. Selectividad Direccional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461.7.3.1. Modelos presináptico y postsináptico de la selectividad di-

reccional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481.7.3.2. Propiedades de las células amacrinas “starbust” . . . . . . 49

1.8. Codificación retinal del color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531.8.1. Canal Rojo-Verde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4 ÍNDICE GENERAL

1.8.2. Canal Azul-Amarillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2. Sobre las Estructuras Computacionales Retinales 612.1. Mecanismos mínimos de computación espacio-temporal . . . . . . . . . . . 61

2.1.1. Hipótesis básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622.1.1.1. Estructura de capas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622.1.1.2. Relevancia de la Capa Plexiforme Interna . . . . . . . . . 632.1.1.3. El concepto de preproceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.1.1.4. Interacción lateral no lineal en la Capa Plexiforme Interna 64

2.1.2. Un esquema conceptual de la operación retinal . . . . . . . . . . . . 652.1.2.1. Acción de las capas exteriores . . . . . . . . . . . . . . . . 652.1.2.2. Expresión de la operación retinal a nivel de las ganglionares 66

2.2. Incidencia de la teoría de neuronas formales . . . . . . . . . . . . . . . . . 682.2.1. Formulación de los procesos retinales locales . . . . . . . . . . . . . 682.2.2. La teoría de neuronas formales y los sistemas no lineales arbitrarios

en el tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712.2.3. Consecuencias neurofisiológicas aplicables a los modelos retinales . . 74

2.3. Aspectos adicionales de las propiedades de las células especializadas en laretina según la TS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752.3.1. Reconsideración de los requisitos de la Teoría Retinal según la TS . 752.3.2. Fenómenos de respuesta local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762.3.3. Fenómenos de respuesta con componente espacial . . . . . . . . . . 80

2.4. Un marco para la modelización la computación cooperativa y competitivaen el procesado retinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822.4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822.4.2. Microkernels locales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 832.4.3. Microkernels direccionales asimétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . 892.4.4. Macrokernels generados por capas de microprocesadores . . . . . . 972.4.5. Generando un espacio de entrada simbólico espacio-temporal . . . . 1012.4.6. Retroalimentación y recursión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3. Estructuras Computacionales y Modelos 1073.1. Estructuras espaciales lineales globales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

3.1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.1.2. Filtros de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1113.1.3. Una herramienta para la interacción lateral . . . . . . . . . . . . . . 1153.1.4. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.2. Un marco computacional en el espacio-tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . 1183.2.1. Marco formal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1183.2.2. El caso visual feedforward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1203.2.3. Descripción de la computación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

3.2.3.1. Convolución generalizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1203.2.3.2. Geometría del campo receptivo . . . . . . . . . . . . . . . 120

ÍNDICE GENERAL 5

3.2.4. Codificación cromática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1213.2.5. Descripción de la herramienta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223.2.6. Pruebas y Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

3.2.6.1. Pruebas espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233.2.6.2. Pruebas temporales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1253.2.6.3. Pruebas espacio-temporales . . . . . . . . . . . . . . . . . 1253.2.6.4. Pruebas cromáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

3.3. Modelos locales espacio-temporales de procesos retinales . . . . . . . . . . 1273.3.1. Modelos de retardos inerciales postsinápticos . . . . . . . . . . . . . 128

3.3.1.1. Modelos basados en dos retardos . . . . . . . . . . . . . . 1283.3.1.2. Modelos basados en el Oscilador Controlado por Voltaje

(VCO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323.3.1.3. Modelos basados en dos no-linealidades . . . . . . . . . . . 1353.3.1.4. Modelos basados en centro-periferia temporal . . . . . . . 137

3.3.2. Modelos de retardos de transporte postsinápticos . . . . . . . . . . 1383.3.3. Modelos de inhibición presináptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1403.3.4. Generación de trenes de pulsos para modelizar las salidas de las gan-

glionares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1423.3.5. Modelizando la equivalencia espacio-tiempo . . . . . . . . . . . . . 144

Conclusiones y Principales aportaciones 145

A. El Potencial de Acción 149

B. La Sinapsis Neuronal 151

C. El concepto de Campo Receptivo 155

D. Inhibición Presináptica y Postsináptica 159

Bibliografía 167

6 ÍNDICE GENERAL

Índice de figuras

1.1. Esquema de la retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.2. Picos de sensibilidad espectral de bastones y conos . . . . . . . . . . . . . 241.3. Esquema de las conexiones fotorreceptores-células horizontales . . . . . . . 281.4. Respuestas de las células amacrinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.5. Células amacrinas “starburst” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.6. Respuestas de células ganglionares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.7. Respuestas de las células retinales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.8. Sinapsis en la CPE y CPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.9. Conexiones en la CPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.10. Organización de una Tríada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.11. Conexiones en la CPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.12. Circuito responsable del centro del CR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421.13. Ritmo de descarga de una ganglionar centro-ON . . . . . . . . . . . . . . . 431.14. Respuestas de una población hipotética de ganglionares centro-ON . . . . . 441.15. Canal responsable de la periferia del CR de una ganglionar centro-ON . . . 461.16. Diagrama polar para la determinación de la dirección preferida . . . . . . . 471.17. Entradas sinápticas a una ganglionar selectiva en dirección . . . . . . . . . 491.18. Modelos presináptico y postsináptico de selectividad direccional . . . . . . 501.19. Regiones dendríticas sectoriales en las amacrinas “starbust” . . . . . . . . 511.20. Selectividad direccional en amacrinas “starbust” . . . . . . . . . . . . . . . 521.21. Conexiones recíprocas entre amacrinas “starbust” . . . . . . . . . . . . . . 531.22. Campos receptivos de las ganglionares según el modelo de Wiesel y Hubel . 551.23. Esquema de conexiones de los tres canales de la visión del color . . . . . . 561.24. Canal para la creación de la oponencia conos L-conos M . . . . . . . . . . 581.25. Posibles mecanismos para la oponencia rojo-verde . . . . . . . . . . . . . . 581.26. Creación del canal de oponencia azul-amarillo . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.1. Toma de muestras temporales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692.2. Núcleo temporal correspondiente al efecto ON . . . . . . . . . . . . . . . . 702.3. Respuesta ON-OFF para un sistema monocanal . . . . . . . . . . . . . . . 702.4. Esquema neuronal equivalente a un registro de desplazamiento . . . . . . . 712.5. Respuesta ON-OFF monocanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

8 ÍNDICE DE FIGURAS

2.6. Ilustración del proceso ON con interacción de aferentes . . . . . . . . . . . 722.7. Respuesta ON-OFF con el O-exclusivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.8. Otra solución al problema del O-exclusivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742.9. Interacción de las señales rápida y retardada sin interacción en la CPI . . . 772.10. Interacción de las señales rápida y retardada via amacrinas . . . . . . . . . 782.11. Síntesis de la interacción de las señales rápida y retardada . . . . . . . . . 792.12. Distintos mecanismos de respuesta ON-OFF . . . . . . . . . . . . . . . . . 812.13. Generación de las señales rápida y retardada por las capas externas de la

retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 842.14. Generación de dos planos de señales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852.15. Actividades de entrada y resultante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862.16. Generalización de una neuronal formal de McCulloch . . . . . . . . . . . . 872.17. Microkernel temporal con una doble estructura centro-periferia . . . . . . . 882.18. Sistema de retrasos temporales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 882.19. Diagrama conexionista para la selectividad direccional . . . . . . . . . . . . 892.20. Correspondencia de computación por capas de la conectividad local asimé-

trica al nivel de los fotorreceptores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902.21. Geometría de un estímulo en forma de barra incidiendo en un kernel local

asimétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912.22. Diagrama polar para la actividad de la sinapsis de una ganglionar . . . . . 932.23. Diagramas polares de la actividad de la sinapsis de una ganglionar . . . . . 932.24. Diagrama de la actividad neta frente al ángulo de un estímulo en forma de

barra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 942.25. Selectividad direccional intrínseca en dendritas . . . . . . . . . . . . . . . . 952.26. Perfil de segundo orden de Hermite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962.27. Perfil de Hermite de orden 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 972.28. Estructura en capas con unidades de computación de dos entradas . . . . . 982.29. Macrokernel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 992.30. Gráficas de la función radial de Hermite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1002.31. Macrokernel de segundo orden asimétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012.32. Macrokernel de segundo orden simétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022.33. Espacio de entradas simbólico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1032.34. Generación de un nuevo espacio de entradas a partir de la salida de los

microkernels en la CPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042.35. Retroalimentación por capas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.1. Filtro de Newton para siete receptores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083.2. Filtro de Newton −N(A49, D2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093.3. Contribución de 4 entradas a la salida en un Filtro de Newton con la regla S 1123.4. Contribución de 4 entradas a la salida en un Filtro de Newton con la regla R1123.5. Filtro de Newton N(A2, D2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1133.6. Pantalla principal de la herramienta para la interacción lateral . . . . . . . 1153.7. Cálculo de Pesos Globales para el Filtro N(A4) . . . . . . . . . . . . . . . 117

ÍNDICE DE FIGURAS 9

3.8. Cálculo de pesos locales a partir de pesos globales . . . . . . . . . . . . . . 1173.9. Filtro de Newton N(A10, D2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1183.10. Gráfica del Filtro de Newton −N(A10, D2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1193.11. Selección de puntos estratégicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1213.12. Pantalla principal de la herramienta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223.13. Interfaz para recoger parámetros de la máscara de convolución . . . . . . . 1233.14. Interfaz para especificar el tipo de máscara de convolución . . . . . . . . . 1233.15. Diferentes máscaras de filtros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1243.16. Pruebas espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1243.17. Dos tipos de matrices de convolución bidimensionales . . . . . . . . . . . . 1243.18. Pruebas temporales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1253.19. Pruebas espacio-temporales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1263.20. Prueba espacial de color con independencia cromática . . . . . . . . . . . . 1273.21. Prueba espacial de color con dependencia cromática . . . . . . . . . . . . . 1273.22. Dos posibilidades de interacción de las señales rápidas y retardadas . . . . 1283.23. Simulaciones de retardos en las señales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1293.24. Simulación correspondiente a la interacción de dos señales . . . . . . . . . 1313.25. Simulación del modelo VCO neuronal linealizado . . . . . . . . . . . . . . 1353.26. Simulación del modelo de interacción postsináptica con dos no linealidades 1363.27. Simulación del modelo de centro-periferia temporal . . . . . . . . . . . . . 1383.28. Simulación para el caso general de retardo de transporte postsináptico con

dos no linealidades rectificadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1393.29. Simulación para el modelo de centro-periferia temporal . . . . . . . . . . . 1403.30. Simulación correspondiente al modelo de inhibición presináptica divisiva . 1413.31. Simulación correspondiente al modelo de inhibición presináptica exponencial 1423.32. Simulación del subsistema generador de pulsos . . . . . . . . . . . . . . . . 1433.33. Simulación de un proceso espacial unidimensional . . . . . . . . . . . . . . 144

A.1. Esquema con las distintas fases de un Potencial de Acción. . . . . . . . . . 150

B.1. Tipo de sinapsis más comunes en neuronas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152B.2. Tipo de sinapsis Axodendrítica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152B.3. Sinapsis química Axodendrítica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153B.4. Sinapsis eléctrica Dendrodendrítica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

C.1. Campo Receptivo de una célula ganglionar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156C.2. Respuestas de células ganglionares de centro-ON y centro-OFF . . . . . . . 157

D.1. Esquema de inhibición presináptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159D.2. Inhibición presináptica y postsináptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

10 ÍNDICE DE FIGURAS

Nomenclatura

AMPA Receptores del Glutamato

CCG Capa de Células Ganglionares

CNE Capa Nuclear Externa

CNI Capa Nuclear Interna

CPE Capa Plexiforme Externa

CPI Capa Plexiforme Interna

CRE Campo Receptivo Excitador

GABA Ácido Gamma Amino-Butírico

mGluR6 Receptor Metabotrópico de Glutamato 6

NMDA Ácido N-metil D-aspartato

PPS Potencial Postsináptico

PPSE Potencial Postsináptico Excitador

PPSI Potencial Postsináptico Inhibidor

SSS Sistema de Modelado de la Señal

VCO Oscilador Controlador por Voltaje

Agradecimientos

En primer lugar quiero expresar mi más sincero y profundo agradecimiento al Dr.Roberto Moreno Díaz, mi director de tesis, pues desde que tuve la fortuna de conocerlo, hesentido su constante apoyo y orientación. Como discípulo suyo, he contado con el magisteriodel mejor investigador y de la mejor persona, ya que me ha enseñado todo lo que séademás de abrirme y facilitarme el camino en este fascinante universo de la investigación,aportándome con infinita generosidad cuantos conocimientos y medios posee. No puedodejar de mencionar que tanto su mujer, María Teresa Alonso, como él mismo, me hantratado más que como un amigo, como un verdadero hĳo, dándome innumerables muestrasde cariño y haciendo que los buenos ratos que hemos pasado juntos sean imborrables demi memoria y corazón.

A los Drs. Arminda Moreno Díaz y Roberto Moreno Díaz jr., por sus excelentes consejosy valiosos comentarios y correcciones, los cuales, constituyen pilares fundamentales de estatesis.

Al Dr. Alexis Quesada Arencibia, compañero y amigo, por su siempre disponibilidadpara ayudarme.

A la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, al Instituto Universitario de Cienciasy Tecnologías Cibernéticas y al Departamento de Informática y Sistemas, por aportarmedios para la realización de esta tesis.

Al Dr. José (Pepe) Mira Mira (in memoriam), excelente investigador y persona, porser también inspirador del buen camino científico.

A mi madre, a mi tía Pino García Azopardo (in memoriam) y hermanos, por su cariño.A mis amigos (imposible nombrarlos a todos) pues de múltiples formas han sido un

apoyo fundamental.A los amigos y familiares que tristemente ya no están con nosotros.Finalmente, quiero agradecer a todos los que no he nombrado expresamente y que de

alguna manera, directa o indirecta, han contribuido a la realización de esta tesis.

Resumen

Esta tesis estudia y desarrolla diversas estructuras computacionales para la simulacióny modelado de funciones retinales en los vertebrados.

El primer capítulo establece las bases Neurofisiológicas sobre las que se fundamentan losdiferentes modelos. Se analiza la estructura y función de las retinas de algunos vertebradoscomo gatos, palomas, ranas y primates y se hace una descripción detallada de las diferentescapas que las conforman, de las poblaciones neuronales presentes en cada capa, de lostipos de respuestas de dichas neuronas retinales, de las sinapsis en las diferentes capas deconexiones, de las vías de transmisión de la información y de la codificación retinal delcolor.

El segundo capítulo estudia las estructuras computacionales desde un punto de vistateórico. Se establecen las hipótesis básicas como la estructura de capas de la retina o laimportancia de la Capa Plexiforme Interna para explicar las propiedades de las célulasganglionares simples y complejas. También se estudia el papel que juega la Teoría deNeuronas Formales en los procesos retinales y se analizan los requisitos de una teoría de laretina a la luz de la Teoría de Sistemas. Por último se presenta un marco computacionalbasado en las hipótesis descritas anteriormente.

El tercer capítulo describe las diferentes estructuras computacionales desarrolladas jun-to a sus modelos asociados. Dentro de las estructuras espaciales globales se presenta unaherramienta para el análisis y síntesis de los campos receptivos en una dimensión basadaen los Filtros de Newton. Posteriormente se desarrolla otra herramienta para incluir dosdimensiones espaciales y el tiempo, además de la codificación cromática, basada en unmarco computacional espacio-temporal. Por último, se realizan diferentes modelos localesespacio-temporales lineales y no-lineales de procesos retinales con herramientas de simula-ción de sistemas dinámicos, entre los que se incluyen modelos de retardos inerciales y detransporte postsinápticos, de inhibición presináptica, de generación de trenes de pulsos yde procesos espaciales unidimensionales.

La Tesis concluye resumiendo sus principales resultados y aportaciones.

Summary

This PhD. Thesis studies and develops diverse computational structures for the simu-lation and modelling of retinal functions in vertebrates.

The first chapter establishes the Neurophysiological basis on which the different modelsare based. The structure and the function of the retina of some vertebrates as cats, doves,frogs and primates are analyzed, and a detailed description of aspects like the differentlayers that conform it, the neuronal populations in each layer, their types of responses, thesynapses in the plexiform layers, the information channels and the colour coding is given.

The second chapter studies the computational structures from a theoretical point ofview. The basic hypothesis regarding the layered structure of the retina and the impor-tance of the Inner Plexiform Layer are established in order to explain the simple andcomplex ganglion cell properties. The role of the Theory of Formal Neurons in the retinalprocesses is also studied, and the requirements of a theory of the retina are analyzed fromthe perspective of the Systems Theory. Finally, a computational framework based on thehypothesis which has previously been described is presented.

The third chapter describes the different computational structures developed and itsassociated models. It also presents a tool for the analysis and synthesis of the receptivefields in one dimension, based on the Filters of Newton, within the global spatial structu-res. Subsequently, another tool is developed to include two spatial dimensions, time andchromatic codification, based on a spatio-temporal computational framework. Finally, se-veral linear and non-linear spatio-temporal local models of retinal processes are carriedout with dynamic systems simulation tools. Among them we can find postsynaptic inertialdelay, postsynaptic transport delay, presynaptic inhibition, generation of spike trains andone dimensional spatial processes models.

The PhD. Thesis concludes with a summary of its main results and its contributionsto the field.

CAPÍTULO 1

Bases Neurofisiológicas

En este primer capítulo hablaremos acerca de la estructura y función dela retina de los vertebrados. En la sección 1.2 se hará una descripciónde las diferentes capas que la conforman. En las secciones 1.3, 1.4 y 1.5se describirán las poblaciones neuronales presentes en cada capa. En lassecciones 1.6 y 1.7 se analizará los tipos de respuestas de las neuronasretinales, las sinapsis en las diferentes capas de conexiones y las vías detransmisión de la información. Por último, analizaremos en la sección 1.8la codificación del color en la retina.

1.1 Introducción

La retina es una proyección del Córtex al mundo exterior que tiene, como éste, unaestructura computacional en capas, donde en un sentido la naturaleza de los estímu-

los (entradas) pueden ser controlados y las respuestas de las neuronas de la última capa(ganglionares) pueden ser registradas con cierta precisión. Los axones (líneas de salida) deestas células forman el Nervio Óptico, que llevan la información visual al Cuerpo Genicu-lado Lateral y de ahí al Córtex.

Anatómicamente, podemos describir la retina de forma sencilla como una fina capa detejido de apenas 1 milímetro de espesor, con una estructura similar a la de una tarta encapas, es decir, con los cuerpos celulares de las neuronas dispuestos en varias capas, sepa-radas a su vez por capas de empaquetamientos de conexiones sinápticas. Esta estructuraincluye las neuronas sensibles a la luz y además incluye los intrincados circuitos neuronalesque realizan las primeras etapas del procesado de imágenes. La señal de entrada a la retinallega a los fotorreceptores (atravesando primero toda la estructura retinal) en forma deenergía lumínica y la señal de salida parte en forma de señal eléctrica, a través del NervioÓptico, hacia centros cerebrales superiores.

Para entender el funcionamiento de la retina, comenzamos catalogando sus células y

20 1. Bases Neurofisiológicas

conexiones, que como elementos computacionales, hacen funcionar la misma. En la actuali-dad se tiene un listado casi completo de las células presentes en la retina de los vertebradosy a lo largo de este capítulo daremos una visión general de este listado y se señalará,cuando sea necesario, las diferencias existentes en las distintas especies. Además, presenta-remos evidencias de que los tipos de células definidos por criterios anatómicos representanentidades fisiológicas definidas.

La primera gran contribución de Santiago Ramón y Cajal a la Neurobiología fue, pre-cisamente, la de identificar las neuronas como entidades funcionales definidas. A raíz deesta contribución, resultó obvia la variedad de formas de las células neuronales y sus tipos.Pero ¿qué entendemos por tipo de célula? El fin último de distinguir entre tipos de célulases simple: encontrar una forma de señalar un grupo de ellas que lleven a cabo una tareaclara. En la práctica, la estrategia a seguir es identificar tipos de células y luego averiguarqué hacen. Esta estrategia se basa en la premisa de que estructuras diferentes tienen fun-ciones diferentes. Cuando hablamos de estructuras, nos referimos tanto a las estructurasmorfológicas como a la expresión de la funcionalidad de las proteínas importantes.

Los tipos de células pueden ser diferenciados por sus expresiones de genes y/o proteínas.Ocasionalmente, se diferencian por patrones característicos de su actividad eléctrica, peroel camino habitual es a través de la morfología de las células. Esto no se hace por razonestales como la belleza de la forma celular o tampoco porque las formas celulares sean unasconvenientes etiquetas taxonómicas. La razón profunda es que la forma de las neuronasson un reflejo directo de sus conexiones sinápticas, es decir, lo que importa es que la formade una neurona refleja una conectividad subyacente. Los tipos celulares no sólo sirvenpara distinguir un tipo de otro, sino que son un primer paso hacia el entendimiento de lasconexiones subyacentes.

Una distinción funcionalmente importante, y ampliamente aceptada, es la que existeentre las neuronas que envían sus axones lejos de la estructura en donde se encuentran suscuerpos celulares (conocidas como neuronas de proyección o células principales) y entrelas que sólo hacen sinapsis dentro de la estructura en donde se encuentran sus cuerposcelulares (conocidas como neuronas intrínsecas o interneuronas). Es necesario aclarar quela distinción antes mencionada sólo se aplica a la proyección axonal de las neuronas y no ala fuente de sus entradas: una interneurona, por ejemplo, puede recibir entradas sinápticasde neuronas localizadas dentro de la misma estructura o de otras distantes.

La retina como parte del sistema nervioso central es fácilmente accesible para su estudioy por ello conocemos bastante bien para qué está diseñada. Además, debido a que el flujode información en la retina es en gran medida unidireccional y a que su estructura puedetratarse como una pila de capas bidimensionales de células, hoy en día conocemos suspoblaciones neuronales con una precisión sin precedentes. Es bien conocido que en la retinade un mamífero hay cinco clases principales de neuronas, divididas en, aproximadamente,60 tipos individuales. La estratificación de estas células define su conectividad y aquéllasque se estratifican en una misma subcapa pueden ser potenciales compañeras sinápticas.

En muchos casos, las diferentes formas celulares pueden asociarse con claras combina-ciones de proteínas. Las moléculas involucradas en las transmisiones sinápticas son particu-larmente informativas. Esto tiene sentido ya que las diferentes proteínas confieren diferentes

1.2 Organización estructural de la retina 21

propiedades fisiológicas a las sinapsis que las expresan (especialmente la respuesta tempo-ral) y aquéllas ayudan a determinar el carácter de diferenciación de la respuesta de lostipos individuales de células. Por ejemplo, un tipo de células bipolares que se despolarizaen respuesta a la luz tiene axones que se ramifican en profundidad en la Capa PlexiformeInterna y expresan un receptor en concreto (mGluR6). Las bipolares que se hiperpolarizanen respuesta a la luz tienen axones que se ramifican con menos profundidad en la CapaPlexiforme Interna y expresan otro tipo de receptores (Ionotrópicos). Tales combinacioneshace que la identificación de los tipos funcionales sea inequívoca.

1.2 Organización estructural de la retinaEs esencial entender la estructura de la retina para poder entender su función. En

esta sección estudiaremos su estructura haciendo un balance de las diferentes poblacionesneuronales.

CapaNuclear Externa

CapaPlexiforme Externa

CapaNuclear Interna

CapaPlexiforme Interna

Capa deCélulas Ganglionares

CONOS Y BASTONES

HORIZONTALES

BIPOLARES

AMACRINAS

GANGLIONARES

LUZINCIDENTE

SEÑALAL CEREBRO

Figura 1.1 – Esquema simplificado de la retina con sus diferentes capas y células com-ponentes.

Si tomamos una sección vertical de la retina, su estructura a grosso modo sería la mos-trada en el esquema de la figura 1.1. Todas las retinas de los vertebrados están compuestasde tres capas de cuerpos celulares y dos capas de sinapsis:

La Capa Nuclear Externa, CNE, que contiene los cuerpos celulares de los Foto-rreceptores, es decir, los cuerpos de los Conos y Bastones.


La Capa Nuclear Interna, CNI, que contiene los cuerpos celulares de las célulasBipolares, Horizontales, Amacrinas e Interplexiformes.

La Capa de células Ganglionares, CCG, contienen los cuerpos celulares de lascélulas Ganglionares y las Amacrinas Desplazadas.

Dividiendo a estas capas de neuronas hay dos capas en donde ocurren contactos sináp-ticos:

La Capa Plexiforme Externa, CPE, donde se producen las conexiones entre losaxones de conos y bastones con las dendritas de bipolares y horizontales.

La Capa Plexiforme Interna, CPI, donde se conectan los axones de las bipolares yamacrinas con las dendritas de las ganglionares. Se divide en dos estratos o subláminasfuncionales, conocidas como sublámina-a o sublámina externa, que se encuentrajusto debajo de los cuerpos celulares de las amacrinas, y sublámina-b o subláminainterna, más cercana a los cuerpos celulares de las ganglionares. En la actualidad seidentifican hasta diez estratos dentro de la CPI [42].

Las células de la retina están geométricamente dispuestas en dos planos: uno perpen-dicular a la curvatura del globo ocular y el otro paralelo a la misma. La disposición de losfotorreceptores, células bipolares y ganglionares forma vías o canales de transmisión de laseñal visual que se orientan en una dirección axial a la curvatura de la retina. Por otrolado, las células horizontales y amacrinas se orientan de forma paralela a dicha curvatura,haciendo así posible la interacción lateral de las células que están dispuestas en la vía axial.

Las vías de transmisión de la señal visual están organizadas de forma que exista Con-vergencia en la señal. Una retina humana posee en cada ojo del orden de 80 − 110 · 106bastones y 4− 5 · 106 conos, que, después de conectar con otras interneuronas, concentransu mensaje en 106 ganglionares. Está claro que existe Sumación Espacial, en el sentidode que unos pocos fotorreceptores no lograrían evocar respuesta en una célula pero puedenhacerlo por la contribución de muchos.

El tipo y número de poblaciones neuronales especificadas en las capas mencionadas varíadependiendo de las especies. Por ejemplo, la retina de los mamíferos contiene cinco grandesclases de neuronas, divididas en aproximadamente 60 tipos individuales. Las neuronasretinales de proyección son las células ganglionares y en la mayor parte de las especies hayalrededor de 12 tipos individuales, cada una con una respuesta diferente a los estímulosvisuales. Las interneuronas son las células horizontales (con 2 ó 3 tipos), las células bipolares(con aproximadamente 12 tipos), las células amacrinas (con 30 tipos aproximadamente) ylas interplexiformes.

1.3 Células de la Capa Nuclear ExternaEn la CNE se disponen los fotorreceptores, que son las células de la retina encargadas

de convertir la señal lumínica en señal eléctrica a través del proceso llamado Fototrans-ducción.

1.3 Células de la Capa Nuclear Externa 23

Se distinguen dos tipos de fotorreceptores diferentes tanto morfológica como funcional-mente: bastones y conos.

La distribución espacial, el tipo de fotorreceptores presentes y su número relativo en laretina son datos importantes ya que la distribución de conos determina, por ejemplo, loslímites de la resolución espacial. También es interesante conocer el tipo y número relativo,pues dependiendo de la especie que estudiemos estos datos variarán y con ellos se aclararánaspectos de la adaptación de las especies al medio ambiente en el que viven.

En los mamíferos, los fotorreceptores se distribuyen en un mosaico casi perfecto. En laFóvea, que es la zona de la retina donde se enfocan los rayos luminosos y se produce lamáxima agudeza visual, el mosaico toma la forma de un empaquetamiento hexagonal deconos. Fuera de la Fóvea, los bastones rompen ese empaquetado hexagonal de los conospero tienen aún una arquitectura organizada con los conos casi uniformemente distribuidosy rodeados por anillos de bastones. Así en términos de densidades de población de losdiferentes fotorreceptores en la retina humana, la densidad de conos es más alta en la Fóveay cae rápidamente fuera de ella, hasta una densidad constante en la retina periférica. Hayun pico de densidad de los bastones en un anillo de 4,5 mm. o de 18◦ alrededor de la Fóvea.

Respecto al número relativo de bastones y conos, en la mayoría de la retina de los ma-míferos, por ejemplo, los bastones sobrepasan a los conos en un factor de 20. Esto indicaque los mamíferos evolucionaron en un ambiente de poca luz, probablemente cuando desa-parecieron los dinosaurios y la Tierra estaba cubierta de nubes y cenizas. En los roedores,que son animales nocturnos, los conos tienen un tamaño diminuto y sólo suponen entre un3 % y un 5 % de los fotorreceptores. Muchas retinas de peces, ranas, tortugas y aves, tienenentre 3 y 5 tipos de conos y en consecuencia, una muy buena visión en color. No debemosolvidar que los reptiles y peces son de sangre fría y necesitan estar activos a la cálida luzdel día.

1.3.1. BastonesLos bastones se usan principalmente para la detección de luz poco intensa, teniendo

un pico de sensibilidad en 500nm (luz azul-verdosa) aproximadamente. El sistema de losbastones aunque más sensible que el de los conos presenta acromatismo. Amplifican muchomás la señal que los conos, pudiendo un único fotón producir una señal detectable cuandolos conos necesitarían absorber muchos más fotones para evocar la misma respuesta. Con-tienen el pigmento visual Rodopsina y al terminal sináptico se le denomina Esférula porsu forma pequeña y redondeada.

En los bastones se origina una señal cuyo canal de transmisión hacia las ganglionaresno hace sinapsis directa con estas células sino que lo hace a través de un tipo de célulaamacrina que contacta a su vez con un tipo de Bipolar.

1.3.2. ConosLos conos se usan principalmente para la visión diurna proporcionando una buena

resolución espacial y temporal de los cambios en la imagen visual. Comparados con los


bastones, su mejor resolución espacial se debe a que se concentran en la Fóvea donde laimagen visual está menos distorsionada. Además, los bastones presentan más convergen-cia pues muchos de ellos transmiten su señal a una sola Bipolar, lo que hace más difíciltransmitir las variaciones espaciales.

Son los primeros responsables de la visión del color. Dependiendo de la especie, podemosencontrar retinas con un sólo tipo de conos hasta cinco, lo que da lugar a la visión Mono-cromática, es decir, sin color o con distintos tonos de gris, hasta visiones con una progresivariqueza del color (visión Dicromática, Tricromática, Tetracromática y Pentacromática).

Sus pigmentos visuales son Opsinas. Dependiendo de la estructura de la molécula de laOpsina su sensibilidad es máxima a la luz de longitud de onda larga (roja), media (verde)o corta (azul). Se clasifican en:

conos L con sensibilidad máxima a la luz de longitud de onda larga

conos M con sensibilidad máxima a luz de longitud de onda media.

conos S con sensibilidad máxima a la luz de longitud de onda corta.

En la figura 1.2 se muestra un diagrama con los picos de sensibilidad espectral para lostres tipos de conos y para los bastones en la retina de los primates.

50

100

0

Ab

so

rció

nre

lativa

Longitud de onda (nm)

400 450 500 550 600 650

CONOS S CONOS M CONOS LBASTONES

Figura 1.2 – Picos de sensibilidad espectral de bastones y conos

Al terminal sináptico de los conos se le denomina Pedículo por la forma aplanada dela base sináptica.

Con origen en los conos se abre una doble vía de transmisión de la señal visual porconexiones independientes con dos tipos de células bipolares.

1.4 Células de la Capa Nuclear Interna 25

1.4 Células de la Capa Nuclear InternaEn esta capa se disponen los cuerpos celulares de las células bipolares, horizontales,

amacrinas e interplexiformes, siendo las horizontales y amacrinas interneuronas de asocia-ción horizontal en la CPE y CPI respectivamente.

1.4.1. Células bipolaresLas células bipolares conectan con las terminaciones sinápticas de los fotorreceptores

y transmiten las señales hacia las células ganglionares o las amacrinas. La mejor forma declasificarlas es atendiendo a características anatómicas y la más importante de ellas es suconexión con conos o con bastones.

Atendiendo a criterios funcionales y morfológicos, se han descrito aproximadamente 12tipos (11 se asocian a conos y solamente uno a bastones) con varios subtipos. Según seconecten a los fotorreceptores, se distinguen dos grandes tipos:

a) bipolares de bastones. Sus principales características son:

- Se conectan únicamente a varios bastones (por eso también se las conoce bi-polares Polisinápticas o Difusas) por medio de sus abundantes dendritasde forma que existe convergencia de la información, es decir, se comprime lainformación proveniente de los fotorreceptores.

- Sus axones hacen sinapsis con las ganglionares a través de las células amacrinas.- Son el tipo de células bipolares más numeroso en la retina de la mayor parte delos mamíferos, pues sabemos que los bastones en estas retinas son más numerososque los conos.

b) bipolares de conos. Se distinguen tres subtipos:

b.1) Polisinápticas o Difusas. Sus características principales son:

- Hacen sinapsis con varios conos (de ahí la denominación de Polisinápticas).- Debido a que tienen un gran campo receptivo (ver Apéndice C) no tienenuna buena discriminación espacial y por tanto median más en la luminosidadque en el color.

- Dependiendo del tipo de contacto con el pedículo de un cono se las suelesubdividir en Planas e Invaginantes.

b.2) Monosinápticas o Enanas. Sus características principales son:

- Son de tamaño pequeño y hacen sinapsis a través de sus dendritas con unúnico Cono, bien L, M o S.


- Se conectan con sus axones a un sola célula ganglionar y a varias amacrinasformando una vía de información sin convergencia, es decir, transportaninformación de un solo cono a una sola ganglionar por lo que median enuna alta resolución espacial.

- Son responsables de la visión Tricromática.- Dependiendo del tipo de contacto con el pedículo de un cono también se lassuele subdividir en Planas e Invaginantes.

b.2) Cono Azul o de Cono S. Sus características principales son:- Hacen sinapsis a través de sus dendritas con un único cono S.- Son también responsables de la visión Tricromática.

Respecto a las respuestas de las células bipolares hay que decir que responden a losestímulos presinápticos con Potenciales Graduados Transitorios (ver Apéndice B) de dostipos: hiperpolarizantes y despolarizantes.

Según sus respuestas, podemos agrupar las bipolares en dos tipos:

- Un tipo de células bipolares se despolarizan cuando la luz incide sobre un grupo defotorreceptores que están en contacto directo con ellas pero se hiperpolarizan cuandola luz incide en los fotorreceptores circundantes.

- El otro tipo actúa de forma inversa. Se hiperpolarizan cuando la luz incide sobre ungrupo de fotorreceptores que están en contacto directo con ellas pero se despolarizancuando la luz incide en los fotorreceptores circundantes.

Hay que añadir que al tipo de respuesta cuando incide luz sobre ella sigue otra respuestaopuesta cuando la luz se apaga.

El tamaño del centro del campo receptivo de tipo centro-ON o de centro-OFF se co-rresponde exactamente con la dispersión de las ramificaciones dendríticas de una CélulaBipolar, lo cual nos lleva a que la respuesta central debe estar producida por los fotorre-ceptores que hacen contacto sináptico directo con ella. Sin embargo, la periferia del camporeceptivo es mucho más extensa que las ramificaciones dendríticas de la Bipolar, por loque en este caso la respuesta es debida a la contribución de fotorreceptores no conectadosdirectamente, a través de la interacción lateral de las células horizontales.

Por todo lo anterior, podemos clasificar las células bipolares en dos tipos funcionales:

a) bipolares de centro-ON: Se despolarizan cuando un estímulo puntual de luz incideen el centro del campo receptivo. Se hiperpolarizan cuando un estímulo en forma deanillo de luz incide en la Periferia del campo receptivo.

b) bipolares de centro-OFF: Se hiperpolarizan cuando un estímulo puntual de luzincide en el centro del campo receptivo. Se despolarizan cuando un estímulo en formade anillo de luz incide en la Periferia del campo receptivo.


Los axones de las bipolares de conos ON y OFF se ramifican en diferentes estratoso capas de la CPI: las OFF en el segmento exterior y las ON en el interior. Además delas bipolares ON u OFF se han descrito en retinas de mamíferos otros tipos de célulasbipolares y al menos se han encontrado cuatro tipos de bipolares de conos ON y cuatro deOFF [77].

1.4.2. Células horizontalesSon las neuronas de interconexión lateral en esta capa de la retina. Sus núcleos celulares

se encuentran en la CNI.Atendiendo a razones puramente morfológicas, se distinguen dos tipos de células hori-

zontales en la retina de los vertebrados, diferenciándose en su estructura y conexiones conlos fotorreceptores:

a) horizontales de axón corto.

b) horizontales sin axón.

En los vertebrados tetrápodos sólo hay un subtipo de horizontales de axón corto y enlos primates hay dos.

La retina del gato ha sido estudiada extensamente y se ha tomado como retina modelode mamífero. Los dos tipos que en él se encuentran se conocen como tipo A o sin axón ytipo B o de axón corto. Estos tipos de células horizontales son semejantes en apariencia alas de la retina del conejo.

La retina de los primates es un poco diferente a lo dicho anteriormente pues carecende células horizontales sin axón. Se clasifican en tres tipos funcionales dependiendo de suscontactos con los fotorreceptores:

a) Células horizontales de axón corto HI. Sus características principales son:

- Pueden considerarse una versión en miniatura de las del tipo B del gato.- Contactan con sus dendritas con conos L y M principalmente y con un pequeñonúmero de conos S.

- Su axón penetra en el complejo sináptico de los bastones.

b) Células horizontales de axón corto HII. Sus características principales son:

- Encontradas en la retina del mono Rhesus.- Tienen una estructura dendrítica más extensa que los otros dos tipos.- Contactan con conos S, dirigiendo su dendritas mayores a estos conos en suscampos dendríticos y contactando con un número menor de terminales de losotros tipos de conos.


- El axon de las células HII sólo contacta con conos S.

c) Células horizontales HIII. Sus características principales son:

- Encontradas en los humanos.- Son similares en aspecto a las HI aunque sus dendritas son más abundantes, sonde diámetro más ancho y se encuentran en toda la retina.

- Tienen grandes terminales dendríticos en los conos L y M, evitando aparente-mente los conos S en su árbol dendritico.

HI

HII

HIII

Figura 1.3 – Diagrama esquemático de las conexiones con conos y bastones para los trestipos de células horizontales en la retina de los primates. Figura adaptada de [30].

En la figura 1.3 se resumen las posibles conexiones espectrales de los tres tipos decélulas horizontales en la retina de los primates, aunque hay que decir que la forma en queconectan las células horizontales con los conos es una cuestión de continuo debate.

Sin tomar en consideración su modo de acción preciso, las células horizontales suman lasrespuestas a la luz en una amplia región y la restan de la señal local. Las células horizontalesestán conectadas entre sí y sus campos receptivos pueden ser mucho más anchos que susramificaciones dendríticas [77].

1.4.3. Células amacrinasDenominadas así porque en un principio se creyó que eran neuronas sin axon. Hoy

sabemos que existe cierto tipo de amacrinas que funcionan como verdaderos axones, en elsentido de que son fibras de salida de la célula.

Son interneuronas cuyos cuerpo celulares se encuentran en la CNI y son sinápticamenteactivas en la CPI, sirviendo para integrar, modular e interponer un dominio temporal almensaje visual presentado a las células ganglionares. Son las responsables del 70 % de la


señal de entrada a las ganglionares y regulan a las bipolares, que son las responsables del30 % restante de la señal de entrada a las ganglionares.

Transmiten la señal visual directamente desde las bipolares a las ganglionares u hori-zontalmente en la CPI entre los axones de las bipolares, las dendritas de las ganglionaresy otras amacrinas. También entre estas últimas y las interplexiformes.

Existen del orden de 30 variedades en la retina de los humanos y de los primates yse clasifican en diferentes tipos dependiendo de sus características morfológicas como eltamaño de la ramificación dendrítica en diferentes planos, y más importante aún, por laestratificación de sus dendritas en la CPI. Es útil y más comprensible agrupar los diferentestipos en descriptores generales, basados en la medida del diámetro de su campo dendrítico,como:

a) amacrinas de campo estrecho.

b) amacrinas de campo pequeño.

c) amacrinas de campo medio.

d) amacrinas de campo ancho.

Es generalmente aceptado en la actualidad que la CPI puede ser subdividida en va-rios estratos o subcapas de igual espesor, en los cuales, las células amacrinas, bipolares ylos procesos de las ganglionares pueden ser fijados. En base a la estratificación de estascélulas, Boycott y Dowling [4] propusieron el siguiente importante criterio Morfológico declasificación:

a) Estratificadas. Sus características principales son:

- Del cuerpo celular emerge un proceso dirigido hacia el interior de la retina y quese ramifica en una capa horizontal en procesos sucesivos cada vez más finos.

- Muchas variedades de amacrinas son mono-estratificadas, es decir, se restringena un sólo estrato, mientras otras son bi-estratificadas o tri-estratificadas.

b) Difusas. Su característica principal es que sus procesos pueden mostrar dispersióndifusa o no estratificada.

También se ha descrito una variedad de célula amacrina conocida como AmacrinaDesplazada ya que su cuerpo celular no se encuentra en la CNE sino en la CCG o Capade las células ganglionares.

Si atendemos a aspectos bioquímicos y funcionales, la clasificación actual contemplahasta 45 tipos celulares. Werbling y Dowling [74] demostraron que las células amacrinasson las primeras células de la vía visual que pueden responder a la estimulación luminosamediante una breve despolarización con impulso nervioso, es decir, generan Potenciales deAcción (ver Apéndice A).


0.2 s

(a)

5mV

0.2 s

(b)

(c)

2mV

(d)

Figura 1.4 – Respuesta de las células amacrinas a la luz. a) Transitoria. b) Mixta:sostenida y transitoria. c) y d) Sostenidas. Figura adaptada de [71].

Según sea su respuesta al comienzo y fin del estímulo luminoso se clasifican en: Tran-sitorias y Sostenidas (ver figura 1.4). Las células amacrinas modulan el comportamientode las células ganglionares transitorias (incluyendo las que son selectivas en dirección).Cuando la luz incide sobre la retina, las células amacrinas descargan inmediatamente unaráfaga de Potenciales de Acción, pero la interrumpen en presencia de un estímulo luminosocontinuo. Este comportamiento transitorio, propio de muchas células amacrinas y algunasganglionares, no lo presentan fotorreceptores, bipolares ni horizontales.

Las células amacrinas parecen tener varias funciones diferentes, como los tipos halladosen células de la rana y conejo que parecen influir en respuestas específicas a objetos enmovimiento. Otro tipo está interpuesto en la vía que une ganglionares y bipolares y recibeninformación de los bastones. A partir de los estudios de Ehinger [14] se ha descubierto quemuchos de los neurotransmisores cerebrales se hallan también en las células de la retina.Un hallazgo esencial fue el hecho de que los diversos tipos de neurotransmisores localizadosen los procesos sinápticos de las amacrinas, se ubicaban en tipos morfológicos diferentes.También fue importante el comprobar que, en general, las células amacrinas que presentanárboles dendríticos diferentes corresponden a un neurotransmisor determinado.

La mayoría de las células amacrinas contienen GABA o Glicina (ver Apéndice B). Am-bos neurotransmisores son inhibidores de las células ganglionares dando lugar a respuestasinhibidoras sostenidas o transitorias en dichas células. Respecto a los neurotransmisoresque expresan las células amacrinas podemos clasificarlas en: gabaérgicas y glicinérgicas.Las primeras suponen el 40 % aproximadamente de las células amacrinas y tienen campos

1.5 Capa de células Ganglionares 31

que oscilan de medios a anchos, estratificados y superpuestos, a diferencia de la mayoríade las amacrinas glicinérgicas cuyos campos son más estrechos.

Figura 1.5 – Células amacrinas “starburst” tintadas con amarillo lucifer en la retinadel conejo [72].

Las poblaciones pequeñas de amacrinas gabaérgicas (un 12 % del total de las amacrinas)secretan un segundo neurotransmisor. Dentro de esta población se encuentra un tipo deamacrinas implicadas en la selectividad direccional (ver sección 1.7.3): las amacrinas coli-nérgicas o “starburst”, que en presencia de luz expresan acetilcolina y tienen un efectoexcitador sobre las células ganglionares. Fueron identificadas originalmente en la retina delconejo [16], [43], [72] . Morfológicamente son de campo ancho, con dendritas que irradianen todas direcciones y que recuerdan una explosión estelar, de ahí su nombre “starburst”(ver figura 1.5). Reciben entradas de las bipolares y de otras amacrinas, efectuando si-napsis exclusivamente con dendritas de las ganglionares. Sus procesos están eléctricamenteaislados, lo cual permite que una región libere acetilcolina a una célula ganglionar en unapequeña zona y que no lo haga en regiones más alejadas. Esta peculiaridad ha permitidopostular que estas amacrinas intervengan en la respuesta direccional de las ganglionares(en retinas de conejo y tortuga).

1.4.4. Células InterplexiformesOriginariamente descritas en la retina del gato, se han encontrado posteriormente en

la retina de casi todas las especies. Enlazan las dos capas plexiformes al recibir conexionessinápticas en la CPI y enviar conexiones sinápticas a la CPE, por lo tanto, transmiten lasseñales en sentido retrógrado o inverso al resto de las señales retinales.

1.5 Capa de células GanglionaresEn esta capa, las células ganglionares recogen información procedente de las bipolares

y amacrinas. Son más grandes en promedio que la mayoría de las interneuronas retinales


precedentes y con axones de gran diámetro capaces de transmitir señales eléctricas en formade trenes de pulsos o Spikes (ver Apéndice A) transitorios hacia áreas del cerebro a muchosmilímetros o centímetros distantes de la retina. El nervio óptico reúne todo los axones delas ganglionares y este amasĳo de más de un millón de fibras (en el hombre por lo menos)pasa la información a centros cerebrales superiores.

Existen diferentes clasificaciones de estas células, dependiendo de si se atiende a laMorfología o a la función que desempeñan.

En varias especies de vertebrados, Morfológicamente y a grandes rasgos, se dividen en:

a) ganglionares Difusas o Polisinápticas. A su vez, se subdividen en función de laforma en que se extienden sus dendritas. Se tienen dos grupos:

- Dendritas extendiéndose de forma difusa a través de la CPI y- Dendritas estratificadas en una o varios estratos de la CPI.

b) ganglionares Enanas o Monosinápticas. Hay dos variedades, dependiendo delestrato de la CPI en donde se ramifiquen sus dendritas.

1.5.1. Clasificación de las ganglionares en el gatoBoycott y Wässle [6], diferenciaron tres tipos morfológicos con las siguientes caracte-

rísticas principales:

a) ganglionares α:

- Cuerpo neuronal grande.- Ramificaciones dendríticas amplias.

b) ganglionares β:

- Cuerpo neuronal pequeño.- Ramificaciones dendríticas pequeñas y densamente agrupadas.

c) El tercer tipo se subdivide a su vez en los subtipos γ, δ y ² con las siguientescaracterísticas principales:

- Un cuerpo celular más pequeño que el de las β.- Ramificaciones dendríticas extensas.

Kuffler [31] registró la actividad de estas células en aislamiento en la retina del gato ycomprobó que, incluso en la oscuridad, emitían de forma continua pulsos nerviosos de pocaintensidad y que esta actividad era modulada por la presencia de luz. Encontró que cadaganglionar responde a una estimulación de pequeñas zonas circulares de la retina, las cuales


definen el campo receptivo de la célula. Basándose en estas respuestas, Kuffler distinguiódos clases de células ganglionares: las de centro-ON y las de centro-OFF (ver figura 1.6),y observó que ambos tipos de ganglionares aparecen en la retina aproximadamente en igualnúmero.

t0

t1

t2

t0

t1 t2

t0

t1

t2

t0

t1 t2

+

+ + ++

-

+

++

CENTRO-ON

CENTRO-OFF

t0

t1

t2

t0

t1 t3

t3

t2

- - -- - - -- - --

+

+ +

+ +

++ +

+

Figura 1.6 – Respuestas de células ganglionares de centro-ON y centro-OFF a estí-mulos en diferentes regiones de sus campos receptivos y en diferentes instantes. El panelizquierdo muestra el efecto en esta células ante una iluminación puntual en el centro delcampo receptivo. El panel central, muestra el efecto ante la oscuridad puntual del centrodel campo receptivo. El panel de la derecha muestra el efecto de la iluminación puntualen el centro, seguida de la iluminación de la periferia. Figura adaptada de [62].

Sus características más notorias son las siguientes:

a) ganglionares de centro-ON:

- Cuando se ilumina el centro, aumentan la frecuencia de los pulsos nerviosos quetienen en reposo.

- Su campo receptivo tiene una zona central excitadora y una periferia inhibidora.- Su respuesta es tipo ON, es decir, aumenta la frecuencia de descarga de pulsos,al inicio de un estímulo luminoso en el centro y tienen respuesta antagónica(OFF) si el estímulo incide en la periferia, respondiendo cuando cesa.

b) ganglionares de centro-OFF:

- Cuando se ilumina el centro, disminuyen la frecuencia de los pulsos nerviososque tienen en reposo.


- Su campo receptivo tiene una zona central inhibidora y una periferia excitadora.Su respuesta es tipo OFF, es decir, disminuye o cesa la frecuencia de descargaal inicio de un estímulo luminoso en el centro.

- Tienen respuesta antagónica (ON) si un estímulo incide en la periferia, respon-diendo cuando cesa.

En resumen, podríamos decir que las ganglionares de centro-ON aumentan su ritmo dedescarga de impulsos con incrementos de la luminosidad en el centro de su campo receptivomientras que las ganglionares de centro-OFF aumentan su ritmo de descarga de impulsoscuando decrece la luminosidad en el centro de su campo receptivo.

Es interesante hacer notar que existe una correlación entre los estratos en los que seramifican las terminaciones dendríticas de las ganglionares y las respuestas de sus camposreceptivos:

- Todos los tipos morfológicos de células ganglionares con respuesta de centro-ON,independientemente de su tamaño, tienen árboles dendríticos que se ramifican en lasublámina-b de la CPI.

- Todos los tipos morfológicos de células ganglionares con respuesta de centro-OFF,tienen árboles dendríticos que se ramifican en la sublámina-a de la CPI.

Atendiendo a la respuesta temporal, Enroth-Cugell [15] y Cleland [7] clasificaron lasganglionares en:

a) ganglionares X. También conocidas como Tónicas o Sostenidas. Tienen las si-guientes características:

- Presentan sumación espacial lineal y su respuesta es ON u OFF durante todala iluminación.

- De tamaño mediano y de velocidad de conducción axonal media.- Se corresponden con las morfológicas de tipo β.- De campos receptivos pequeños.- Responden de forma óptima a estímulos puntuales y con menos intensidad aestímulos mayores.

- Conectan al menos con un tipo de cono, lo que indicaría que intervienen en elprocesamiento del color.

- Las de tipo centro-ON y centro-OFF tienen entrada directa de las bipolares yla respuesta periférica está mediada por amacrinas sostenidas.

- Representan el 55 % de las ganglionares.

b) ganglionares Y. También conocidas como Fásicas o Transitorias. Tienen las si-guientes características:


- Presentan sumación espacial no lineal.- Su respuesta muy breve, produciendo una serie de descargas fásicas al comienzoy al final de la estimulación por lo que también se las conoce como ganglionaresON-OFF.

- De tamaño grande y gruesos axones.- De velocidad de conducción axonal alta.- Se corresponden con las morfológicas de tipo α.- De campos receptivos extensos.- Responden de forma óptima a estímulos grandes en movimiento.- Reciben entrada directa de amacrinas transitorias.- Responden a cambios rápidos en la imagen, sea por movimientos rápidos o acambios instantáneos en la intensidad luminosa.


b) ganglionares W. Tienen las siguientes características:

- De cuerpo neuronal muy pequeño y grandes ramificaciones dendríticas.- Reciben información de extensas áreas.- De respuesta y velocidad de conducción axonal muy lenta.- Se corresponden con las morfológicas de tipo γ.- Reciben entrada directa de los bastones a través de bipolares y amacrinas.- Pueden ser de tipo ON-OFF u ON y OFF.- Un tipo de estas ganglionares son detectoras locales de bordes y otro tipo sonselectivas direccionalmente.


1.5.2. Clasificación de las ganglionares en los primatesUna de las primeras clasificaciones de ganglionares en la retina de los primates fue

debida a Gouras [22] que distinguió dos tipos: las ganglionares Fásicas o Transitoriasy las ganglionares Tónicas o Sostenidas.

Otra clasificación más reciente es la siguiente:

a) ganglionares tipo B. Sus principales características son:

- Similares a las X, β del gato.- De cuerpo celular pequeño y ramificaciones dendríticas pequeñas. Se las sueledenominar ganglionares Enanas, o también ganglionares P, por su proyec-ción a las capas Parvocelulares del Núcleo Geniculado Lateral.


- De campos receptivos pequeños.- Tienen respuestas tónicas o sostenidas.- Sensibles al color pero en general no lo son al movimiento.- Con antagonismo centro-periferia.- Constituyen aproximadamente el 80 % de la población de ganglionares en laretina de los primates.

b) ganglionares tipo A. Sus principales características son:

- Similares a las Y, α del gato.- De cuerpo celular grande y ramificaciones dendríticas amplias. Se las suele deno-minar ganglionares Parasol, o también ganglionares M, por su proyeccióna las capas Magnocelulares del Núcleo Geniculado Lateral.

- De campos receptivos grandes.- Tienen respuestas fásicas o transitorias.- Sensibles al movimiento pero no al color.- Constituyen aproximadamente el 10 % de la población de ganglionares en laretina de los primates.

c) ganglionares Biestratificadas. Sus principales características son:

- De cuerpo celular pequeño.- De campos receptivos grandes que tienen centro y no periferia.- Tienen resolución espacial y velocidad de conducción moderada, además puedenresponder a estímulos de contraste moderado.

- Son siempre de tipo-ON para los conos S y de tipo-OFF para los L y M.- Constituyen aproximadamente el 10 % de la población de ganglionares en laretina de los primates.

En la actualidad se intenta una nueva clasificación basándose en el esquema inicial deEnroth-Cugell [15] pero considerando sus proyecciones a centro cerebrales superiores, comoel Núcleo Geniculado Lateral.

1.6 Respuestas de las células retinalesEn el panel de la izquierda de la figura 1.7 se muestra un corte vertical de la retina con

sus células más importantes y conexiones. En el panel de la derecha, se muestran algunasde las respuestas de estas células a un estímulo de luz en forma de escalón de 1 segundode duración.

1.6 Respuestas de las células retinales 37

luz

1seg.

centro CR

luzluz

Conos

Horizontal

Bipolar OFF

Bipolar ON

Amacrina

ON-OFF

Ganglionar ON

Ganglionar OFF

Figura 1.7 – Corte vertical de la retina con las respuestas de las células retinales a unpulso de luz en forma de escalón.

Ante un estímulo de luz, los fotorreceptores no responden con Potenciales de Acción (verApéndice A) sino que responden con los llamados Potenciales Graduados Locales (verApéndice B) de forma que la señal hiperpolarizante de salida está directamente relacionadacon la intensidad de la iluminación. De esta forma, podemos percibir intensidades gradualesde iluminación.

Es más, gran parte del procesado en la retina está mediado por Potenciales Gradua-dos, en gran parte debido a que no se requieren Potenciales de Acción para transmitirinformación entre las distancias tan cortas de la retina.

Es sorprendente que en presencia de luz la señal de salida en los fotorreceptores seahiperpolarizante (disminuyendo la emisión de neurotransmisores) mientras que en ausenciade luz, los fotorreceptores se despolarizan (liberando neurotransmisores).

Las respuestas de las células bipolares y horizontales pueden ser hiperpolarizantes odespolarizantes y en el caso de las amacrinas, pueden ser despolarizantes e incluso, enalgún caso, producen Potenciales de Acción.

Sin embargo, las células ganglionares y algunas amacrinas cuando están en reposo,incluso en ausencia de luz, producen descargas de forma continua en forma de trenes depulsos o Spikes (ver Apéndice A).

Hay que decir que la mera estimulación de una célula no inicia necesariamente suactividad, sino que modifica o modula su frecuencia basal. Las respuestas puede consistiren un aumento o disminución de la frecuencia de descarga.


1.7 Sinapsis y canales de transmisión en la retinaEn la etapa retiniana, los pasos seguido en el proceso de la percepción visual, consis-

ten en la transducción por parte de los fotorreceptores de la energía lumínica en señaleseléctricas y el refinado de esta señales a través de interacciones sinápticas dentro de vías ocircuitos neuronales.

1.7.1. Sinapsis en las Capas PlexiformesComo se ha mencionado en secciones anteriores, la CPE y la CPI son dos capas de la

retina en donde se producen las sinapsis o conexiones entre las diferentes neuronas. Lasprincipales sinapsis en las Capas Plexiforme Externa e Interna se muestran en la figura 1.8.

Horizontal

Conos

Bastones

Ganglionares

Amacrina

Centro-ON

Centro-OFF

Bipolar

de Cono

InvaginanteBipolar

de Bastón

Bipolar

de Cono

Plana

Amacrina

Figura 1.8 – Sinapsis en la CPE y la CPI. En la CPE se observan las conexionesentre fotorreceptores, horizontales y bipolares (Tríadas). En la CPI, se observan las co-nexiones entre bipolares, amacrinas y ganglionares. No se han representado las célulasinterplexiformes. Figura adaptada de [1].

Las primeras sinapsis en el camino de la información visual se producen entre los ter-minales sinápticos de los fotorreceptores con las células bipolares, horizontales e interple-xiformes. En concreto dichas sinapsis son:

1.7 Sinapsis y canales de transmisión en la retina 39

FOTORRECEPTORES

BIPOLARESHORIZONTALES

BIPOLARES

INTERPLEXIFORMES

Figura 1.9 – Diagrama esquemático de las conexiones en la Capa Plexiforme Externa.

a) Desde los fotorreceptores a las bipolares.

b) Desde los fotorreceptores a las horizontales.

c) Desde las horizontales a los fotorreceptores.

d) Desde las horizontales a las bipolares.

e) Entre ciertos tipos de fotorreceptores.

f) Desde interplexiformes a horizontales y bipolares.

En la figura 1.9 se muestra un esquema de dichas sinapsis.Se conoce como Tríadas (ver figura 1.10) a las invaginaciones o hendiduras en los

pedículos de los conos en las que penetran en su parte central las dendritas de las célulasbipolares invaginantes y en sus dos extremos, los procesos de las horizontales. En las zonasno invaginadas de los pedículos, existen contactos sinápticos con dendritas de otro tipode células bipolares, denominados Uniones Basales. Entre los pedículos de los conos seestablecen sinapsis eléctricas. En el caso de los bastones, las Esférulas presentan una solainvaginación en la que penetran varios axones de células horizontales y bipolares. Además,en la retina de los primates existen contactos entre Esférulas de varios bastones con elpedículo de un Cono.

Las segundas sinapsis en el camino de la información visual se produce en la CPIy son entre los terminales sinápticos de las bipolares con las amacrinas, ganglionares einterplexiformes. En concreto dichas sinapsis son:

a) Desde las bipolares a las ganglionares.

b) Desde las bipolares a las amacrinas.

c) Desde las amacrinas a las bipolares.


Esférula de Bastón Pedículo de Cono

Procesos de Bipolares Invaginantes

Procesos de Horizontales

Figura 1.10 – Organización de una Tríada. Figura adaptada de de [71].

d) Desde las amacrinas a las amacrinas.

e) Desde las amacrinas a las ganglionares.

f) Desde las amacrinas a las interplexiformes.

f) También existen sinapsis, aunque menos frecuentes, desde las interplexiformes a lasamacrinas.

BIPOLARESBIPOLARES

INTERPLEXIFORMES

GANGLIONARES

AMACRINAS

Figura 1.11 – Diagrama esquemático de las conexiones en la Capa Plexiforme Interna.

En la figura 1.11 se muestra un esquema de dichas sinapsis.

1.7.2. Canales o circuitos neuronales en la retinaCon origen en los fotorreceptores, se originan diferentes canales de transmisión de la

señal visual que, pasando por las ganglionares, se dirigen a centros cerebrales superiores [77].Podemos enumerar los siguientes canales:

a) Canal de bastones: Es una cadena que consta por lo menos de cuatro neuronasdesde un bastón hasta una Ganglionar. Con origen en los bastones, surge una vía


longitudinal hacia las ganglionares, no por conexiones directas con bipolares de bastónsino a través de una amacrina tipo AII, que a su vez, contacta con una bipolar decono Invaginante.

b) Canal de conos: Es una cadena que consta de menos elementos sinápticos que enel caso de los bastones. Con origen en los conos, surge una doble vía longitudinalhacia las ganglionares, por conexiones con dos tipos funcionales de bipolares paraconos: de centro-ON (enanas invaginantes) y de centro-OFF (enanas planas). Cadatipo de Bipolar, de centro-ON y de centro-OFF, conecta con ganglionares centro-ONy centro-OFF respectivamente. Además, los conos reciben entradas desde bastonesadyacentes y hacen sinapsis con los cuerpos celulares de horizontales tipo A y tipoB, como en el caso del gato.

c) Una canal de retroalimentación mediado por las células interplexiformes.

d) Dos canales transversales en la CPE y la CPI mediados por las células horizontalesy amacrinas.

1.7.2.1. Detección de cambios de luminosidad

Si no tenemos en cuenta la visión del color, gran parte de la información contenidas enlas escenas visuales consiste en variaciones espaciales y temporales de la intensidad de luz.

Como se ha mencionado anteriormente, las células ganglionares de centro-ON y centro-OFF se presentan aproximadamente en igual número. Sus campos receptivos tienen dis-tribuciones que se solapan, por lo que cada punto de la retina (es decir, cada punto dela imagen visual) se analiza por varias células ganglionares de estos dos tipos [13]. Estoimplica que la información de incrementos o decrementos de luminosidad se transporta alcerebro a través de los axones de estos dos tipos de células.

El tener dos canales separados de luminosidad significa que los cambios (incremento odisminución) en la intensidad luminosa son siempre transportados al cerebro por un númerocreciente de potenciales de acción. Debido a que las ganglionares se adaptan rápidamentea cambios de iluminación, su ritmo de descarga en reposo con iluminación constante esrelativamente bajo. Aunque un incremento del ritmo de descarga por encima del nivel dereposo sirve como una señal fiable, una disminución en el ritmo de disparo desde un nivelinicial de descarga bajo puede que no lo sea. Por lo tanto, una justificación para la existenciade estos dos canales es que proporcionarían información inequívoca sobre incrementos ydisminuciones de la luminosidad.

Las diferencias funcionales entre ambos tipos de células ganglionares se pueden entenderpor sus propiedades y relaciones anatómicas y fisiológicas. Como sabemos, las ganglionaresde centro-ON y centro-OFF, tienen dendritas que se ramifican en diferentes estratos de dela CPI, formando selectivamente sinapsis con células bipolares de centro-ON y centro-OFF,respectivamente (ver figura 1.12). La diferencia principal entre células bipolares y ganglio-nares radica en la naturaleza de su respuesta eléctrica y como la mayor parte de las célulasde la retina, las bipolares responden con Potenciales Graduados en vez de con Potenciales


Ganglionar

Centro-OFF

Centro-ON

Glutamato

mGluR6-

+

AMPAKainato

Glutamato

AMPAKainatoNMDA

BipolarCentro-OFF

BipolarCentro-ON

+

+

t0

t1

t2

t0 t1 t2

t0

t1

t2

t0 t1 t2

t0 t1 t2 t0 t1 t2 t0 t1 t2 t0 t1 t2

Centro

Periferia

Ganglionar

Bipolar

centro-ON

Bipolar

centro-ON

Bipolar

centro-OFF

Bipolar

centro-OFF

Ganglionar

centro-OFF

Ganglionar

centro-OFF

Ganglionar

centro-ON

Ganglionar

centro-ON

Cono central

Cono central

Cono central

Figura 1.12 – Circuito responsable de la generación del centro del Campo Receptivo.Panel izquierdo: se muestra la anatomía funcional de las entradas de los conos al centrodel Campo Receptivo de una Ganglionar. Un signo + indica que la sinapsis conserva elsigno; un signo − representa una sinapsis que invierte el signo. Panel central: respuestasde varios tipos de células a la iluminación por un punto de luz del centro del CampoReceptivo de una Ganglionar. Panel derecho: respuestas de varios tipos de células aloscurecimiento por un punto del centro del Campo Receptivo de una Ganglionar. Figuraadaptada de [62]

de Acción. La despolarización de las bipolares da lugar a un incremento de la liberaciónen sus sinapsis de Glutamato y una consecuente despolarización de las ganglionares decentro-ON, a través de diferentes receptores del Glutamato (AMPA, Kainato, NMDA).

La respuesta selectiva de las bipolares de centro-ON y centro-OFF a incrementos ydecrementos de la luz se explica por el hecho de que expresan distintos tipos de recep-tores del Glutamato (panel de la izquierda de la figura 1.12). El tipo de receptores queexpresan las bipolares de centro-OFF (Receptores Ionotrópicos) causan su despolarizacióncomo respuesta a la emisión de Glutamato por los terminales de los fotorreceptores. Porel contrario, en las bipolares de centro-ON el receptor que expresan (mGluR6) causa lahiperpolarización de dicho tipo de célula. Por lo tanto, el Glutamato tiene efectos opuestosen estas dos clases de células bipolares, despolarizando las de centro-ON e hiperpolarizandolas de centro-ON.

Las sinapsis de los fotorreceptores con las bipolares de centro-OFF se dicen que conser-van el signo, ya que el signo (despolarizante o hiperpolarizante) del cambio de potencialde la membrana de la bipolar es el mismo que en los fotorreceptores. Las sinapsis de los


fotorreceptores con las bipolares de centro-ON se dicen que invierten el signo, ya queel signo del cambio de potencial de la membrana de la bipolar es el opuesto que en losfotorreceptores (ver paneles central y derecho de la figura 1.12).

Para poder entender la respuesta de las células bipolares de centro-ON y centro-OFFa los cambios de intensidad de luz, hay que tener en cuenta que los fotorreceptores sehiperpolarizan con los incrementos de luz, disminuyendo su emisión de neurotransmisores (ver panel central de la figura 1.12). En estas condiciones, las bipolares de centro-ON en contacto con los fotorreceptores se liberan de la influencia hiperpolarizante delneurotransmisor del fotorreceptor y se despolarizan. Por otra parte, para las bipolares decentro-OFF la reducción de Glutamato significa la retirada de una influencia despolarizantey por lo tanto se hiperpolarizan. Naturalmente, los decrementos en intensidad luminosatienen el efecto opuesto en estas dos clases de células bipolares (ver panel derecho de lafigura 1.12).

++ + +

+

++ + +

+

++ + +

+

++ + +

+

++ + +

+

Estímulo puntual de luz

0 1 2 3 4 5

Distancia (en grados) desde el centro del CR

Ritm

od

ed

esca

rga

(im

pu

lso

s/s

eg

.)

20

40

60

80

100

Nivel espontáneo de actividad

Figura 1.13 – Ritmo de descarga de una ganglionar centro-ON a un estímulo puntualde luz en función de la distancia del estímulo al centro de su campo receptivo. El máximoocurre con el estímulo justo en el centro del campo receptivo (0 en el eje de abscisas) yel mínimo ocurre con el estímulo en la periferia (entre 3◦ y 4◦). A una distancia igualo superior a 5◦, el estímulo cae fuera del campo receptivo y la célula vuelve al ritmoespontáneo de actividad. Figura adaptada de [62].

Las células ganglionares no sólo actúan como simples fotodetectores, es más, la mayorparte de ellas no son buenas para detectar diferencias en el nivel de iluminación de luzdifusa. En cambio, son sensibles a las diferencias entre el nivel de iluminación que caeen el centro del campo receptivo y el que cae en la periferia, es decir, son sensibles alcontraste de iluminación. Por ejemplo, si se mueve un estímulo puntual de luz desde elcentro hacia la periferia del campo receptivo de una ganglionar centro-ON, la respuesta aeste estímulo decrece, como muestra la figura 1.13. Una ganglionar de centro-OFF mostraríaun antagonismo similar para la periferia.


Debido a que las células ganglionares tienen periferias con comportamiento antagonista,responden con más fuerza a pequeños estímulos de luz confinados a los centros de suscampos receptivos que a estímulos grandes o a la iluminación uniforme (ver figura 1.6).

++ + +

+ ++ + +

+ ++ + ++ ++ + +

+ ++ + +

+

Posición

Ritm

od

ed

esca

rga

(im

pu

lso

s/s

eg

.)

Nivel espontáneo de actividad

A

BC

D

E

A

B

C

D

E

borde luz-oscuridad

Figura 1.14 – Respuestas de una hipotética población de células ganglionares centro-ON cuyos campos receptivos (A-E) están distribuidos cerca de un borde luz-oscuridad.Las más afectadas son aquellas cuyos campos receptivos están situados a lo largo delborde luz oscuridad. Figura adaptada de [62].

Para apreciar cómo el antagonismo centro-periferia hace que la célula ganglionar seasensible al contraste de iluminación, considérese los niveles de actividad en una poblaciónhipotética de ganglionares centro-ON cuyos campos receptivos se distribuyen en una ima-gen retinal con un borde de luz-oscuridad (ver figura 1.14). Las neuronas cuyos ritmos dedisparo se ven más afectadas por este estímulo, sea por incremento (la D) o por decremento(la B), son aquéllas cuyos campos receptivos caen a lo largo del borde luz-oscuridad. Aque-llas neuronas cuyos campos receptivos están completamente iluminados (la E) u oscurecidos(la A) se ven menos afectadas.

Por lo tanto, la información suministrada por la retina a centros cerebrales superiorespara su posterior procesado no da igual peso a todas las regiones de la escena visual sinoque enfatiza las regiones donde existan diferencias en luminosidad.

1.7.2.2. Adaptación a la iluminación

Así como el mecanismo responsable de la generación de las respuestas centro-ON ycentro-OFF es producto de las interacciones que ocurren en etapas tempranas del procesado


retinal, también lo es el mecanismo que produce la periferia antagonista de las célulasganglionares.

Se cree que gran parte de este antagonismo surge a través de las conexiones lateralesestablecidas por las células horizontales y los fotorreceptores. Las células horizontales reci-ben entradas sinápticas de los terminales de fotorreceptores y están ligadas por Uniones enHendidura (ver apéndice B) con una vasta red de otras células horizontales distribuidas enuna amplia zona de la retina. Como consecuencia de esto, la actividad en las horizontalesrefleja niveles de iluminación sobre una amplia área retinal.

Aunque los detalles de sus acciones no están del todo claros, se cree que las célulashorizontales ejercen su influencia a través de la liberación de un neurotransmisor directa-mente sobre los terminales de los fotorreceptores, regulando la cantidad de transmisor quelos fotorreceptores liberan en las dendritas de las bipolares.

La liberación de Glutamato desde los terminales de los fotorreceptores tiene un efectodespolarizante sobre las células horizontales (sinapsis conservadoras del signo), mientrasque el transmisor liberado por las horizontales (GABA) tiene una influencia hiperpolarizan-te en los terminales de los fotorreceptores (sinapsis inversoras del signo). En consecuencia,el efecto neto de las entradas procedentes de la red de las células horizontales es oponerse alos cambios en el Potencial de Membrana (ver apéndice A) de los fotorreceptores, inducidospor eventos propios de la Fototransducción.

En la figura 1.15 se ilustra cómo lo dicho anteriormente da lugar a una supresión dela periferia en una célula ganglionar de centro-ON. Un estímulo puntual de luz centradoen un cono que suministra entrada al centro del Campo Receptivo, produce una fuerterespuesta hiperpolarizante en el mismo. Bajo estas condiciones, los cambios en el Potencialde Membrana de las células horizontales que hacen sinapsis con el cono son pequeños, y larespuesta de este cono a la luz viene en gran medida determinada por eventos propios dela Fototransducción.

Sin embargo, si se añade luz a la periferia, el impacto de la red de células horizontales essignificativamente mayor: la reducción en la liberación de Glutamato en los fotorreceptoresde la periferia, inducida por la presencia de luz, da lugar a una fuerte hiperpolarizaciónde las células horizontales cuyos procesos convergen en los terminales del cono en el centrodel Campo Receptivo. La reducción de liberación de GABA en las horizontales tiene a suvez un efecto despolarizante en el Potencial de Membrana del cono central, reduciendo portanto la respuesta evocada por la luz y reduciendo en última instancia el ritmo de disparode la célula ganglionar de centro-ON.

Por lo tanto, incluso en etapas tempranas del procesado visual, las señales neuronalesno representan el número absoluto de fotones capturados por los fotorreceptores, sinomás bien la intensidad relativa de la estimulación, es decir, cuánto difiere el nivel actualde estimulación de los niveles ambientales. Aunque pueda parecer que la acción de lashorizontales hace decrecer la sensibilidad de la retina, en realidad juegan un papel críticoal permitir aplicar el rango completo de la respuesta eléctrica de los fotorreceptores (unos30mV.) al limitado rango de intensidades de los estímulos que estén presenten en cadamomento.

El mecanismo de adaptación aquí descrito funciona en conjunción con mecanismos celu-


GanglionarCentro-ON

-

BipolarCentro-ON

+

t0

t1

t2

t0 t1 t2

t0 t1 t2

Centro

Periferia

Ganglionar

centro-ON

- --- +

+++

Periferia

HorizontalHorizontal

Hiperpolarizaciónmediada porTrasducción Depolarización

mediada porHorizontales

Horizontal Horizontal

Cono central

Bipolar

centro-ON

t0 t1 t2 t0 t1 t2

Figura 1.15 – Canal responsable de la generación de la periferia del campo receptivo deuna ganglionar de centro-ON. Panel izquierdo: Anatomía funcional de las entradas de lascélulas horizontales responsables de la periferia antagonista. Panel derecho: Respuestasde varios tipos de células a la iluminación puntual del centro del campo receptivo (t1)seguida de la iluminación de la periferia (t2). Figura adaptada de [62].

lares en los fotorreceptores que regulan la sensibilidad de la Fototransducción en diferentesniveles de luz. Estos mecanismos trabajando juntos, permiten a los canales retinales trans-portar a etapas superiores del sistema visual los aspectos más sobresalientes de los cambiosde iluminación.

1.7.3. Selectividad DireccionalLa detección del movimiento es una de las computaciones más básicas y elementales

que pueden realizar los sistemas visuales. Por eso, el mecanismo por el cual la retinapuede obtener la dirección del movimiento de un estímulo que cruce su superficie se haconvertido en uno de los problemas clásicos tanto de la Neurobiología computacional comode la experimental.

En la retina de los vertebrados se han encontrado neuronas que muestran una clara acti-vidad ante el movimiento de un estímulo en una dirección concreta, mientras que muestranmuy poca actividad al movimiento del mismo estímulo en la dirección inversa [2]. A esta


característica neuronal se le ha bautizado a como “Selectividad Direccional".Por lo tanto, el término “direccionalmente selectivo’, referido a una neurona, significa

que esta neurona produce una fuerte descarga de impulsos cuando un objeto o estímulose mueve a través de su campo receptivo en una dirección, llamada dirección preferida,mientras que el movimiento en la dirección inversa, llamada dirección nula, produce muypoca o ninguna respuesta. La dirección preferida difiere en distintas neuronas y la actividadde un conjunto de estas unidades señala la dirección de movimiento de los objetos en elcampo visual.

Una posible forma de determinar el eje de dirección preferida-nula de una célula esla siguiente: se mueve, por ejemplo, un estímulo en forma de barra a lo largo del camporeceptivo de la célula en 12 direcciones espaciadas en intervalos de 30◦. La dirección delestímulo que genere el mayor número de Potenciales de Acción se designa como direcciónpreferida y la dirección opuesta como la nula.

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

Figura 1.16 – Diagrama polar para la determinación del eje de dirección

estructurascomputacionalesparala simulaciónymodeladode … · 2020. 5. 18. · agradecimientos en...

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