Las ondas retinianas son explosiones espontáneas de potenciales de acción que se propagan en forma de onda a través de la retina en desarrollo . Estas ondas ocurren antes de la maduración de la varilla y el cono y antes de que pueda ocurrir la visión . Las señales de las ondas retinianas dirigen la actividad en el núcleo geniculado lateral dorsal (dLGN) y la corteza visual primaria . Se cree que las ondas se propagan a través de las células vecinas en direcciones aleatorias determinadas por períodos de refractariedad que siguen a la despolarización inicial. Se cree que las ondas retinales tienen propiedades que definen la conectividad temprana de circuitos y sinapsisentre células en la retina. Todavía hay mucho debate sobre el papel exacto de las ondas retinianas; algunos sostienen que las ondas son instructivas en la formación de vías retinogeniculadas, mientras que otros sostienen que la actividad es necesaria, pero no instructivas en la formación de vías retinogeniculadas.
Descubrimiento [ editar ]
Uno de los primeros científicos en teorizar la existencia de cascadas espontáneas de actividad eléctrica durante el desarrollo de la retina fue el neurobiólogo computacional David J. Willshaw. Propuso que las células adyacentes generan actividad eléctrica en forma de onda a través de capas de células presinápticas y postsinápticas interconectadas. Se cree que la actividad que se propaga a través de un período cercano de células pre y postsinápticas produce una fuerte actividad eléctrica en comparación con las células pre y postsinápticas que están más separadas, lo que da como resultado una actividad más débil. Willshaw pensó que esta diferencia en la fuerza de disparo y la ubicación de las células era responsable de determinar los límites de las actividades. El movimiento lateral de disparar desde la celda vecina a la celda vecina, comenzando en un área aleatoria de células y moviéndose a lo largo de las capas pre y postsinápticas, se cree que es responsable de la formación del mapa retinotópico. Para simular la cascada de actividad eléctrica, Willshaw escribió un programa de computadora para demostrar el movimiento de la actividad eléctrica entre las capas celulares pre y postsinápticas. Lo que Willshaw llamó actividad eléctrica con patrones espontáneos hoy se conoce como ondas retinianas.[1]
A partir de este concepto puramente teórico, los científicos italianos Lucia Galli y Lamberto Maffei utilizaron modelos animales para observar la actividad eléctrica en las células ganglionares de la retina. Antes de Galli y Maffei, la actividad de las células ganglionares de la retina nunca se había registrado durante el desarrollo prenatal. Para estudiar la actividad del ganglio, Galli y Maffei utilizaron retinas de ratas prematuras, entre los días embrionarios 17 y 21, para registrar la actividad eléctrica. Se utilizaron varias células aisladas individuales para este estudio. Las grabaciones mostraron que la actividad celular fue catalizada a partir de células ganglionares. Galli y Maffei especularon que la actividad eléctrica observada en las células ganglionares de la retina puede ser responsable de la formación de conexiones sinápticas retinianas y de las proyecciones de las células ganglionares de la retina hacia elcolículo superior y LGN . [2]
A medida que se estableció la idea de las ondas retinianas, la neurobióloga Carla Shatz utilizó imágenes de calcio y registros de microelectrodos para visualizar el movimiento de los potenciales de acción en forma de ondas. Para obtener más información sobre imágenes de calcio y registro de microelectrodos, consulte la sección a continuación. Las imágenes de calcio mostraron que las células ganglionares iniciaban la formación de ondas retinianas, junto con las células amacrinas adyacentes , que participan en el movimiento de la actividad eléctrica. También se pensó que las grabaciones de microelectrodos mostraban LGNLas neuronas son impulsadas por la formación ondulatoria de actividad eléctrica a través de las células ganglionares retinianas vecinas. A partir de estos resultados, se sugirió que las ondas de actividad eléctrica eran responsables de impulsar el patrón de actividad espacio-temporal y también desempeñaban un papel en la formación del sistema visual durante el desarrollo prenatal. [3]
Rachel Wong es otra investigadora involucrada en el estudio de las ondas retinianas. Wong especuló que la actividad eléctrica, dentro de la retina, está involucrada en la organización de las proyecciones retinianas durante el desarrollo prenatal. Más específicamente, la actividad eléctrica puede ser responsable de la segregación y organización de la dLGN. Wong también especuló que partes específicas del sistema visual, como las columnas de dominancia ocular , requieren alguna forma de actividad eléctrica para desarrollarse por completo. También creía que ser capaz de descubrir las señales codificadas por las ondas retinianas, podría permitir a los científicos comprender mejor cómo las ondas retinianas juegan un papel en el desarrollo retiniano. [4]
Algunas de las investigaciones más recientes que se llevan a cabo intentan comprender mejor las señales codificadas de las ondas retinianas durante el desarrollo. Según una investigación realizada por Evelyne Sernagor, se cree que las ondas retinianas no solo son necesarias para su actividad eléctrica espontánea, sino que también son responsables de codificar la información que se utilizará en la formación de patrones espacio-temporales que permitan que las vías retinianas se vuelvan más refinadas. Utilizando tortugas para probar este concepto, Sernagor usó imágenes de calcio para observar el cambio en las ondas retinianas durante varias etapas del desarrollo retiniano. Según el estudio, en las primeras etapas de desarrollo, las ondas retinales se disparan rápida y repetidamente, causando lo que se cree que es una gran ola de potenciales de acción a través de la retina. Sin embargo, a medida que la tortuga se acerca a la finalización del desarrollo, las ondas retinianas dejan de extenderse gradualmente y, en cambio, se convierten en grupos inmóviles de células ganglionares retinianas. Se cree que esto es el resultado deEl GABA cambia de excitador a inhibidor durante el desarrollo continuo de la retina. Aún se desconoce en gran medida si el cambio en la formación de ondas retinianas durante el desarrollo es exclusivo de las tortugas. [5]
Observación de olas en otros sistemas [ editar ]
La generación espontánea y la propagación de ondas se ven en otros lugares en los circuitos en desarrollo. Se ha observado una actividad espontánea sincronizada temprana en el desarrollo en neuronas del hipocampo , la médula espinal y los núcleos auditivos. [6] La actividad modelada que configura las conexiones neuronales y el control de la eficiencia sináptica en múltiples sistemas, incluida la retina, son importantes para comprender la interacción entre las células presinápticas y postsinápticas que crean conexiones precisas esenciales para la función del sistema nervioso. [4]
Desarrollo [ editar ]
Durante el desarrollo, la comunicación a través de la sinapsis es importante entre las células amacrinas y otras interneuronas retinianas y células ganglionares que actúan como sustrato para las ondas retinianas. [4] Hay tres etapas de desarrollo que caracterizan la actividad de las ondas retinianas en los mamíferos. Antes del nacimiento, las ondas están mediadas por corrientes no sinápticas, las ondas durante el período desde el nacimiento hasta diez días después del nacimiento están mediadas por el neurotransmisor acetilcolina que actúa sobre los receptores nicotínicos de acetilcolina , las ondas durante el tercer período, desde diez días después del nacimiento hasta dos semanas después. mediado por receptores ionotrópicos de glutamato. [7]
Las sinapsis químicas durante el período de onda colinérgica implican que las células amacrinas de estallido estelar (SAC) liberan acetilcolina a otros SAC, que propagan las ondas. Durante este período, la producción de ondas colinérgicas excede la producción de ondas a través de uniones gap , de las cuales las señales son bastante reducidas. Esta señalización ocurre antes de que las células bipolares formen conexiones en la capa plexiforme interna . Se cree que los SAC son la fuente de ondas retinianas porque se han observado despolarizaciones espontáneas sin excitación sináptica. [7]
La actividad de las ondas colinérgicas finalmente desaparece y la liberación de glutamato en las células bipolaresgenera ondas. [7] Las células bipolares se diferencian más tarde que las células amacrinas y ganglionares, lo que podría ser la causa de este cambio en el comportamiento de las ondas. [4] El cambio de mediación colinérgica a mediación glutamatérgica ocurre cuando las células bipolares hacen sus primeras conexiones sinápticas con las células ganglionares. [7] El glutamato, el neurotransmisor contenido en las células bipolares, genera actividad espontánea en las células ganglionares. Las ondas aún están presentes después de que las células bipolares hacen una conexión sináptica con las células amacrinas y ganglionares. [4]
La actividad adicional involucrada en las ondas retinianas incluye lo siguiente. En ciertas especies, se ve que GABA juega un papel en la frecuencia y duración de los estallidos en las células ganglionares. Las interacciones de las células varían en diferentes sujetos de prueba y en diferentes niveles de madurez, especialmente las interacciones complejas mediadas por las células amacrinas. La actividad propagada a través de uniones gap no se ha observado en todos los sujetos de prueba; Por ejemplo, la investigación ha demostrado que las células ganglionares de la retina del hurón no están acopladas. Otros estudios han demostrado que los agentes excitadores extracelulares como el potasiopodría ser instrumental en la propagación de ondas. La investigación sugiere que las redes sinápticas de células amacrinas y ganglionares son necesarias para la producción de ondas. En términos generales, las ondas se producen y continúan durante un período de desarrollo relativamente largo en el que se agregan nuevos componentes celulares de la retina y las sinapsis. La variación en los mecanismos de las ondas retinianas explica la diversidad en las conexiones entre las células y la maduración de los procesos en la retina. [4]
Patrón de actividad de las olas [ editar ]
Las ondas se generan al azar, pero limitadas espacialmente debido a un período refractarioen las células después de que se hayan producido explosiones de potenciales de acción. Después de que una onda se ha propagado en un lugar, no se puede propagar en el mismo lugar. Las áreas refractarias inducidas por las olas duran entre cuarenta y sesenta segundos. La investigación sugiere que cada región de la retina tiene la misma probabilidad de generar y propagar una ola. El período refractario también determina la velocidad (distancia entre los frentes de onda por unidad de tiempo) y la periodicidad (intervalo de tiempo promedio entre los transitorios de calcio inducidos por la onda o las despolarizaciones registradas en una neurona particular en la capa de células ganglionares) La densidad de las células refractarias corresponde a qué tan rápido Las ondas retinianas se propagan, por ejemplo, si hay un número bajo o densidad de células refractarias, la velocidad de propagación será alta. [8]
Procedimientos experimentales [ editar ]
Visualización de ondas [ editar ]
Dos métodos principales para visualizar las ondas retinianas son el uso de imágenes de calcio y una matriz de múltiples electrodos . Las imágenes de calcio permiten el análisis del patrón de onda en un área grande de la retina (más que con la grabación de múltiples electrodos). La obtención de imágenes como tal ha permitido a los investigadores investigar las propiedades espaciotemporales u ondas, así como el mecanismo y la función de las ondas en el desarrollo.
Perturbando las olas [ editar ]
Actualmente se utilizan tres técnicas principales para alterar las ondas retinianas: inyección intraocular de sustancias farmacológicas que alteran los patrones de ondas, uso de inmunotoxinas que eliminan ciertas clases de células amacrinas o el uso de líneas de ratón inactivadas que han alterado los patrones de disparo espontáneo. [9] Hay varios agentes farmacológicos que pueden usarse para interrumpir la actividad retiniana. La tetrodotoxina (TTX) se puede inyectar cerca del tracto óptico para bloquear la actividad retiniana entrante además de la actividad saliente de las neuronas geniculadas laterales. [10] Inyecciones intraoculares de epibatidina, un agonista colinérgico, se puede utilizar para bloquear la activación espontánea en la mitad de todas las células ganglionares de la retina y provocar una activación no correlacionada en la mitad restante. [9] Los efectos de los agentes farmacológicos sobre la actividad de las células ganglionares de la retina se observan utilizando MEA o imágenes de calcio. Las inmunotoxinas pueden usarse para atacar a las células amacrinas de estallido estelar. Las células amacrinas de Starburst son interneuronas retinianas responsables de las ondas retinianas colinérgicas. [9]El tercer método es utilizar ratones knockout con patrones de disparo espontáneos alterados. La línea más común de ratón para este método es la desactivación de la subunidad beta-2 del receptor de acetilcolina nicotínico neuronal (β2-nAChR-KO). Se ha observado que los ratones β2-nAChR-KO han reducido el refinamiento retinotópico específico de los ojos, similar a la inyección de epitbatidina, así como sin ondas correlacionadas, como se observó con la captura de imágenes de calcio y el registro de MEA. [9]
Papel controvertido en el desarrollo neuronal [ editar ]
Actualmente todavía hay mucha controversia sobre si las ondas retinianas juegan un papel 'instructivo' o 'permisivo' en la formación de proyecciones específicas de los ojos en la vía retinogeniculada. Las inyecciones de agentes farmacológicos previenen la formación de entradas retinogeniculadas específicas para el ojo, lo que indica que las ondas retinianas juegan algún papel en la formación. Se ha encontrado que los ratones β2-nAChR-KO tienen patrones alterados de disparo espontáneo. Es importante tener en cuenta que, si bien los experimentos realizados hasta ahora en líneas inactivadas han ayudado a explicar algunas cosas sobre las ondas retinianas, solo los experimentos realizados in vivo a temperatura corporal normal y en un entorno químico normal pueden determinar realmente cuál es el verdadero patrón de disparo está en los animales noqueados. [9] [10]
Argumento instructivo [ editar ]
Se ha encontrado que la actividad de la onda retiniana coincide con el período en el que se forman las proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo. Esta superposición temporal sería necesaria para una relación causal. Las inyecciones de TTX en gatos fetales impidieron la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas para los ojos, lo que indica que la actividad neuronal es necesaria para la formación de capas específicas para los ojos. [10] Después del tratamiento con epibatidina, la falta de disparos correlacionados en la mitad restante de las células ganglionares de la retina a pesar del disparo robusto, así como la falta de formación de capas específicas de los ojos, puede indicarse como prueba de que las ondas juegan un papel de instrucción. [9]La observación por imágenes de calcio después del uso de inmunotoxinas mostró que aún quedaba algo de disparo correlacionado donde el registro de la pinza de voltaje acoplado mostró una reducción significativa en el disparo correlacionado. [9] El disparo correlacionado restante podría explicar la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo que se encontraron. Usando imágenes de calcio y registro de MEA, estas células han demostrado no tener disparos correlacionados. En cambio, se han observado tasas de disparo reducidas, y la despolarización en una célula parecía inhibir las células circundantes. [9] El patrón de disparo alterado de los ratones β2-nAChR-KO también es controvertido ya que ha habido alguna evidencia de que todavía se produce un disparo correlacionado en los ratones knock-out, como se detalla en la siguiente sección.
Argumento permisivo [ editar ]
Se han encontrado ondas retinianas mientras se forman las vías retinogeniculadas específicas del ojo; Sin embargo, es importante tener en cuenta que en todas las especies estudiadas hasta la fecha, las ondas retinianas comienzan antes y continúan después de que se forman estas vías específicas del ojo. También se observa que algunas especies en las que se ha documentado que las ondas retinales tienen proyecciones que se cruzan. Esto sugiere que las ondas retinianas pueden estar presentes y no jugar un papel instructivo en entradas específicas del ojo. [10] Hay varios problemas a considerar cuando se analizan los datos del uso de sustancias farmacológicas para bloquear la actividad de la retina. Primero, se desconocen los efectos a largo plazo del tratamiento con TTX, ya que aún no es posible controlar la actividad retiniana durante un período prolongado en un animal intacto. [10]El hallazgo de que la inyección a largo plazo de TTX no inhibió y, en cambio, simplemente retrasó la formación de la capa específica del ojo, podría explicarse por los efectos reducidos de TTX sobre la actividad retiniana a una duración más larga. Esto respalda el argumento de que el bloqueo de toda la actividad de la retina impide que se forme una proyección específica de los ojos. [10] Además, dado que el tratamiento con inmunotoxinas para matar las células amacrinas de Starburst no muestra diferencias en la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas para los ojos, mientras que el tratamiento con epibatidina sí lo hace, podría sugerir que algún tipo de actividad retiniana es esencial para la formación de capas específicas para los ojos, pero no ondas retinianas. [10]Un estudio mostró que los ratones β2-nAChR-KO todavía tenían una actividad de onda retiniana robusta, a diferencia de lo informado anteriormente; sin embargo, descubrieron que las ondas retinianas se propagaban mediante uniones de separación en la línea de desactivación, en lugar de la transmisión colinérgica de los ratones de tipo salvaje.
La esqueletogénesis es un evento morfogenético clave en el desarrollo embrionario de los vertebrados y es de igual importancia, aunque transitoria, en el desarrollo del erizo de mar, un invertebrado marino . [1] El erizo de mar larval no se parece a su forma adulta, porque el erizo de mar es un desarrollador indirecto, lo que significa que su forma de larva debe sufrir metamorfosis para formar el adulto juvenil. Aquí, el foco está en la esqueletogénesis en la especie de erizo de mar Strongylocentrotus purpuratus , ya que esta especie ha sido estudiada y caracterizada más a fondo.
Cambios morfológicos [ editar ]
La esqueletogénesis comienza en la primera blástula de erizo de mar (9-10 horas después de la fertilización) cuando las células mesenquimatosas primarias (PMC), los únicos descendientes de las células hijas micromere grandes, [2] experimentan una transición epitelial-mesenquimal (EMT) y se separan desde la capa apical, ingresando así al blastocoel , [3] formando un grupo de células en el polo vegetal . [1] Es una interacción clave entre las dos poblaciones principales de células mesodérmicas en el embrión de erizo de mar, PMC y células mesenquimáticas secundarias (SMC), que regula el destino de SMC y el proceso de esqueletogénesis. En un tipo salvajeembrión, los elementos esqueléticos son producidos exclusivamente por PMCs. [4] Debido a su naturaleza para dar lugar al esqueleto larval, a veces se les llama mesénquima esqueletogénico. [3] Ciertas SMC tienen un potencial esqueletogénico, sin embargo, las señales transmitidas por las PMC suprimen este potencial en las SMC y dirigen estas células hacia vías de desarrollo alternativas. [4]
Una vez en el blastocoel , las células mesenquimatosas se extienden y contraen procesos largos y delgados llamados filopodia . Los filopodios tienen 250 nm de diámetro y 25 um de largo. En este punto, los filopodios parecen moverse aleatoriamente a lo largo de la superficie del blastocoel interno, creando y rompiendo conexiones filopodiales a la pared del blastocoel. Durante la etapa de gastrula, una vez que se ha formado el blastopore, las PMC se localizan dentro de la región ventrolateral prospectiva (de adelante hacia el lado) del blastocoel. Es aquí donde se fusionan en cables sincitiales , formando el eje para las espículas de carbonato de calcio (CaCO3) (y una pequeña cantidad, 5%, de MgCO3 )de las varillas esqueléticas larvales, 13.5 horas después de la fertilización. [3] Tanto la birrefringencia óptica como la difracción de rayos X indicaron que las espículas son cristalinas . [1] Al llegar a la etapa de pluteus (24 horas después de la fertilización), también se encuentra una abundancia de matriz extracelular asociada con la sincitia y la pared de blastocoel. [1] Desde la gastrula hasta las etapas pluteus el esqueleto crece tanto en tamaño como en complejidad. Una vez que el organismo sufre metamorfosis para formar el erizo de mar juvenil, el esqueleto larvario se "pierde", lo que hace que su existencia sea crítica pero aparentemente transitoria en el ciclo de vida general del erizo de mar. [1] Sin embargo, el esqueleto del pluteus da origen a las espinas del erizo de mar juvenil. [5] Estas espinas generalmente miden 1-3 centímetros de largo y 1-2 milímetros de grosor, y en algunas especies, pueden ser venenosas.
Regulación molecular [ editar ]
Los mecanismos moleculares de la esqueletogénesis implican varios productos génicos específicos de PMC. Estos incluyen Msp30, una glucoproteína de la superficie celular de sulfato que se ha implicado en la absorción y deposición de calcio, y SM50, SM30 y PM27, que son tres proteínas de la matriz de la espícula. Se cree que SM50 y PM27 son proteínas básicas estructuralmente similares, no glicosiladas, mientras que SM30 es una glicoproteína ácida. Las funciones específicas de estas proteínas de la matriz aún no se han dilucidado por completo, pero se cree que pueden funcionar en la nucleación u orientación del crecimiento de cristales. También se ha encontrado que el gen msp130 exhibe un patrón complejo de regulación espacial dentro del sincitio de PMC durante la esqueletogénesis. Se sugiere que el ectodermopuede desempeñar un papel en el control de la morfogénesis esquelética regulando la expresión de productos génicos específicos de PMC implicados en la biogénesis de espículas. [6]
Evolución [ editar ]
La medida en que se han caracterizado los mecanismos moleculares subyacentes a la esqueletogénesis en los erizos de mar larvarios ha llevado a estudios comparativos del desarrollo evolutivo en erizos de mar relacionados de forma distante, así como a otros equinodermos, con el objetivo de comprender cómo ha evolucionado este personaje. [7] [8] Estos estudios, y otros, [9] [10] han revelado que han surgido numerosas diferencias durante la evolución del clado de erizo de mar en la expresión del gen espacio-temporal de varios factores de transcripción que comprenden la red reguladora del genConducir la especificación esqueletogénica. Sin embargo, también hay sorprendentes similitudes en los sistemas de señalización que posicionan estas células en el embrión. [11] A pesar de las diferencias en el momento de la entrada mesodérmica en el blastocoel y las diferencias espaciotemporales en la expresión génica del factor de transcripción, la reconstrucción del estado ancestral de genes críticos para la especificación de las células esqueletogénicas de erizo de mar apoya la homología de este tipo de células, [12] lo que sugiere que surgió Algún tiempo antes de la divergencia de cidaroides y euequinoides hace más de 268 millones de años.
No hay comentarios:
Publicar un comentario