francisco gilberto oliveira

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FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA ASPECTOS ANATÔMICOS DO OLHO E NEUROQUÍMICOS DA RETINA DO MOCÓ (Kerodon rupestris) Tese apresentada à Universidade Federal do Rio Grande do Norte, para obtenção do título de Doutor em Psicobiologia. NATAL 2013

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Page 1: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

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FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

ASPECTOS ANATÔMICOS DO OLHO E NEUROQUÍMICOS DA

RETINA DO MOCÓ (Kerodon rupestris)

Tese apresentada à Universidade Federal do Rio

Grande do Norte, para obtenção do título de

Doutor em Psicobiologia.

NATAL

2013

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2

FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

ASPECTOS ANATÔMICOS DO OLHO E NEUROQUÍMICOS DA

RETINA DO MOCÓ (Kerodon rupestris)

Tese apresentada à Universidade Federal do Rio

Grande do Norte, para obtenção do título de

Doutor em Psicobiologia.

Área de concentração: Psicologia Fisiológica

Orientadora: Profa. Dra. Miriam Stela Maris de

Oliveira Costa

Co-Orientadora: Profa. Dra. Belmira Lara da

Silveira Andrade da Costa

NATAL

2013

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Page 5: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

4

Dedico este trabalho à minha família: Minha esposa Telma, meus filhos Débora,

Diego, Raquel e Filipe, meus netos Gabriel, Rafael e Rebeca, e aos meus pais Raimundo e

Lourdes.

Page 6: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

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AGRADECIMENTOS

À Professora Dra. Miriam Stela Maris de Oliveira Costa pela orientação, serenidade,

paciência, ensinamentos, dedicação e amizade, muito obrigado pela oportunidade.

À Professora Dra. Belmira Lara que dedicou muito do seu pouquíssimo tempo,

colaborando com sugestões, protocolos, correções, idéias e muita paciência e boa vontade.

Ao Professor Jeferson, com quem tive o primeiro contato em Natal e desde então se

prontificou a colaborar no que fosse necessário. Fez parte da minha seleção inicial e por força

de compromissos não pode participar da banca. Muito grato pela amizade, pelos ensinamentos

e pela disponibilidade sempre. Receba cordiais saudações rubronegras.

Aos Professores Dr. Fabricio e Dra. Patricia que gentilmente aceitaram nosso convite,

largaram seus afazeres e vieram de Recife e do Rio de Janeiro respectivamente, contribuir

com seus conhecimentos e sugestões para o aprimoramento do nosso trabalho.

Ao Professor Dr. Daniel pela colaborado com o nosso trabalho desde o seu início,

tendo contribuído com sugestões na seleção inicial, na qualificação e agora como membro da

banca.

Ao Professsor Dr. Judney que também compõe a banca e que no dia-a-dia do

laboratório sempre colaborou com o que foi preciso.

Ao Professor Dr. Expedito, chefe do Departamento de Morfologia, pela parceria,

amizade, conselhos e disponibilidade.

Ao incentivo, apoio e amizade de todos os companheiros do Laboratório de

Neuroanatomia, com quem tive a oportunidade e a imensa satisfação de dividir a bancada:

Adriana, Alane, André, Eudes, Fausto, Filipe, Franco, Janaína, Joacil, Karen, Katia, Kayo,

Leandro, Mariana, Melquizedec, Nayra, Paulo, Rayane, Renata, Rodolfo, Rovena, Ruthnaldo,

Twyla, e Wylqui.

Page 7: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

6

À Miriam Regina Celi, técnica do laboratório de Neuroanatomia pela grande

colaboração e amizade.

Ao Departamento de Morfologia por todo o suporte necessário.

Aos companheiros do laboratório de Neurofisiologia da UFPE, que me deram sempre

muito suporte quando das minhas estadas em Recife: Alinny, Aluizio, Davi, Eraldo, Igor,

Pablo, Priscila, Rafael, Renata e Ricielle

Aos Professores que compartilham o laboratório de Neurofisiologia da UFPE, Ângela,

Catarina, Marcelo, Reginaldo, e Valdir, pela colaboração.

À Socorro, Melina e Lourdinha, pelo auxílio técnico no laboratório de histologia da

UFRN.

À Zenira Cosme Xavier pela assistência técnica no laboratório de Neurofisiologia da

UFPE.

A minha família que me apoiou, incentivou, motivou e proporcionou o suporte

necessário.

Aos amigos Ângela e Cicero pela motivação permanente e grande incentivo.

Ao amigo Davis Landim pela colaboração na elaboração das figuras.

Aos funcionários e Professores do Departamento de Morfologia pela disponibilidade

apoio e amizade.

Ao Instituto Internacional de Neurociências de Natal pelo treinamento em microscopia

e utilização do miscroscópio confocal.

Ao Instituto do Cérebro de Natal pela utilização do microscópio confocal.

Aos Laboratório de Bioquímica da UFRN e de Citogenética da UFPE pela utilização

do microscópio de imunofluorescência.

À Universidade Regional do Cariri (URCA) pela liberação que me foi concedida para

cursar o doutorado.

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7

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES, pela

bolsa de doutorado, demais órgãos de fomento que deram suporte a pesquisa: CNPq,

FAPERN, FINEP e a todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste

trabalho.

Finalmente quero fazer um agradecimento especial ao Professor Milton Thiago de

Melo, da UNB, pelo grande incentivo que me deu ainda no início da graduação, em 1998,

quando nos encontramos em um congresso em Salvador e tive então o privilégio de conhecê-

lo.

Page 9: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

8

Diz o preguiçoso: "amanhã farei".

Exclama o fraco: "amanhã, terei forças".

Assevera o delinqüente: "amanhã, regenero-me".

É imperioso reconhecer, porém, que a criatura, adiando o esforço pessoal, não alcançou,

ainda, em verdade, a noção real do tempo.

Quem não aproveita a bênção do dia, vive

distante da glória do século.

(Chico Xavier)

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RESUMO

O sistema visual representa um importante elo entre o animal e o ambiente, com

profundas influências sobre os hábitos e estilo de vida nos mais diversos habitats.

Mecanismos adaptativos ao nicho temporal estão presentes no sistema visual de muitos

vertebrados, envolvendo modificações nas dimensões e desenho ocular, distribuição de

células retinianas, e organização dos circuitos neuroquímicos relacionados com a resolução ou

sensibilidade retiniana. O sistema sensorial do olho é representado pela retina, cuja

organização é responsável pela recepção, análise inicial, e transmissão da informação para o

cérebro. O conhecimento da posição dos olhos na cabeça e a distribuição das células

retinianas permitem identificar aspectos adaptativos de cada espécie ao seu campo visual, o

qual é característico ao nicho ecológico que ocupa. Nesta pesquisa, estudamos características

anatômicas do olho e neuroquímicos da retina do mocó (Kerodon rupestris), roedor

tipicamente brasileiro da subordem Hystricomorpha, família Caviidae. O mocó tem olhos

laterais, órbita óssea bem constituída e musculatura extrínseca bem diferenciada. O estudo da

anatomia descritiva e morfométrica do olho mostrou valores médios de diâmetro axial

10.7±0,5mm e diâmetro equatorial de 11.6±0.7mm. Possui pupila em fenda e cristalino com

diâmetro axial médio de 5.4±0.03 mm, correspondendo a ~45% do diâmetro axial do olho. A

distância nodal posterior e o fator de magnificação retiniana foram estimados como sendo

6.74 mm e 118 µm/grau, respectivamente. Montagens planas foram processadas para

marcação de Nissl, e a distribuição topográfica de células ganglionares mostrou uma

moderada faixa visual pouco abaixo do disco óptico, com maior densidade na retina ventral.

Secções verticais e montagens planas da retina foram processadas por imunohistoquímica

para visualização de tirosina hidroxilase (TH) e dois tipos de células TH+ foram detectados.

As células do tipo I, apresentaram forte imunorreatividade a TH, corpo celular variando de

120,047 a 269,373 µm2 com estratificação na sublâmina 1 da IPL. As células do tipo II

apresentaram fraca imunorreatividade a TH, corpos celulares localizados principalmente na

IPL variando de 54,848 a 177,142 µm2, constituindo ~10% das células TH

+. Os dois tipos

celulares apresentaram uma similar distribuição topográfica com maior densidade localizada

em uma faixa horizontal ao longo do eixo naso-temporal na porção superior da retina. A

população total de células dopaminérgicas estimada foi em média 2.156±469.4 células, com

uma área média de 198.164 µm2. A presença de cones e bastonetes foi detectada por

imunohistoquímica tanto em secções verticais quanto em montagens planas. Os cones S têm

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10

uma densidade aproximadamente 10 vezes menor dos que os cones L, com diferentes graus de

organização espacial. Outras populações neuronais da retina do mocó também foram

detectadas em secções verticais com marcadores específicos. Análise comparativa das

características anatômicas do olho do mocó sugere que o mesmo foi projetado para adquirir

maior sensibilidade à luz, em detrimento da nitidez da imagem, compatível com uma visão

em condições mesópicas. Adicionalmente, a distribuição dos 2 subtipos de células

dopaminérgicas em uma faixa naso-temporal na retina superior parece adequada para um

ganho em sensibilidade, coerente com as características de um animal com padrão de

atividade predominantemente crepuscular.

Palavras-chaves: cones, bastonetes, células ganglionares, dopamina, olho, visão.

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ABSTRACT

The visual system is an important link between the animal and the environment, com

profound influences on the habits and lifestyle in various habitats. Adaptive mechanismsto the

temporal niche are present in the visual system of many vertebrates, involving changins in

ocular dimensios and design, retinal cell distribution and organization of neurochemical

circuits related to the retinal resolution or sensitivity. The sensory system of the eye is

represented by the retina, whose organization is responsible by receipty, initial analysis, and

transmission of the information to the brain. The knowledge of the position of the eyes in the

head and the distribution of retinal cells allow to identify adaptive aspects of each species to

its visual field, which is characteristic to the ecological niche it occupies. In this research, we

study eye anatomical characteristics and retina neurochemical features of the rock cavy

(Kerodon rupestris), a tipical Brazilian rodent from the suborder Hystricomorpha, family

Caviidae. The rock cavy has lateral eyes well constitute bony orbit and well differentiated

extrinsic muscle. The study of the descriptive and morphometric anatomy of the showed mean

values of axial diameter 10.7±0,5mm and equatorial diameter 11.6±0.7mm. The pupil is slit

shaped and the lens has mean axial diameter 5.4±0.03 mm, corresponding to ~45% of the

axial diameter of the eye. The posterior nodal distance and the retinal magnification factor

were estimated at 6.74 mm e 118 µm/grau, respectively. Flat mounts were processed for Nissl

stain, and the topographic distribution of ganglion cells showed a moderate visual band, just

below the optic disc, with higher density in the ventral retina. Retinal vertical sections and flat

mounts were processed for immunohistochemistry to visualize tyrosine hydroxilase (TH) and

thus two types of TH+ cells were detected. Type 1 cells had strong TH-immunoreactivity, the

body cell varied from 120.047 to 269.373 µm2 stratifying in the sublamina 1 of the IPL. Type

2 cells were weakly TH-imunoreactive, had cell body located mostly in the IPL, varying from

54.848 to 177.142 µm2, constituting ~10% of the TH

+ cells. Both cell types exhibited similar

topographic distribution with higher density found in a horizontal band along of the naso-

temporal axis in the dorsal retina. The total population of dopaminergic cells was 2,156±469,4

cells, occupying an average area of 198,164 µm2. The presence of cones and rods was

detected by immunohistochemistry in vertical sections and flat mounts. S cones density is

around 10 times smaller than L cones, with different degree of spatial organization. Other

retinal neuronal populations of the rock cavy were also detected in vertical sections with

specific markers. Comparative analysis of the anatomical characteristics of the rock cavy eye

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suggest that it was designed to acquire higher sensitivity to light, at expense of image

sharpness, compatible with a vision at mesopic conditions. Additionally, the distribution of

the 2 subtypes of dopaminergic cells in a naso-temporal band in the dorsal retina seems

suitable to a gain in sensitivity, coherent with an animal with predominantly crepuscular

activity pattern.

Keywords: cones, dopamine, eye, ganglion cells, rods, vision.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 14

1.1 Aspectos anatômicos e eco-fisiológicos da visão 14

1.2 O processamento visual e a estrutura interna da retina 17

1.3 O epitélio pigmentar 20

1.4 Fotorreceptores 21

1.5 Células horizontais 24

1.6 Células bipolares 27

1.7 Células amácrinas 29

1.8 Células ganglionares 33

1.9 Opsinas na evolução de mamíferos 36

1.10 Sistemas paralelos de transmissão dos níveis de intensidade luminosa:

vias ON e OFF

38

1.11 A retina como oscilador e os ritmos da retina 41

1.12 Sistemas fotossensíveis na retina interna - Papel da melanopsina 46

1.13 Importância da dopamina para a transição claro/escuro 51

1.14 O mocó como modelo experimental 55

2 OBJETIVOS 59

3 MATERIAIS E MÉTODOS 60

4 RESULTADOS 69

4.1 Primeiro artigo 70

4.2 Segundo artigo 93

4.3 Terceiro artigo 124

4.4 Outros resultados 143

5 CONCLUSÕES 147

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 148

7 ANEXOS 178

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14

1. INTRODUÇÃO

1.1 Aspectos anatômicos e eco-fisiológicos da visão.

O estudo das estruturas anatômicas que evolutivamente foram desenvolvidas por

diferentes animais objetivando a captação de luz e sua utilização como indicativo do ambiente

em sua volta, nos mostra uma imensa gama de tamanhos, formatos e princípios ópticos

envolvidos, fornecendo evidências de que a óptica fisiológica é relativamente plástica,

segundo palavras de Silveira (1985).

Inúmeros mecanismos adaptativos ao nicho temporal estão presentes no sistema visual

de muitos vertebrados. Além de modificações nas dimensões e desenho ocular e na

distribuição de células da retina, estes mecanismos envolvem também alterações na

organização dos circuitos neuroquímicos relacionados com a resolução ou detecção de

mudanças nos níveis de iluminação (Land & Nilsson, 2008), enquanto a simetria de como o

ambiente é percebido é refletido no arranjo das células retinianas.

A qualidade do sistema óptico pode limitar a quantidade de informações que serão

disponibilizadas para o cérebro, uma vez que a retina só pode codificar as informações que

estão presentes nas imagens. Entretanto, a forma, o tamanho da pupila e o ajuste de foco são

também particularmente importantes se um animal tem olhos adaptados para usar sob

condições fotópicas, mesópicas ou escotópicas (Malmström & Kröger, 2006).

O sistema visual como um todo, independente do seu estágio de complexidade na

escala filogenética, apresenta-se como um importante componente do SNC que visa uma

integração do indivíduo com o meio. Trata-se de um sistema sensorial de grande importância

adaptativa e constitui um importante elo entre o animal e o ambiente em sua volta, refletindo

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15

profundas influências dos hábitos e estilos de vida nos mais diversos habitats (Walls, 1942;

Hughes, 1977; Peichl, 2005; Collin, 2008).

Nessa perspectiva, o olho funciona como canal de entrada, sendo um órgão bastante

complexo e do ponto de vista funcional, constituído por dois sistemas, que apesar de distintos,

possuem funções complementares: o primeiro, formado por um sistema óptico capaz de

dirigir a penetração dos raios luminosos, tornando possível a formação de imagens do

ambiente e o segundo, por um sistema sensorial, capaz de extrair informações da imagem

formada.

Fazem parte do sistema óptico, os elementos refrativos, as estruturas para

acomodação, a pupila e a hemisfera posterior do olho.

O sistema sensorial é representado pela retina, que organizada radialmente em

diferentes camadas morfofuncionais, é responsável pela recepção, análise inicial e

transmissão da informação para o encéfalo.

Diferentemente de outros órgãos sensoriais, a retina é derivada de uma porção do

mesmo ectoderma neural que origina o resto do sistema nervoso central, com o qual mantém a

conexão após migrar para a periferia (Graw, 1996). Além disso, a organização sináptica da

retina é similar àquela de outras regiões do cérebro, apresentando uma grande complexidade

funcional dentro de uma aparente simplicidade estrutural (Masland & Raviola, 2000). Sobre

esse tecido neural é projetada uma imagem do mundo externo, invertida e focada como numa

câmera fotográfica.

A retina dos vertebrados é uma extensão do encéfalo, um tecido neural sobre o qual é

mapeada uma imagem do ambiente visual de cada espécie particular. Cada ponto no espaço

visual corresponde a um ponto na retina neural a qual é retinotopicamente mapeada nos

centros visuais encefálicos (Hughes, 1977; Collin, 2008). A energia luminosa, ou imagem

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16

óptica, é transformada em impulsos elétricos, ou linguagem neural, através de uma rede

neuronal que se inicia a partir dos fotorreceptores e, através da participação direta das células

bipolares e da modulação feita por interneurônios (células horizontais, amácrinas e

interplexiformes), ativa as células ganglionares que conduzirão as informações para os

núcleos visuais encefálicos via nervo óptico (Wässle & Boycott, 1991; Wu, 1992;

Reichenbach & Robinson, 1995; Collin, 2008).

A análise topográfica da densidade das células ganglionares da retina proporciona

informações valiosas sobre a presença de especializações definidas pelo padrão de variação da

densidade. Estudos da topografia dessas especializações fornecem informações sobre a

localização de áreas de maior acuidade visual, e de como elas se relacionam com regiões do

campo visual de interesse para os hábitos de vida de cada animal (revisões em Hughes, 1977;

Ali, 1981; Collin, 1999, 2008). Medidas de espaçamento celular em regiões de pico de

densidade de fotorreceptores e de células ganglionares também possibilitam estimar o poder

de resolução espacial de cada especialização (Rolls & Cowey, 1970; Rodieck, 1973; Frisen &

Frisen, 1976; Collin & Pettigrew, 1988a, b; Collin & Pettigrew, 1989; Shand et al., 2000;

Miyazaki et al., 2002).

Dentre as especializações retinianas definidas pela distribuição das células

ganglionares destacam-se a fóvea e a area centralis. Ambas são regiões caracterizadas pela

alta densidade celular em relação a outras regiões da retina. A fóvea caracteriza-se por ser

uma depressão do tecido neural que se origina do afastamento centrífugo das camadas mais

internas de modo que a luz incide diretamente sobre os fotorreceptores. A area centralis é

uma região onde ocorre aumento concêntrico na densidade das células retinianas com um pico

de densidade pontual (Duke-Elder, 1958; Hughes, 1977; Collin, 1999).

Além de uma distribuição topográfica em forma de fóvea ou area centralis, também

foi descrita uma especialização retiniana em forma de faixa, caracterizada por uma variação

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baixa nos valores de densidade celular em um dos meridianos da retina, que foi designada de

faixa visual ou "visual streak". Chievitz (1889, 1891) e Slonaker (1897) apud Collin &

Pettigrew, 1988b, foram os primeiros a descrever, em vertebrados, uma região da retina em

forma de faixa. Estas regiões em forma de faixa muitas vezes estão associadas com um

espessamento da retina frequentemente observável sem o uso de microscópio óptico. Alguns

autores especulavam que estas áreas eram regiões que permitiam um poder de resolução

maior (Munk, 1970 apud Collin, 1999). Contudo, Walls (1942), sugeriu que estas poderiam

ser também áreas de sensibilidade aumentada.

Postulou-se então, que estas zonas em forma de faixa permitem ao animal

esquadrinhar o horizonte sem a necessidade de movimentos oculares significativos, os quais

são necessários para explorar uma imagem visual quando uma area centralis ou uma fóvea

estão presentes (Rowe & Stone, 1977; Tancred, 1981; Collin & Pettigrew, 1988a; Collin,

1999). A presença de uma faixa visual também possibilita a percepção de movimentos com

um limiar de sensibilidade menor. Em várias espécies de vertebrados, as especializações

retinianas em forma de faixa possuem uma representação desproporcionalmente grande no

tecto óptico, o que ressalta a sua importância funcional (Jacobsen, 1962; Heric & Kruger,

1965; Bravo & Pettigrew, 1981; Ito & Murakami, 1984; Collin & Pettigrew, 1988b; Collin,

1999)

1.2 O Processamento Visual e a estrutura interna da Retina

Desde a primeira sinapse, a retina origina diferentes caminhos de processamento

paralelo, que são especializados para diferentes parâmetros da informação visual, tais como

níveis de intensidade luminosa, cor, contraste, ou detecção de movimento, e que são mantidos

em paralelo por muitas etapas de processamento neural até a percepção consciente, a ser

obtida no neocórtex (Meister & Berry, 1999; Wurtz & Kandel, 2000; Wässle, 2004).

Page 19: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

18

Essa organização em rotas paralelas é feita por fibras do tracto óptico que terminam

em diferentes áreas subcorticais, tais como complexo geniculado lateral, pretecto, colículo

superior, núcleos do sistema óptico acessório, núcleo supraquiasmático e outras. Estas áreas

desempenham diferentes papéis no processamento visual e recebem informações de diferentes

tipos de células ganglionares retinianas (Wässle, 2004).

A retina de mamíferos, com uma espessura de aproximadamente 200 micrômetros,

contém cerca de 55 tipos morfológicos de células distribuídas entre as categorias de células

fotorreceptoras, células bipolares, células horizontais, células amácrinas/interplexiformes e

células ganglionares (Masland & Raviola, 2000; Masland, 2001a, b; Wässle, 2004). Seus

corpos celulares, prolongamentos e conexões sinápticas estão arranjados de forma laminar,

podendo-se distinguir na retina as seguintes camadas, a partir da superfície externa: (1) o

epitélio pigmentar (componente não neural) (PE); (2) a camada dos fotorreceptores (PL), que

contém os segmentos externos e internos dos cones e bastonetes; (3) a camada nuclear externa

(ONL), que contém os corpos celulares dos cones e bastonetes; (4) a camada plexiforme

externa (OPL), que contém os terminais axônicos dos cones e bastonetes e os dendritos das

células horizontais e bipolares; (5) a camada nuclear interna (INL), que contém os corpos das

células horizontais, bipolares e amácrinas; (6) a camada plexiforme interna (IPL), que contém

os terminais axônicos das células amácrinas e bipolares e dendritos das células ganglionares;

(7) a camada de células ganglionares (GCL), que contém os corpos das células ganglionares e

amácrinas deslocadas e (8) a camada de fibras ópticas (OFL), representada pelos axônios das

células ganglionares constituindo o nervo óptico, que se projeta para diversas áreas como

acima descrito.

As células ganglionares definem a resolução retiniana das imagens, as quais são

percebidas pelo sistema nervoso central e desempenham um importante papel no seu

comportamento. Assim, se por um lado a população de fotorreceptores determina o número

Page 20: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

19

máximo de pontos luminosos disponíveis na retina, as células ganglionares limitam a

proporção dessas informações enviando-as centralmente. O conhecimento da posição dos

olhos na cabeça e da distribuição de células retinianas possibilita identificar adaptações de

cada espécie ao seu campo visual, o qual é peculiar para cada estilo de vida dentro do nicho

ecológico que ele ocupa (Collin, 2008). A distribuição topográfica das células ganglionares

em cada espécie examinada vem a ser única, “uma impressão digital”, que reflete a simetria

de como o mundo é percebido e pode explicar comportamentos visuais, tais como movimento

dos olhos e adaptações para um aumento de resolução no campo visual ao longo de vários

eixos (revisão em Hughes, 1977; Collin, 1997; 1999; 2008).

Um subtipo específico de células ganglionares projeta diretamente para o núcleo

supraquiasmático (SCN) do hipotálamo (Moore et al., 1995; Provencio et al., 1998),

considerado o principal marcapasso circadiano em mamíferos, não estando envolvidas com o

sistema formador de imagens. Investigações recentes confirmam que estas células

ganglionares podem ser diretamente fotossensíveis podendo atuar como fotorreceptores

circadianos (Bellingham & Foster, 2002; Hannibal et al., 2002; Paul et al., 2009).

Além dos tipos neuronais que formam as camadas da retina, há também as células de

Müller, células gliais radiais que abrangem toda a profundidade da retina neural e representam

o principal tipo de células da glia presente na retina de todas as espécies de vertebrados.

Assim como outras células da glia, as células de Müller expressam uma grande variedade de

canais iônicos voltagem dependentes, além de vários tipos de receptores, incluindo receptores

de GABA (Malchow et al., 1989; Reichelt et al., 1996) e de glutamato (Schwartz, 1993). As

células de Müller atuam sustentando, nutrindo e isolando os neurônios da retina, bem como

interferindo na comunicação entre as camadas plexiforme externa e plexiforme interna

(Cormack, 2003).

Page 21: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

20

As células de Müller, controlando a concentração de substâncias neuroativas no

espaço extracelular, podem modular significativamente a atividade neuronal. Uma redução na

captação de glutamato ou GABA, pode levar a um aumento da transmissão sináptica. O

acúmulo de K+ no espaço extracelular, resulta de uma redução na remoção de K

+ pelas células

de Müller, o que leva a uma excitabilidade neuronal. Variações no pH também podem

modular a atividade neuronal. Mesmo a pequena despolarização induzida por acidificação

extracelular gerada pelas Células de Müller podem ter um efeito inibitório dramático na

transmissão sináptica. Por exemplo: uma acidificação de 0,05 unidades do pH na retina da

Salamandra, produz uma redução de 24% na transmissão sináptica entre fotorreceptores e

neurônios de segunda ordem (Barnes et al., 1993; Newman & Reichenbach, 1996).

É interessante notar que a luz atravessa todas essas camadas a partir da camada de

células ganglionares, até alcançar os fotorreceptores.

1.3 O Epitélio Pigmentar

O epitélio pigmentar, sobre o qual repousa a camada mais externa da retina, impede a

dispersão de fótons que não tenham sido capturados pelos fotorreceptores. Esse epitélio tem

várias outras funções de suporte para a retina: é parte integrante de uma barreira hemato-

retiniana, e junto com a membrana de Brush promove seletividade no controle do transporte

de íons, nutrientes e metabólitos entre a retina e os capilares fenestrados da coróide (Bharti et

al., 2010). O epitélio pigmentar também desempenha uma importante função no ciclo visual.

A visão começa com a fotoconversão da opsina 11-cis-retinal em todo-trans, levando a uma

mudança na conformação, liberação e início da cascata de fototransdução que culmina com a

conversão de luz em sinais elétricos. Através de uma série de passos, todo trans retinal é

transportado para o epitélio pigmentar, re-isomerizado pela isomerase RPE65, e transportada

de volta para os fotorreceptores (Cai et al., 2009). O retinal é reciclado e torna-se então

Page 22: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

21

disponível para ser reutilizado pelos fotorreceptores. Considerando que a luz danifica

segmentos externos dos fotorreceptores por meio da fotoxidação de lipídios, lipoproteínas e

outras moléculas, existe uma necessidade contínua de renovação dos segmentos externos, e é

exatamente o que ocorre. A cada dia, os segmentos externos adicionam cerca de 10% de

comprimento na sua base e o epitélio pigmentar remove de sua porção mais apical (Bharti, et

al., 2010).

1.4 Fotorreceptores

No século XIX, Müller (1872) constatou a existência de dois diferentes tipos de

fotorreceptores em mamíferos, baseado principalmente em sua forma e prevalência quanto a

atividade diurna ou noturna do indivíduo. As duas classes foram denominadas bastonetes e

cones, "Stäbchen" e "Zapfen" (Schultze, 1866), apud Ahnelt & Kolb, 2000. Eles foram

associados com visão escotópica e fotópica respectivamente, e este dualismo de

fotorreceptores foi considerada ser uma característica geral de todas as retinas de vertebrados

(Ahnelt & Kolb, 2000). Esses fotorreceptores clássicos são células alongadas que apresentam

os segmentos externos direcionados para a região posterior do globo ocular, onde estão

envolvidos por epitélio pigmentar. A estrutura geral dos bastonetes e dos cones é similar. Eles

são compostos de quatro partes: um segmento externo contendo a substância fotossensível

(pigmento), um segmento interno, um corpo celular, e um terminal sináptico (pedículo).

Bastonetes e cones humanos estão dentro de um típico padrão geral de vertebrados, sendo que

bastonetes são mais sensíveis a luz de baixa intensidade. A visão periférica depende quase

exclusivamente de bastonetes. Já a visão central, depende principalmente de cones. Sob

baixos níveis de intensidade luminosa, a visão depende unicamente dos bastonetes (visão

escotópica) e o processamento das cores não é possível, porque os sinais provenientes de um

único detector, o bastonete, não podem ser diferenciados entre modulações espectrais. Os

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22

cones são menos sensíveis à penumbra, mas são sensíveis à cor. Estudos comparativos

destacam que além do pigmento específico de bastonetes, a rodopsina, há quatro diferentes

famílias de pigmentos de cones, espectralmente distintas: uma classe sensível ao comprimento

de onda longa a média (L), maximamente sensível a região do espectro que vai do verde ao

vermelho (490 – 570 nm), uma classe sensível ao comprimento de onda média (M) que

corresponde ao verde (480 – 535 nm), uma classe sensível ao comprimento de onda curta (S)

que compreende do azul ao violeta (410 – 490 nm), e uma segunda classe S, de onda curta

sensível ao ultra-violeta (355 – 440 nm). Embora alguns pássaros e peixes possuam até 5 tipos

de cones, entre os mamíferos, apenas humanos, alguns macacos e marsupiais australianos são

tricromatas, ou seja, possuem três classes espectrais de cones. (Jacobs, 2002; 2008; Peichl,

2005; Bowmaker, 2008).

O comprimento de onda para o qual os bastonetes e os cones são mais sensíveis

depende das características de absorção do pigmento visual que eles contêm (rodopsina, ou

uma das quatro diferentes opsinas de cone). O pigmento visual é uma molécula encontrada no

segmento externo dos fotorreceptores, que é arranjado em discos membranosos. Nos cones, os

discos são contínuos com a membrana plasmática, enquanto nos bastonetes eles se

desprendem da membrana plasmática e tornam-se organelas intracelulares. Como outros

neurônios, os fotorreceptores não se dividem, mas seus segmentos externos são

constantemente renovados (Tessier-Lavigne, 2000). Os pigmentos visuais consistem de uma

grande proteína, a opsina, e um aldeído que absorve a luz, o retinal, o qual altera sua

configuração quando ativado por um comprimento de onda específico de luz e deflagra uma

cascata de eventos que eventualmente leva a hiperpolarização do potencial de membrana. No

escuro, a concentração da molécula de segundo mensageiro o guanosina 3’-5’ monofosfato

cíclico (GMPc) é alta, e abre canais iônicos dependentes de GMPc levando a uma corrente

constante para dentro, que mantém a célula despolarizada a -40 mV (corrente de escuro). A

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transdução da luz leva a uma redução do GMPc e assim à hiperpolarização da célula.

Fotorreceptores são sensíveis a pequenas alterações na iluminação. Alterações prolongadas ou

lentas da iluminação levam à adaptação à luz, que é regulada pelas alterações da concentração

de cálcio. Bastonetes adaptados ao escuro são tão sensíveis à luz, que podem detectar um

único fóton. Sob a detecção de um fóton, o potencial de membrana hiperpolariza, e diminui a

liberação de glutamato em suas sinapses.

Os cones respondem aos estímulos luminosos com hiperpolarização graduada e

liberam o glutamato no seu terminal sináptico especializado denominado de pedículo. A

liberação do glutamato é alta em condições de escuro e é reduzida pela luminosidade

(Haverkamp et al., 2000).

O pedículo de cone é provavelmente a sinapse mais completa no sistema nervoso

central. Contém aproximadamente entre 20 e 50 fitas, e cada uma delas é flanqueada por

vesículas sinápticas. Invaginações nessas tiras possibilitam que sejam inseridos dendritos de

células horizontais e de células bipolares de cone do tipo ON. Os contatos das células

bipolares de cone do tipo OFF, são localizados na base dos pedículos de cones (Wässle,

2004). Cada pedículo de cone faz mais de 500 contatos. Embora haja um número menor de

células pós- sinápticas, cada uma delas recebe múltiplos contatos. Dois tipos de células

horizontais e oito tipos de células bipolares de cones estão sempre envolvidos com cada

pedículo de cone. Dessa forma, na primeira sinapse da retina, a informação luminosa é

distribuída para múltiplas vias (Wässle, 2004).

Os pedículos de cones L e M se acoplam aos seus vizinhos imediatos e às esférulas

dos bastonetes (os terminais sinápticos dos bastonetes) através de junções comunicantes,

realizando sinapses elétricas. Os pedículos de cone S são apenas esparsamente acoplados

(Feigenspan et al., 2004; Hornstein et al. 2004; Li & DeVries, 2004; O'Brien et al., 2004).

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24

Esses acoplamentos possibilitam que seja aumentada a resposta ao estímulo luminoso (Lamb

et al., 1976).

Os terminais sinápticos dos bastonetes contêm apenas uma zona ativa com uma

sinapse em fita e uma invaginação. A invaginação apresenta dois tipos de processos pós

sinápticos: dendritos de células horizontais e dendritos de células bipolares. As espículas

dendríticas das células horizontais penetram profundamente na invaginação dos bastonetes

para aproximar seus receptores glutamatérgicos do local de liberação das vesículas sinápticas.

Os dendritos de duas ou mais células bipolares penetram na invaginação, mas estão longe do

local de liberação das vesículas sinápticas (Rao-Mirotznik et al., 1995).

Dos terminais sinápticos de cones e bastonetes, os sinais são transferidos para as

células bipolares e células horizontais. As células horizontais proporcionam interações laterais

na OPL. Um tipo de célula bipolar associada a bastonetes e pelo menos nove tipos de células

bipolares associadas cones, transferem os sinais luminosos para a IPL, onde estes sinais

podem interagir com dendritos de células amácrinas e células ganglionares (Wässle, 2004).

O desenvolvimento de anticorpos contra opsinas de bastonetes e cones abriu o

caminho para identificar a população de bastonetes e as subpopulações de cones,

possibilitando estudar as suas distribuições através da retina. Mesmo assim, é importante

destacar que apenas os anticorpos contra a opsina S marcam seletivamente os segmentos

externos dos cones que a contêm, uma vez que, dada a proximidade estrutural entre as opsinas

de cones M e L, não foi possível desenvolver anticorpos seletivos para cada um deles (Ahnelt

& Kolb, 2000).

1.5 Células horizontais

Como população neural, as células horizontais são bastante simples. A grande maioria

dos mamíferos possui dois tipos de células horizontais e ambas promovem feedback para

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cones ou bastonetes. Entretanto, alguns roedores possuem apenas um tipo e já tem sido

proposto um terceiro tipo em alguns animais (Masland, 2012). A despeito de algumas

variações em sua morfologia, as células horizontais parecem seguir um plano bastante simples

(Müller & Peichl, 1993; Peichl et al., 1998). Elas promovem feedbacks inibitórios para cones,

bastonetes e possivelmente para os dendritos das células bipolares, embora ainda haja

controvérsia (Hermann et al., 2011). A interpretação principal desta função é que ela fornece

um mecanismo de controle de ganho local para a retina. As células horizontais são

moderadamente espalhadas lateralmente, se acoplam por junções comunicantes e medem o

nível médio de iluminação que cai sobre uma região da superfície da retina. Elas então

subtraem um valor proporcional de saída dos fotorreceptores, o que serve para manter o sinal

de entrada para a circuitaria da retina interna dentro de uma determinada faixa, o que vem a

ser uma função extremamente útil no mundo natural, onde uma cena pode conter objetos

individuais com brilhos que variam em várias ordens de magnitude. O sinal que representa o

brilho mais intenso poderia trazer um problema para a retina, da mesma forma como o brilho

de um objeto numa sala escura satura o filme de uma câmera, impossibilitando fotografar o

objeto brilhante e ao mesmo tempo a parte mais escura (Masland, 2012).

Tradicionalmente aceita-se que as células horizontais acentuam o contraste entre as

regiões mais claras com as mais escuras adjacentes (Masland, 2001). A excitação de um cone

central provoca retroalimentação de inibição tanto do cone excitado, como dos que se

encontram situados no entorno. Como tanto o cone central quanto os seus vizinhos

transmitem um sinal para a retina interna, o resultado é que um pequeno estímulo excita

aquelas células ganglionares que se situam diretamente sob o estímulo, mas inibe as células

ganglionares vizinhas. Esta é a clássica organização “centro-periferia”, em que uma célula

ganglionar é excitada ou inibida por estímulos que caem em seu centro do campo receptivo,

enquanto a estimulação da região circundante tem um efeito oposto (Masland, 2001).

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Adicionalmente, as células horizontais ajustam a resposta do sistema para um nível total de

iluminação – elas medem a iluminação através de um campo bastante amplo e dele subtraem

o sinal que é transmitido para a retina interna acerca de uma imagem local. Com efeito, isto

reduz a redundância do sinal transmitido para a retina interna. A luminância média através de

uma grande região da retina é compartilhada por muitos cones e contém pouca informação.

Quando um estímulo local ocorre, ele excede ou cai abaixo da média; a ocorrência deste

evento local é o principal sinal transmitido para a retina interna (Masland, 2001). Bastonetes

recebem um tipo separado de retroalimentação de células horizontais, realizado por uma

especialização de uma célula horizontal que contata cones (a célula horizontal do tipo b/H2).

Um processo axonal de uma mesma célula que contata cones contata também bastonetes a

uma maior distância do seu soma (Nelson et al., 1975). O sistema de retroalimentação de

bastonetes é assim isolado do sistema de cones, sensivelmente porque as faixas de brilho

cobertas por bastonetes e cones são bastante diferentes. Esta pode ser uma das consequências

da evolução tardia dos bastonetes, o que lhes permite ter uma retroalimentação independente

pelas células horizontais, sem a criação de um outro tipo de célula horizontal (Masland,

2001a, b).

Na porção superior da INL, estão localizados os corpos da células horizontais, embora

seus processos realizem sinapses exclusivamente na OPL. As sinapses pelas quais as células

horizontais promovem os seus sinais de feedback parecem ser tanto mecanismos

convencionais como não convencionais e dessa forma constituem um importante objeto de

investigação (Hirano et al., 2005; Jackman et al., 2011; Klaassen et al., 2011). Contudo,

considerando como populações morfológicas, as células horizontais são bastante simples. Elas

podem ser marcadas com vários marcadores como calbindina, calrretinina e calmodulina

(Cuenca et al., 2002) em diferentes animais e também podem ser quantitativamente mapeadas

através da superfície da retina em muitas espécies (Collin, 2008).

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27

As células horizontais se comunicam umas com as outras através de junções

comunicantes. A força desta comunicação varia em estados funcionais e é modulada pela

dopamina secretada por células amácrinas (Weiler et al., 2000).

1.6 Células bipolares

É tarefa das células bipolares transferir as informações recebidas dos fotorreceptores

para as células amácrinas e ganglionares. Modernas técnicas anatômicas, sustentadas por

evidências fisiológicas, indicam que atualmente existem 12 diferentes tipos de células

bipolares (Masland, 2012), sendo uma especificamente para bastonetes e onze que recebem

informações primárias apenas de cones na retina de mamíferos (Wässle et al., 2009). A

exceção fica por conta de um tipo de célula bipolar especializada, que contata seletivamente

cones sensíveis a um comprimento de onda curto, os cones S. Simetricamente, algumas

células bipolares evitam os terminais de cones azuis. De qualquer modo, a regra central que

predomina na organização funcional e estrutural da retina é que cada célula bipolar contata

todos os terminais de cones dentro da propagação da arborização dendrítica. Essa é uma regra

geograficamente simples (Masland, 2012).

Funcionalmente, contudo, este arranjo permite uma complexidade mais ampla.

Ajustando as características das sinapses cone-bipolares, cada tipo de célula bipolar pode

transmitir uma análise diferente da saída do cone. Células bipolares expressam distintos tipos

de receptores, canais iônicos e sistemas de sinalização intracelular. Esta via direta sugere que

cada uma dessas células possui uma fisiologia particular. Consequentemente acredita-se que

cada um dos doze tipos anatomicamente distintos de células bipolares que contatam um

determinado cone transmita para a retina interna um diferente componente extraído daquele

cone.

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28

De acordo com sua resposta à luz, as células bipolares podem ser divididas em ON e

OFF (Kolb & Nelson, 1995; Euler et al., 1996; Hartveit, 1997; DeVries, 2000). Células

bipolares ON respondem mais fortemente se o estímulo é mais brilhante do que o background

e células bipolares OFF respondem mais fortemente se o estímulo é mais escuro que o

background. Os axônios das células bipolares ON e OFF terminam em diferentes níveis na

IPL, que pode ser dividida em 5 subcamadas. Os terminais axonais das células do tipo ON são

mantidos na metade mais interna da IPL, enquanto as bipolares OFF tem seus terminais na

metade mais externa (Famiglietti et al, 1977; Nelson et al., 1978).

Essa dicotomia funcional é o resultado da expressão de diferentes receptores

glutamatérgicos (GluRs) nas sinapses entre fotorreceptores e dendritos de células bipolares

(Nomura et al., 1994; Brandstätter et al., 1997; DeVries, 2000; Hack et al., 1999, 2001;

Haverkamp et al., 2001; Wässle et al., 2009).

Similarmente, a distinção entre células bipolares sustentadas e transientes é causada

pelas expressões "rápida ou lenta" inativação dos receptores glutamatérgicos (Awatramani &

Slaughter, 2000; DeVries, 2000). Isso cria quatro classes de células bipolares: ON-sustentada,

ON-transiente, OFF-sustentada e OFF-transiente. Os diferentes tipos estruturais/moleculares

das células bipolares mostram uma grande diversidade de formas de onda de resposta, em

resposta à luz. Além da simples dimensão tônica versus fásica, estas respostas apresentam

complexas misturas de ambas (Wu et al., 2001).

Seguindo a via vertical excitatória de cone para célula bipolar e para célula ganglionar,

há dois estágios de inibição lateral. As células horizontais proporcionam informações

inibitórias tanto para pedículos de cone quanto para dendritos de células bipolares (Werblin &

Dowling, 1969; Kamermans et al., 2001; Hirasawa & Kaneko, 2003) e as células amácrinas

podem conduzir informações tanto de volta para os terminais axonais das células bipolares,

como para diante, para os dendritos de células ganglionares.

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29

Além da divisão em ON e OFF, a maior parte das células bipolares é classificada

como células bipolares difusas (DB). São células que realizam entre e 5 e 10 sinapses com

vários cones, e possuem uma arborização dendrítica e axonal bastante ampla. As células DB1,

DB2 e DB3 são células bipolares do tipo OFF, enquanto as células DB4, DB5 e DB6 são

células bipolares do tipo ON (Cohen & Sterling, 1990a; b; Boycott & Hopkins, 1991;

Boycott, Wassle, 1991; Calkins et al., 1994; Calkins & Sterling, 1996).

As células bipolares de bastonetes recebem informações dos bastonetes e conduzem

essas informações para um tipo de neurônio denominado célula amácrina AII, a qual por sua

vez realiza sinapses com terminais de células bipolares de cones e estes com células

ganglionares. Provavelmente esse arranjo seja decorrente da evolução tardia dos bastonetes

(Masland, 2001). Assim sendo, a via de bastonetes utiliza a circuitaria de cones pré-existente,

de tal forma que o complexo circuito da retina interna não precisou ser reinventado para a via

de bastonetes (Masland, 2001).

1.7 Células amácrinas

As células amácrinas ocupam um importante lugar na circuitaria da retina e

consequentemente no processamento da informação visual. Elas constituem cerca de 40% de

todos os neurônios da INL das retinas de mamíferos (Strettoi & Masland, 1995; Jeon et al.,

1998) e participam de 64 a 87%, dependendo da espécie, de todas as sinapses na IPL (Raviola

& Raviola, 1982). No macaco, 50 a 70% de todas as sinapses sobre as células ganglionares da

retina são intermediadas pelas células amácrinas (Jacoby et al., 1996). Com base em estudos

usando o método de Golgi e, posteriormente, o método de “photofilling” baseado em

fluorescência (MacNeil & Masland, 1998) foram identificados 29 tipos morfológicos de

células amácrinas na retina do coelho (MacNeil et al., 1999). Células amácrinas parecem

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30

explicar disparos sincronizados entre as células ganglionares. Entrada compartilhada de uma

célula amácrina comum tende a produzir disparo uníssono das células ganglionares. A

correlação cruzada é ampla, se mediada por sinapses químicas e mais limitada se mediada por

junções comunicantes, sabidamente existentes entre células amácrinas e ganglionares (Vaney,

1994). Tem sido proposto que o disparo correlato entre células ganglionares representa uma

forma de multiplicação de sinal, que poderia expandir a capacidade de condução da

informação pelo nervo óptico (Masland, 2001a, b).

Muitas células amácrinas são neurônios sem axônios, e a falta de uma clara polaridade

dificulta o reconhecimento de suas entradas e saídas. Por conta de suas múltiplas

conectividades, elas são difíceis de conceituar. Elas retroalimentam as células bipolares que as

dirigem, fazem sinapses com as células ganglionares e também com outras células amácrinas

(Dowling & Boycott, 1966; Eggers & Lukasiewicz, 2011, Jusuf et al., 2005; Lin et al., 2000).

Sua grande diversidade estrutural termina por desencorajar determinadas pesquisas, mas

apesar de tudo, algum progresso está sendo feito, especialmente nos casos onde uma célula

amácrina é estruturalmente distinta ou pode ser geneticamente marcada (Masland, 2012).

Dos diversos tipos morfológicos de células amácrinas, alguns têm papéis específicos,

bem definidos. Assim, a célula amácrina AI é uma célula em espícula com uma árvore

dendrítica de campo médio e processo tipo axônio amplamente difuso, que atravessa grandes

distâncias através da retina. Devido a sua geometria, estas são células centrífugas, que enviam

ondas de inibição através da retina em um padrão radial (Stafford & Dacey, 1997; Taylor,

1996; Cook & Werblin, 1994; Masland, 2001a). Elas podem estar relacionadas com efeitos de

mudança e oscilação de longo alcance (Masland, 2001a). A célula amácrina AII funciona

como uma ponte entre a via de bastonete e as células ganglionares, ou seja, recebe

informações de células bipolares de bastonete, estabelece contato com os terminais das células

bipolares de cone e, a partir destas, com as células ganglionares, evidenciando que a via de

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bastonete surgida filogeneticamente mais tarde utiliza a já existente rede de cones. Um grupo

de células amácrinas catalogadas como A17 (Menger & Wässle, 2000) sustentam uma sinapse

de retroalimentação recíproca sobre as células bipolares de bastonetes. Elas recebem

informações de células bipolares de bastonete e imediatamente enviam de volta um sinal

GABAérgico inibitório. Este retorno inibitório das células amácrinas GABAérgicas sobre os

terminais axônicos das células bipolares é um importante fator que contribui para modificar a

faixa dinâmica das células bipolares (Euler & Masland, 2000), aumentando a fidelidade da

informação transmitida pelas células bipolares de bastonetes (Grimes et al., 2010; Sandell et

al., 1989). Essa é a principal tarefa das células A17 e talvez a única, devendo-se considerar

inclusive, que a atividade das células A17 são irrelevantes para eventos que ocorrem à luz do

dia (Masland, 2012).

Outra célula amácrina bastante especializada, descoberta recentemente na retina do

esquilo, cria uma propriedade de campo receptivo específico em um tipo único de células

ganglionares (Chen & Li, 2012; Sher & DeVries, 2012). Uma célula ganglionar ON–azul é

bem conhecida: ela é excitada pelas células bipolares ON–azul, que seletivamente contactam

cones azuis. Registros eletrofisiológicos encontraram uma célula ganglionar OFF–azul,

inibida quando o estímulo se situa na extremidade do espectro de comprimento de onda curto.

Como isso pode ocorrer se a única via através da retina é a bipolar ON–azul, conduzindo um

sinal excitatório? A resposta é que uma amácrina específica é dirigida diretamente pela célula

bipolar ON–azul. A célula amácrina, assim como basicamente todas as células amácrinas, é

inibitória para suas parceiras pós-sinápticas. Quando excitada pela célula bipolar ON–azul,

esta célula amácrina realiza uma inversão de sinal: ela inibe a célula ganglionar sobre a qual

realiza a sinapse e isso cria uma célula ganglionar que é seletiva ao estímulo azul pela

diminuição do disparo, ou seja, uma célula ganglionar OFF–azul (Masland, 2012).

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32

Há ainda as células amácrinas “starburst”. Estas células parecem estar intimamente

associadas com um circuito computacional particular. Elas arborizam em finos estratos dentro

da camada plexiforme interna, onde fazem sinapses colinérgicas excitatórias sobre

determinadas células ganglionares, notadamente aquelas particularmente sensíveis a estímulos

em movimento. Por ação sobre as células ganglionares do tipo excitação e/ou inibição,

considerando que estas células liberam acetilcolina e GABA (O’Malley et al., 1992), elas são

importantes para selecionar direção (Yoshida et al., 2001; Masland, 2001a, b; Masland &

Raviola, 2000; Wässle, 2004).

O corpo das células amácrinas pode estar localizado tanto na INL como na GCL. As

células amácrinas localizadas na GCL são denominadas células amácrinas deslocadas, e

podem ser facilmente distinguidas das células ganglionares por seu pequeno soma e pela

ausência de axônios que projetam para o cérebro. A primeira evidência que células pequenas

na GCL são neurônios e não células da glia foi apresentado por Hughes & Wieniawa-

Narkiewicz (1980) para a retina de gatos. Desde então, a morfologia e padrão de arborização

das células amácrinas deslocadas tem sido examinados: seis tipos de células amácrinas

deslocadas foram identificadas na retina de rato (Perry & Walker, 1980), 11 tipos no

porquinho da índia (Kao & Sterling, 2006), 4 na retina de gatos (Wässle et al., 1987a) e 11

tipos na retina de camundongos (Gustincich et al., 1997; Badea & Nathans, 2004; Lin &

Masland, 2006).

As Células amácrinas deslocadas compreendem entre um e dois terços de todos os

neurônios presentes na GCL (Perry & Walker, 1980; Hughes & Vaney, 1980; Hughes &

Wieniawa-Narkiewicz, 1980; Linden & Esbérard, 1987; Abreu et al., 1993; Jeon et al., 1998)

e compreendem vários diferentes tipos celulares (Perry & Walker, 1980; Wässle et al., 1987a;

Völgyi et al., 2001; Badea & Nathans, 2004; Kao & Sterling, 2006). Embora células

amácrinas deslocadas tenham sido encontradas em quase todas as retinas de vertebrados, a

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proporção de neurônios da GCL que são células amácrinas difere de espécie para espécie.

Correspondem aproximadamente a um terço na retina de coelho (Hughes & Vaney, 1980;

Vaney, 1980) e salamandra (Zhang et al., 2004); 40% na retina de hamster (Linden &

Esbérard, 1987); 50% na retina de rato (Perry & Walker, 1980), porquinho da índia (Kao &

Sterling, 2006), esquilo (Abreu et al., 1993); e 75–80% na retina periférica de gato (Hughes &

Wieniawa-Narkiewicz, 1980; Wässle et al., 1987a) e humana (Curcio and Allen, 1990). Na

retina de camundongos, as células amácrinas correspondem a 59% dos neurônios na GCL

(Jeon et al., 1998; Müller et al., 2007).

Várias observações sugerem que as células amácrinas deslocadas provavelmente têm

papéis modulatórios no processamento visual. Células amácrinas com pequeno campo

dendrítico podem estar envolvidas no caminho direto do fluxo de informações, enquanto as

células com maiores campos dendríticos são moduladoras, com uma influência indireta na

transmissão de informações (Masland, 1988). Assim, embora existam muitos diferentes tipos

de células amácrinas na GCL, as células starbust representam a grande maioria (Vaney et al.,

1981), novamente sugerindo um papel modulatório no processamento visual (Masland, 1988;

Müller et al., 2007).

1.8 Células ganglionares

As células ganglionares da retina têm seus dendritos na camada plexiforme interna e

seus corpos celulares especialmente na camada de células ganglionares e alguns na camada

nuclear interna. Seus axônios se projetam através da superfície interna da retina em direção ao

disco do nervo óptico, onde ele é formado. Os diferentes padrões de resposta das células

ganglionares podem ser identificados por registros de microeletrodos. Células ganglionares

têm características de resposta de centro “ON” e centro “OFF”. Dentro de cada subgrupo há

cinco a sete tipos celulares adicionais. Suas propriedades variam com respeito às dinâmicas

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34

temporais (tônica ou fásica), tamanho do campo receptivo, sensibilidade de contraste e sua

capacidade de detectar direção de movimento.

Atualmente, considera-se que ~20 tipos de células ganglionares cobrem a retina

(Masland, 2012). A identificação dos diferentes tipos morfológicos, ocorre através do estudo

com marcadores retrógrados que são injetados nos alvos encefálicos ou mesmo pela aplicação

de marcadores seletivos para populações específicas. No gato por exemplo, 3% das células

ganglionares possuem grandes corpos celulares, arborização dendrítica ampla e esparsamente

ramificadas, são denominadas de células alfa, e são imunomarcadas contra neurofilamentos.

A ramificação dendrítica e a densidade das células alfa mostram uma relação inversa

através da retina: a grande arborização dendritica e a baixa densidade celular ocorre nas

regiões mais periféricas da retina enquanto na região central, há uma grande densidade celular

com pequena arborização dendrítica.

As células alfa, provavelmente possuem o axônio mais espesso de todas as células

ganglionares da retina e se projetam para vários centros visuais subcorticais, com a ocorrencia

de registro desse tipo celular na retina de todos os mamíferos estudados, como gato, furão,

coelho, porquinho da índia, camundongo, rato e bovinos (Peichl, 1991), e têm como prováveis

homólogas na retina de primatas as células ganglionares magnocelulares (células M). As

células tipo alfa (ou M primata) também correspondem ao tipo “brisk-transient” ou célula Y

dos fisiologistas (Wässle & Boycott, 1991). Um outro tipo de célula ganglionar descrito na

retina do gato é a célula beta. Mesmo não existindo um marcador imunohistoquímico seletivo

para as células beta, elas podem ser marcadas retrogradamente por injeção de traçadores no

núcleo geniculado lateral, quando produzem o mosaico de corpos celulares. As células beta

são o tipo mais frequente na retina do gato, compreendendo cerca de 50% de todas as células

ganglionares e representam, devido a sua alta densidade e pequena árvore dendrítica, o

sistema de acuidade das células ganglionares do gato. Elas também foram descritas nas retinas

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35

de outros mamíferos, como cão, furão, coelho e camundongo (Peichl, 1991) e têm como

prováveis homólogas na retina de primatas as células ganglionares parvocelulares (células P).

As células tipo beta (ou P primata) correspondem ao tipo “brisk-sustained” ou células X dos

fisiologistas (Wässle & Boycott, 1991). Células ganglionares parvocelulares são o tipo de

célula ganglionar mais frequente na retina de primatas, correspondendo a cerca de 70–80%

(Kolb & Marshak, 2003), e na retina central seus campos dendríticos são extremamente

pequenos, de tal modo que elas contatam uma única célula bipolar parvocelular, a qual é

conectada a um único cone (Kolb & Marshak, 2003). Dessa forma, elas representam o sistema

de acuidade da retina de primatas e são as células ganglionares seletivas para cones L–M

(Dassey, 1993; Wässle, 2004).

Entre as células ganglionares, fisiologicamente são encontrados os tipos centro

ON/periferia OFF e centro OFF/periferia ON, classicamente descritos (Wässle & Boycott,

1991). A maioria de todas as retinas de mamíferos contém uma célula ganglionar azul–ON, a

qual recebe a saída das células bipolares de cone azul. Em primatas, outras variantes

morfológicas foram identificadas, porém ainda não caracterizadas fisiologicamente. No

coelho, uma célula ganglionar bi-estratificada é a célula direcionalmente seletiva ON–OFF.

Uma célula monoestratificada, algumas vezes denominada célula delta é a célula seletiva de

direção tipo ON, que se projeta para o sistema óptico acessório e fornece um sinal de erro

para a velocidade do olho no nistagmo optocinético. Uma célula pequena, não estratificada,

corresponde ao detector de borda local descrita nos estudos eletrofisiológicos clássicos

(Wässle & Boycott, 1991; Masland, 2001a, b). Um tipo de célula ganglionar, grande, tem

respostas tônicas à luz e se projeta para a área pré-tectal e o núcleo supraquiasmático, estando

relacionado com o controle da pupila e regulação circadiana (Lucas et al., 2001; Gooley et al.,

2001; Bellingham & Foster, 2002). Curiosamente, estas células se revelaram serem

diretamente fotossensíveis pela presença do pigmento melanopsina, o qual pode ser

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36

identificado através de imunoistoquímica (Lucas et al., 2001; Berson et al., 2002; Berson,

2003; Gooley et al., 2003).

Cada um dos tipos de células ganglionares provê cobertura completa da retina com

suas árvores dendríticas, o que tem consequências importantes para o processamento visual na

retina. Um feixe de luz projetado sobre a retina – após transdução nos fotorreceptores e

transferência para a camada plexiforme interna pelas células bipolares – pode estimular pelo

menos uma célula ganglionar de qualquer tipo. Como os diversos tipos de células

ganglionares são dedicados a processar diferentes aspectos deste feixe de luz (contraste,

tamanho, movimento, comprimento de onda e outros), a informação contida no feixe de luz é

canalizada em canais paralelos (Wässle, 2004).

É interessante destacar que os dendritos dos diferentes tipos de células ganglionares

estratificam em diferentes níveis da camada plexiforme interna, sem superposição. Dentro dos

respectivos estratos elas encontram os terminais axônicos das células bipolares e os processos

das células amácrinas que elas necessitam contactar. Embora na retina de primatas as células

ganglionares do tipo magnocelular (M) e parvocelular (P) sejam predominates e representem

juntas 80% do total, as demais células ganglionares também estão presentes, seguindo o

padrão geral de mamíferos com vários tipos de células ganglionares (Masland, 2001a, b;

Dacey et al., 2003; Wässle, 2004; Abbot et al., 2012).

1.9 Opsinas na evolução de mamíferos

A molécula fotossensível de rodopsina e seus correlatos consiste de uma porção protéica

- uma opsina - e uma porção não protéica, o cromóforo. As opsinas são proteínas acopladas a

uma proteína G em animais, e mais de mil foram identificadas até agora. A análise detalhada

da árvore filogenética molecular mostra que a família de opsinas é dividida em sete

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37

subfamílias, as quais correspondem a uma classificação funcional que tem como parâmetro o

tipo de proteína G acoplada a receptores. As subfamílias são as seguintes: a subfamília

acoplada a transducina visual de vertebrados e a opsinas não visuais, a subfamília neuropsina,

a subfamília da opsina encefalopsina, a subfamília da opsina melanopsina, acoplada a uma

proteína Gq, a subfamília de opsinas acopladas a proteína Go, a subfamília peropsina e a

subfamília fotoisomerase retinal. As subfamílias diversificaram inicialmente em

deuterostômios (incluindo vertebrados) e protostômios (maioria dos invertebrados), sugerindo

a existência de um ancestral comum animal para essas opsinas. As opsinas têm uma estrutura

sete alças transmembrana similar aquelas de outras proteínas G acopladas a receptores de

membranas, mas se distinguem por apresentarem um resíduo de lisina, que é um sítio de

ligação da retina na sétima hélice. Evidências acumuladas sugerem que muitas opsinas atuam

como pigmentos que ativam proteínas G, de forma dependente de luz tanto em sistemas

visuais como não visuais, enquanto poucas servem como fotoisomerases, gerando o

cromóforo usado por outras opsinas, e algumas opsinas têm função ainda desconhecida

(Terakita, 2005).

Antes da separação de protostômios e deuterostômios, uma opsina primordial estava

dividida em três ramos principais: um ramo rabdomérico, um ramo fotoisomerase e um ramo

ciliar. Em vertebrados, os dois primeiros ramos originaram a melanopsina, que é expressa nas

células ganglionares da retina e o ramo ciliar tem dado origem a muitas opsinas, as quais são

expressas no complexo pineal, na retina e em outras regiões mais profundas do cérebro.

Todos esses ramos de opsinas da retina de vertebrados só foram elucidados em 1992 por

Shichida e colaboradores, que deduziram que as quatro classes de pigmentos dos cones

estavam presentes antes da evolução do pigmento dos bastonetes, a rodopsina (Lamb et al.,

2007).

Page 39: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

38

1.10 Sistemas paralelos de transmissão dos níveis de intensidade luminosa: vias ON

e OFF

O primeiro estágio de processamento neuronal que percebe a informação de luz e extrai

diferentes características, as quais são então processadas em paralelo e projetadas da retina em

direção ao cérebro, é realizada por quatro principais tipos de neurônios: células horizontais,

células bipolares, células amácrinas e células ganglionares. É tarefa das células bipolares

projetar as informações dos fotorreceptores para as células ganglionares. A maioria dos

contatos sinápticos na retina ocorre em duas camadas plexiformes. A camada plexiforme

externa contém os prolongamentos das células fotorreceptoras, células bipolares e células

horizontais, enquanto a camada plexiforme interna contém os prolongamentos de células

bipolares, amácrinas e ganglionares. Assim, as células horizontais têm uma influência

modulatória no nível das sinapses entre o fotorreceptor e as células bipolares (camada

plexiforme externa), e as células amácrinas têm uma influência modulatória no nível das

sinapses entre as células bipolares e as células ganglionares (camada plexiforme interna). Na

via de bastonetes há células amácrinas AII interpostas entre as células bipolares de bastonete e

as células ganglionares. Desta forma, as células na retina processam os sinais de um ou mais

fotorreceptores resultando em pequenos ou grandes campos receptivos.

Um campo receptivo corresponde a uma região no espaço em que um estímulo de luz

pode induzir uma resposta neuronal, que tanto pode ser um aumento (resposta “on”) como

uma redução (resposta “off”) da freqüência de disparo do potencial de ação das células

ganglionares (Tessier-Lavigne, 2000).

Na condição de escuro, os fotorreceptores do tipo cone liberam o transmissor

glutamato em seu terminal sináptico (os pedículos dos cones), os quais excitam células

bipolares “off” e inibem as células bipolares “on” e as células horizontais. As células

horizontais, por sua vez, liberam o transmissor inibitório ácido gama-amino-butírico (GABA)

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39

na sua zona de terminação, a qual é novamente nos pedículos de cone. Este arranjo sináptico

foi denominado de tríade. Em primatas, cerca de 10 diferentes tipos morfológicos de células

bipolares projetam da sinapse de cone para a camada plexiforme interna (Boycot & Wässle,

1999). Quatro delas são tipos de células bipolares “off” e seis delas são tipos de células

bipolares “on”. Duas células bipolares de cone, uma “on” e uma “off”, são especialmente

sensíveis à informação de contraste, outras duas são responsivas à porção verde-vermelho da

luz, e uma é devotada à luz azul (Calkins et al., 1998). Além disso, há três tipos de células

bipolares de cone especializadas em detectar informação direcional, ou seja, fluxo retiniano

ou movimento (Berry II et al., 1999). Na via fotópica, células bipolares de cone fazem

sinapses de cone em díades sobre dendritos de células ganglionares e amácrinas.

As células bipolares de bastonete não fazem sinapse diretamente sobre as células

ganglionares, mas sobre dois tipos de células amácrinas, uma delas sendo a célula amácrina

AII. As células amácrinas AII fazem sinapses inibitórias com células bipolares de cone “off” e

células ganglionares “off” e contactam sobre células bipolares de cone através de grandes

junções comunicantes. Desta forma, elas são neurônios que produzem sinais de polaridade

oposta em células ganglionares “on” e “off” (Morgans et al., 2009; Shen et al., 2009). As vias

clássicas são ON1 e OFF1. Na via ON1, bastonetes são hiperpolarizados pela luz e transferem

seus sinais para a invaginação de dendritos das células bipolares de bastonetes. Células de

bastonetes expressam o receptor para glutamato mGluR6, provocando uma inversão do sinal

na sinapse, sendo despolarizadas pela luz. Elas transferem seu sinal através de uma sinapse

glutamatérgica (AMPA; α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) para

células amácrinas AII. Células amácrinas AII formam junções comunicantes com os axônios

das células bipolares ON de cone, as quais por sua vez, fazem sinapse com as células

ganglionares ON. Na via OFF1, a via dos bastonetes para as células AII é idêntica a ON1,

mas a saída das células AII difere. Elas estão invertidas, sinapses glicinérgicas com os

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axônios de células bipolares OFF de cones, as quais por sua vez, formam sinapses com

células ganglionares OFF. Na via ON2 o sinal dos bastonetes é transmitido para os pedículos

de cone através de junções comunicantes e então segue a via de cone para as células

ganglionares ON. A via OFF2 é comparável àquela de ON2 para as células ganglionares OFF.

Na via OFF3, células bipolares OFF de cone formam contatos sinápticos diretos com a base

de esférulas de bastonetes e transfere sinal diretamente para células ganglionares OFF. A

recente avaliação de um camundongo nocaute para a conexina 36, tem mostrado que

diferentes vias operam sob diferentes condições de luz (Wässle, 2004). O processamento das

informações através dos cones e bastonetes ao longo das vias on e off está esquematizado na

figura 1.

Figura 1. A via dos fotorreceptores na retina de mamíferos. OS/IS, segmentos externos e internos de

bastonetes e cones; ONL, camada nuclear externa; OPL, camada plexiforme externa; INL, camada nuclear

interna; IPL, camada plexiforme interna; GCL, camada de células ganglionares. (Wässle, 2004).

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41

1.11 A retina como oscilador e os ritmos da retina

A alternância entre claro e escuro no ambiente é provavelmente um dos eventos mais

importantes na vida diária de um organismo. A diferença de intensidade nos níveis de

iluminação entre noite e dia é de tal magnitude (0,1 a 100.000 lux) que tanto a retina como

outras estruturas fotorreceptoras, capazes de detectar tais mudanças, desenvolveram um

sistema de temporização endógeno, capaz de permitir antecipar tais alterações e desenvolver

mecanismos de adaptação às mesmas (Tosini & Fukuhara, 2002).

Na retina, muitos dos processos em nível fisiológico, celular e molecular exibem um

ritmo circadiano. Como exemplos, podemos citar sensibilidade visual, renovação dos discos

dos segmentos externos dos bastonetes e fagocitose pelo epitélio pigmentar da retina,

expressão de genes imediatos e genes dos pigmentos visuais em fotorreceptores, níveis de

segundos-mensageiros e atividades de enzimas nas vias de transdução do sinal, expressão de

arilalquilamina N-acetiltransferase (NAT), enzima de síntese do neurohormônio melatonina, e

a própria liberação desta substância das células fotorreceptoras, além da liberação do

neuromodulador dopamina dos neurônios retinianos internos (Cahill & Besharse, 1995;

Iuvone et al., 2005).

Em mamíferos, o oscilador circadiano principal situa-se no par de núcleos

supraquiasmáticos do hipotálamo, mas evidências apontam a existência de um oscilador na

retina, responsável pela geração dos seus próprios ritmos. A síntese de melatonina e o seu

padrão de ritmo circadiano têm sido usados como parâmetros na investigação desse oscilador.

Assim, a identificação de um oscilador na retina começa com a demonstração, em Xenopus,

de que a atividade da enzima de síntese da melatonina, a NAT, expressa um ritmo circadiano

(Besharse & Iuvone, 1983). Trabalho subseqüente mostrou que a NAT era localizada em

células fotorreceptoras (Cahill & Besharse, 1992) e que uma camada isolada de

fotorreceptores era capaz de manter um ritmo circadiano de produção de melatonina (Cahill &

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42

Besharse, 1993, 1995), indicando que esse ritmo não é dependente do oscilador principal.

Subsequentemente, a presença de um relógio circadiano na retina foi também demonstrada em

várias outras espécies de vertebrados (ver Tosini & Fukuhara, 2002), incluindo mamíferos

(Tosini & Menaker, 1996, 1998; Sakamoto et al., 2000).

Em mamíferos, a primeira evidência de um oscilador circadiano na retina foi fornecida

por um estudo em hamster (Mesocricetus auratus), em que retinas em cultura exibiram ritmo

circadiano da síntese de melatonina por pelo menos 5 dias. Os ritmos foram sincronizados por

ciclos de luz aplicados in vitro e entraram em livre-curso em escuro constante. Além disso, o

período em livre-curso da síntese de melatonina em retinas de hamsters homozigotos com

mutação tau, os quais têm o período do ritmo circadiano em livre-curso 4 horas mais curto

que o selvagem, foi correspondentemente mais curto. Donde se concluiu que a retina de

mamífero contém um oscilador circadiano geneticamente programado que regula a síntese de

melatonina (Tosini & Menaker, 1996). Um ritmo circadiano na liberação de melatonina foi

referido para cultura isolada ou enriquecida de células em retinas de camundongo (Tosini &

Menaker, 1998) e rato (Tosini et al., 1998). Assim, experimentos com uma cepa particular de

camundongo (C3H/rd), cujos fotorreceptores tipo bastonete sofreram degeneração durante o

desenvolvimento pós-natal, demonstraram que, embora a biossíntese de melatonina

permaneça, o seu ritmo circadiano desaparece com a perda completa de bastonetes (Tosini &

Menaker, 1998). Esta observação sugere que bastonetes não são necessários para a síntese de

melatonina, mas o são para a sua expressão rítmica (Tosini & Fukuhara, 2002).

Um estudo em rato mostrou que a lesão do núcleo supraquiasmático não abole o ritmo

circadiano do RNA mensageiro da enzima NAT retiniana, mas abole os ritmos do RNA

mensageiro de rPer2 e Dbp, sugerindo que a retina de mamíferos tem dois mecanismos

oscilatórios circadianos, em que um pode gerar ritmicidade circadiana independente do núcleo

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43

supraquiasmático e o outro depende da sua presença para manter a oscilação circadiana

(Sakamoto et al., 2000).

O mecanismo responsável pela geração da oscilação circadiana requer a presença

intracelular de determinados genes relógio, os quais podem ser identificados pelo método de

hibridização in situ para identificar quais células expressam o RNA mensageiro (mRNA) para

os genes relógio. A expressão de genes relógio foi identificada no núcleo supraquiasmático

(ver por exemplo, Shearman et al., 2000; Ko & Takahashi, 2006), porém na retina é ainda

matéria de investigação. Na retina de Xenopus foi concluído que os fotorreceptores continham

um relógio circadiano, porque estes mantinham o ritmo circadiano da síntese de melatonina,

mesmo quando mantidos em isolamento (Cahill & Besharse, 1993, 1995). Subsequentemente,

foi encontrado que o homólogo do gene clock é expressado fortemente nos fotorreceptores

bastonetes e cones, e apenas fracamente nas camadas neurais da retina de Xenopus (Zhu et al.,

2000; Hayasaka et al., 2010).

Contrariamente à retina de anfíbios, em mamíferos, a distribuição de mensagens para

genes relógio, tais como clock, Bmal1, e Period1 (Per1) é distribuída entre as camadas

retinianas. Por exemplo, na retina de camundongo foi mostrado que transcriptos de clock,

Bmal1, e mPer1 foram expressados fortemente nas camadas de fotorreceptores e nuclear

interna, com expressão mais fraca na camada de células ganglionares (Gekakis et al., 1998).

Ainda no camundongo, o RNA mensageiro para os genes criptocromos Cry1 e Cry2, os quais

são componentes essenciais do mecanismo do relógio circadiano molecular, foram localizados

na retina interna e não na camada de fotorreceptores (Miyamoto & Sancar, 1998). Usando um

camundongo transgênico, em que uma proteína fluorescente verde (GFP) de vida média curta,

é induzida pelo promotor do gene relógio Per1, a imunomarcação para Per1-GFP e proteína

PER1, foi encontrada nas camadas de células amácrinas e ganglionares, mas não na camada

de fotorreceptores. Adicionalmente, dupla marcação imunoistoquímica mostrou que GFP foi

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44

co-localizado em células amácrinas com dopamina, calbindina e cal-retinina, mas não com

acetilcolina, nem tampouco foi expressada nas células ganglionares melanopsinérgicas

(Witkovsky et al., 2003). Na retina de rato foi visto que RNA de Per1 e Per2 são do mesmo

modo distribuídos difusamente entre todas as camadas nucleares (Zhuang et al., 2000). Outros

dados disponíveis sobre a localização celular de gene relógio na retina do rato dão conta de

que Clock e BMAL1 exibem intensa expressão, com fortes sinais dos transcritos na camada

nuclear interna e camada de células ganglionares (Namihira et al., 1999). Per1 e Per2

expressam-se nos fotorreceptores, mas a grande maioria dos transcritos parece estar localizada

na camada nuclear interna (Namihira et al., 2001). Dados obtidos em um estudo com a técnica

de microdissecção por captura a laser e reação em cadeia transcriptase-polimerase reversa,

indicam que Per1, Per3, Cry1, Cry2, Clock, Bmal1, Ver-erba e Rora RNAs, e não Per2 e

Npas2 estão presentes na camada de fotorreceptores na retina de ratos, acompanhado de um

ritmo circadiano robusto da síntese de melatonina (Tosini et al., 2007). Estes dados

demonstram que a retina de mamíferos deve conter um marcapasso circadiano funcional na

camada de fotorreceptores, além da retina interna.

A resposta à luz dos genes relógio também foi investigada na retina de rato. Uma

variação diária em escuro constante, estatisticamente significante, foi detectada no nível do

transcrito para Clock, atingindo um pico em ZT18, mas não para BMAL1. ZT (Zeitgeber time,

hora de zeitgeber) é um termo referencial utilizado em experimentos com animais em

condições de sincronização, em que ZT0 significa o horário em que as luzes são acesas e

ZT12 o horário em que são apagadas. Um pulso de luz (300 lux) por 30 minutos aumentou

significativamente os níveis de transcrição 60 minutos após o início do pulso de ambos os

genes, sendo dependente de fase para Clock (significativo em ZT2), mas não para BMAL1,

cujo aumento pós-pulso ocorreu em praticamente todas as fases (Namihira et al., 1999). Per1

e Per2 são também induzidos pela luz, com Per1 sendo induzido em ZT2, ZT6, ZT10 e ZT14,

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45

e Per2 sendo induzido apenas em ZT2 (Namihira et al., 2001). Estes resultados sugerem que a

responsividade à luz dos genes relógio na retina são diferentes da responsividade à luz dos

mesmos genes no núcleo supraquiasmático. Neste núcleo, os genes respondem à iluminação

de uma maneira mais restrita, ou seja, suas respostas são dependentes da fase circadiana. Per1

aumenta em ZT16-24, e Per2 aumenta apenas em ZT16 (Miyake et al., 2000), enquanto os

transcritos de BMAL1 alcançam um pico em ZT2 (Honma et al., 1998). Clock responde à luz

apenas durante a noite (Abe et al., 1999). Além disso, um estudo referiu que após lesão do

núcleo supraquiasmático, a ritmicidade de Per2 na retina desaparece, a despeito da

permanência de um robusto ritmo circadiano do RNA mensageiro de NAT (Sakamoto et al.,

2000). Isto poderia sugerir que a presença de um mecanismo de relógio na retina não depende

da transcrição rítmica de genes Per.

Do exposto, torna-se evidente a existência de algumas diferenças no padrão de

expressão dos genes relógio na retina em comparação com o núcleo supraquiasmático.

Entretanto, ainda há muito a ser esclarecido com relação a essa questão. Sobretudo, é

fundamental identificar com precisão as células que constituem o marcapasso e medir nestas

células o padrão de expressão dos genes-relógio (ver Tosini & Fukuhara, 2002; Tosini et al.,

2008).

Finalmente, um aspecto interessante do relógio retiniano é o mecanismo pelo qual o

relógio circadiano controla a síntese de melatonina e a sua relação com a dopamina. Ritmos

circadianos para melatonina (ou para as enzimas envolvidas em sua síntese) foram descritos

na retina de vários roedores. Todos esses estudos têm mostrado que, como ocorre na glândula

pineal, picos da síntese de melatonina ocorrem à noite (Pang et al., 1980; Yu et al., 1981;

Lucas & Foster 1997; Sakamoto & Ishida, 1998a, 1998b; Pozdeyev & Lavrikova, 2000;

Fukuhara et al., 2001), enquanto a dopamina e seus precursores e/ou metabólitos apresentam

picos de síntese/liberação durante o dia (Adachi et al., 1998; Pozdeyev & Lavrikova, 2000;

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Ribelayga et al., 2002; Doyle et al., 2002a, b; Tosini & Fukuhara, 2002; Iuvone et al., 2005).

Além disso, a melatonina inibe a síntese/liberação de dopamina através de uma ação sobre

receptores de melatonina MT2 (Dubocovich, 1983; Ribelayga et al., 2004) e, ao mesmo

tempo, a dopamina inibe a síntese/ liberação de melatonina a partir de células fotorreceptoras

atuando sobre receptores D2/D4 (Nguyen-Legros et al., 1996; Tosini & Dirden, 2000). Esses

dados sugerem que a regulação dos níveis de melatonina e dopamina na retina pode ser parte

de um complexo mecanismo de retroalimentação no qual a melatonina é rítmica e regula a

liberação da dopamina e a dopamina modula o ritmo da melatonina, embora não seja

necessária para a geração daqueles ritmos (Cahill & Besharse, 1995).

Embora nem todos os ritmos descritos ocorram em todas as classes de vertebrados, há

inúmeras evidências de que a ritmicidade circadiana é altamente conservada na fisiologia da

retina. É geralmente aceito que os ritmos circadianos da retina permitem ao organismo

antecipar e adaptar-se a grandes variações na intensidade de luz durante o período de 24

horas, possibilitando uma otimização das funções visuais para cada situação fótica (Iuvone et

al., 2005).

1.12 Sistemas fotossensíveis na retina interna – Papel da melanopsina

A melanopsina é uma proteína opsina, originalmente identificada nos melanóforos

dermais da rã (Provencio et al., 1998, 2000), e agora estabelecida como um fotopigmento

sensorial funcional (Newman et al., 2003; Fu et al., 2005; Melyan et al., 2005; Panda et al.,

2005; Qiu et al., 2005). Em mamíferos, ela é expressa no olho, quase que exclusivamente

numa pequena porcentagem de células ganglionares da retina, compreendendo cerca de 1 a

3% de toda a população das células ganglionares (Provencio et al., 2000, 2002; Hannibal et

al., 2002; Hattar et al., 2002; Wässle, 2004). A melanopsina produzida nas células

ganglionares da retina é diretamente sensível à luz, constituindo uma terceira classe de

fotorreceptores na retina dos mamíferos, em adição aos cones e bastonetes. Por essa razão as

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47

células ganglionares que expressam melanopsina foram denominadas células ganglionares

intrinsecamente fotossensíveis (ipRGCs) (Berson et al., 2002; Berson, 2003; Warren et al.,

2003).

É importante considerar as muitas diferenças estruturais e funcionais existentes entre

os fotorreceptores clássicos e as ipRGCs, que se projetam diretamente para o cérebro. Entre

os alvos dessas projeções estão o núcleo supraquiasmático, principal marcapasso e

sincronizador dos ritmos circadianos ao ciclo claro-escuro (Gooley et al., 2001; Berson et al.,

2002; Hannibal et al., 2002; Hattar et al., 2002; Berson, 2003) e o folheto intergeniculado

(Hattar et al., 2002; Morin et al., 2003), que também participa da regulação dos ritmos

circadianos (Harrington, 1997). Também recebe terminais das ipRGCs o núcleo olivar pré-

tectal (Hattar et al., 2002; Morin et al., 2003), um elemento chave nos circuitos de mediação

dos reflexos pupilares à luz (Trejo & Cicerone, 1984; Clarke & Ikeda, 1985; Young & Lund,

1994). Outros alvos das ipRGCs, implicando sua participação em diversas outras funções,

incluem a região pré-óptica, a zona subparaventricular do hipotálamo, o núcleo geniculado

lateral ventral e o colículo superior (Hattar et al., 2002; Gooley et al., 2003; Morin et al.,

2003; Hannibal & Fahrenkrug, 2004).

Registros eletrofisiológicos de ipRGCs revelaram que elas são intrinsecamente

sensíveis à luz, à qual responde com grande despolarização e potenciais de ação rápidos,

superpostos, e resistentes a bloqueio sináptico na retina (Berson et al., 2002). Em condições

de luminosidade limiar, as ipRGCs exibem resposta de longa latência (Berson et al., 2002;

Hattar et al., 2002; Warren et al., 2003; Tu et al., 2005), havendo, com aumento da

intensidade de luz, um correspondente decréscimo na latência de resposta e um aumento na

magnitude de corrente despolarizante, implicando que ipRGCs codificam tonicamente

intensidades de luz. Suas respostas lentas, especialmente a baixos níveis de luminosidade, são

consistentes com observações de que a sincronização fótica circadiana é menos sensível do

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48

que a visão normal, exigindo um período de tempo que vai de segundos a vários minutos de

iluminação para reiniciar o relógio biológico. É interessante destacar que o espectro de ação

das respostas à luz nas ipRGCs corresponde àquele da fotossincronização circadiana (Nayak

et al., 2007).

A fotossensibilidade das ipRGCs exibe adaptação tanto à luz quanto ao escuro. Sob

iluminação constante, a fotorresposta de fundo diminui gradualmente, enquanto a resposta a

flashes luminosos superpostos aumenta. Após um período de exposição ao escuro, as ipRGCs

readquirem completa sensibilidade à luz (Wong et al., 2005). Tal adaptação pode

proporcionar ao organismo uma fina sintonia que o habilita a perceber pequenas mudanças

nas condições de luminosidade (Nayak et al., 2007).

Os campos dendríticos das ipRGCs proporcionam completa cobertura da retina. Nas

retinas adaptadas à luz, a resposta à iluminação das ipRGCs é feita acima de um componente

rápido, derivado da entrada de cones, e um componente mais lento, baseado numa resposta

intrínseca a luz. Na retina de primatas há cerca de 3.000 células contendo melanopsina.

Aproximadamente 40% delas estão localizadas na camada nuclear interna e seu pico de

densidade é na fóvea. Seus dendritos estratificam-se na camada nuclear interna ou na camada

de células ganglionares, mas elas parecem ser células centro ON (Wässle, 2004).

Um estudo em linhagem de rato com degeneração de fotorreceptores (RCS a P60)

mostrou que os níveis de RNA mensageiro de melanopsina foram acentuadamente diminuídos

e não rítmicos, em comparação com controles congênicos ou ratos RCS a P21 (antes da

degeneração dos fotorreceptores), nos quais os níveis de RNA mensageiro de melanopsina

exibem um ritmo circadiano em condições de claro-escuro e escuro constante, com um pico

no início da fase de escuro (Sakamoto et al., 2004). Isto sugere que, apesar da

fotossensibilidade intrínseca das ipRGCs, a regulação da produção de melanopsina por essas

células é de alguma forma influenciada pelos fotorreceptores clássicos. Essa concepção é

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49

fortalecida pela evidência morfológica de que as ipRGCs recebem entrada de fotorreceptores

retinianos via células bipolares e amácrinas. Esta evidência foi obtida em estudos de

microscopia eletrônica em camundongo, no qual foi visto que dendritos imunorreativos a

melanopsina na região interna (ON) da camada plexiforme interna são pós-sinápticos a

terminais de células bipolares e amácrinas, enquanto que dendritos imunorreativos a

melanopsina estratificando-se na região externa (OFF) da mesma camada recebem apenas

terminais de células amácrinas. Isto sugere que os sinais provenientes de bastonetes e/ou

cones podem ser capazes de modificar a capacidade intrínseca de resposta à luz destas células

ganglionares que expressam melanopsina (Belenky et al., 2003).

Há indicações de que a atividade das ipRGCs também pode ser modulada pela

atividade circadiana de neurônios da retina interna adjacente. Os principais candidatos nesse

caso são os neurônios dopaminérgicos, os quais se ramificam na borda das camadas

plexiforme interna e nuclear interna. Assim, um estudo realizado em retina de ratos e

humanos demonstrou uma interrelação entre células imunorreativas a melanopsina (ipRGCs)

e imunorreativas a TH (células amácrinas dopaminérgicas) na camada plexiforme interna e,

adicionalmente, demonstrou que esta estrutura é mantida nos ratos distróficos, com

degeneração de fotorreceptores. Tripla imunomarcação usando marcadores sinápticos

proporcionaram evidências para a unidirecionalidade da transferência de informação entre os

dois tipos celulares, com processos das ipRGCs (marcados pelo anticorpo anti-melanopsina)

sendo diretamente adjacentes aos sítios de liberação de dopamina (marcados pelo anticorpo

anti-transportador vesicular de monoamina2, VMAT2). Isto é uma característica fundamental

da arquitetura da retina de mamíferos que parece resistente à degeneração dos fotorreceptores

clássicos e pode prover o substrato anatômico pelo qual as células dopaminérgicas

influenciam a fisiologia dos alvos circadianos centrais no cérebro (Vugler et al., 2007). É

sugerido que a justaposição anatômica dos processos de dopamina e melanopsina na camada

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50

plexiforme interna de ratos e humanos é um produto da pressão seletiva. Esta associação

anatômica pode ser adaptativa e reflete algum grau de vantagem evolutiva adquirida por ter os

dendritos das ipRGCs adjacentes aos sítios de liberação de dopamina. Isto é particularmente

importante quando considerada a curiosa associação aparente entre dendritos de células

expressando melanopsina e pericários imunorreativos a TH (Vugler et al., 2007).

Sabe-se que a dopamina modula a sensibilidade de células ganglionares ao estímulo

luminoso (Jensen & Daw, 1986) e certamente também as ipRGCs. A inferência óbvia nesse

caso seria que variações circadianas no conteúdo de dopamina afetariam a sensibilidade das

ipRGCs à luz, de tal modo que a transmissão dopaminérgica atuaria de maneira preditiva,

preparando as células melanopsinérgicas para alterações na iluminação externa. Esta hipótese

é fortalecida pelos dados mostrando ciclos circadianos de dopamina (Doyle et al., 2002a, b) e

a expressão de componentes chaves da maquinaria do relógio molecular em neurônios

retinianos dopaminérgicos, mas não em melanopsinérgicos (Witkovsky et al., 2003;

Gustincich et al., 2004). Conforme mencionado anteriormente, a dopamina desempenha um

importante papel na regulação da fisiologia da retina sendo considerada um mediador

parácrino de adaptação à luz (Iuvone et al., 1978), sendo a sua síntese e liberação na retina

reguladas principalmente pelos cones e bastonetes através da circuitaria da retina (Doyle et

al., 2002b; Sakamoto et al., 2005). É proposto que a dopamina tem um importante papel na

mediação da sinalização de luz que é usada para a sincronização circadiana e outras respostas

mediadas pelo sistema não formador de imagem, considerando-se as evidências de que a

dopamina está envolvida na regulação do RNA mensageiro de melanopsina, possivelmente

via receptores D2 localizados nas ipRGCs (Sakamoto et al., 2005). Como as células

dopaminérgicas na retina parecem funcionar pelos menos em alguma extensão

independentemente dos fotorreceptores da retina externa (Puopolo et al., 2001; Doyle et al.,

2002b), então a implicação é que neurônios dopaminérgicos da retina podem servir como a

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51

origem de sinais circadianos que, ao modular a função das ipRGCs, influenciam

indiretamente o núcleo supraquiasmático.

1.13 Importância da dopamina para a transição claro/escuro

Uma população de células amácrinas da retina se caracteriza por expressar dopamina,

(Prakash & Wurst, 2006; Björklund & Dunnett, 2007). Estas células podem ser identificadas

por imunoistoquímica, usando o anticorpo contra tirosina hidroxilase (TH), enzima que

participa da síntese da dopamina. Desta forma, a dopamina retiniana tem sido localizada em

um tipo de célula amácrina, cujo soma é encontrado na fileira mais interna da INL e os

processos se ramificam no extrato mais externo da IPL (Brecha et al., 1984; Oyster et al.,

1985; Hokoc & Mariani, 1987; Wulle & Schnitzer, 1989), podendo algumas delas serem

encontradas deslocadas na IPL e na camada de células ganglionares. As células amácrinas

dopaminérgicas são células esparsas, representando cerca de 0,2% de todas as células

amácrinas e aproximadamente 0,005% de todas as células retinianas (Gustincich et al., 1997;

Jeon et al., 1998). São células de campo dendrítico grande, com arborizações amplamente

difusas na camada plexiforme interna e, apesar da baixa densidade, cada célula origina

inúmeros processos que se irradiam à distância o suficiente para se sobreporem aos das

células vizinhas. Nesse emaranhado de processos dopaminérgicos estão imersos os pericários

(Witkovsky, 2004). Em várias espécies de vertebrados, a dopamina é localizada em outro tipo

de célula, a célula interplexiforme. Células interplexiformes dopaminérgicas são neurônios

que permanecem na camada nuclear interna e, como as células amácrinas, emitem processos

para a camada plexiforme interna, mas, além disso, possuem processos adicionais que

atravessam a camada nuclear interna, alcançando também a camada plexiforme externa

(Oyster et al., 1985; Mangel & Dowling, 1987; Savy et al., 1989). Como as células amácrinas

dopaminérgicas, as células interplexiformes desempenham um papel essencial na adaptação

ao claro-escuro e parecem estar ligadas a uma alça de retroalimentação (Cohen & Dowling,

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52

1983; Mangel & Dowling, 1987), levando informações da camada plexiforme interna,

primariamente relacionada com aspectos dinâmicos e temporais do estímulo visual, de volta

para a camada plexiforme externa, que parece corresponder ao estágio do processamento da

informação visual, em que são processados aspectos estáticos e espaciais da iluminação

(Brandies & Yehuda, 2008). Em algumas retinas de vertebrados, o neurônio dopaminérgico é

uma célula amácrina, em outras é uma célula interplexiforme, mas em algumas espécies,

como o gato (Oyster et al., 1985) o rato e o camundongo (Witkovsky et al., 2008), os dois

tipos estão presentes. Algumas células dopaminérgicas co-localizam com o ácido gama-

aminobutírico (GABA), o que pode ser a base de uma modulação intracelular de dopamina

por GABA (Nguyen-Legros et al., 1997).

Dois tipos morfológicos de células amácrinas dopaminérgicas (tipo 1 e tipo 2) foram

descritos pela primeira vez na retina de macaco Rhesus (Mariani & Hokoc, 1988). As células

tipo 1 têm comparativamente grandes corpos celulares, são densamente coradas, estão

situadas quase exclusivamente na fileira mais interna da camada nuclear interna, seus

processos arborizam no extrato mais externo da camada plexiforme interna e dão origem a

finas fibras orientadas radialmente na camada nuclear interna. As células tipo 2 têm

comparativamente às células tipo 1, pequenos corpos celulares, menor intensidade de

coloração para TH, a maior parte encontra-se localizada na INL, seguido da IPL e GCL, e

seus processos arborizam no centro da camada plexiforme interna (Mariani & Hokoc, 1988).

Uma categorização semelhante, embora com variações na relação entre os dois tipos, foi

encontrada na retina de coelho (Tauchi et al., 1990) e do camundongo transgênico (Gustincich

et al., 1997; Feigenspan et al., 1998). Em camundongos selvagens, albinos ou pigmentados,

apenas um tipo morfológico foi identificado (Versaux-Botteri et al., 1984).

Estudos de microscopia eletrônica confirmaram a entrada de células bipolares sobre as

células amácrinas dopaminérgicas na retina de macaco Rhesus (Hokoc & Mariani, 1987) e de

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53

gato e coelho (Hokoç & Mariani, 1988). Por esta via, em mamíferos, a produção e liberação

da dopamina retiniana são estimuladas pela exposição à luz (Kramer, 1971; Iuvone et al.,

1978; Witkovsky et al., 2004), embora os neurônios dopaminérgicos sejam tonicamente

ativos, apresentando disparos espontâneos de repouso, moduladas pela luz (Gustincich et al.,

1997; Feigespan et al., 1998). Uma vez liberada, a dopamina atua tanto localmente como

através de sinapses com os neurônios adjacentes, e dependendo da transmissão parácrina,

pode afetar as funções de inúmeras células da retina não necessariamente adjacentes às células

dopaminérgicas (Jensen & Daw, 1986; Bjelke et al., 1996). Nesse ponto é importante

mencionar que neurônios dopaminérgicos estão perfeitamente posicionados na retina interna

para facilitar a propagação de dopamina pela transmissão volumétrica, podendo receber

influências provenientes da entrada de mais de um tipo de célula bipolar e fazendo sinapses

morfologicamente definidas com dois tipos de células amácrinas, as células AII e as células

A17, ambas as quais fazem parte da via dos bastonetes (Voigt & Wässle, 1987; Witkovsky,

2004). Elas liberam dopamina extrassinapticamente de seu próprio soma (Puopolo et al.,

2001) e ao que parece, a grande maioria das células na retina possui receptores

dopaminérgicos (Nguyen-Legros et al., 1999), de modo a capturar e utilizar este

neurotransmissor.

As células dopaminérgicas controlam a sensibilidade de muitos neurônios retinianos

durante adaptação ao claro e ao escuro. Estas células ajustam globalmente a responsividade da

retina sob luz brilhante ou penumbra. A dopamina afeta muitos elementos da circuitaria da

retina, altera a condutância nas junções comunicantes entre células horizontais e células

amácrinas, potencializa as respostas de receptores de glutamato ionotrópicos sobre células

bipolares, afeta o equilíbrio centro-periferia das células ganglionares e é até capaz de causar

migração do pigmento em células do epitélio pigmentar retiniano, um tecido não neural

(Witkovsky, 2004). Neste caso e também em outros, isto é mediado não sinapticamente, e sim

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54

através de uma liberação difusa, parácrina, do neurotransmissor. Experimentos usando células

amácrinas transgenicamente marcadas em cultura mostraram que a liberação extrassináptica é

controlada por potenciais de ação espontâneos na ausência de entrada sináptica e modulada

por entradas, presumivelmente também parácrinas, de outros neurônios retinianos (Gustincich

et al., 1997; Puopolo et al., 2001).

É interessante destacar que a dopamina exerce um papel antagônico ao da melatonina

na regulação da fisiologia adaptativa da retina. Enquanto a dopamina funciona como um sinal

químico para a luz, produzindo mecanismos fisiológicos de adaptação à luz, a melatonina tem

efeitos adaptativos ao escuro (Green & Besharse, 2004; Iuvone et al., 2005). Ao que tudo

indica, os fotorreceptores secretores de melatonina e as células amácrinas/interplexiformes

secretoras de dopamina, formam uma alça de feedback celular, funcionando na regulação da

fisiologia retiniana circadiana (Iuvone et al., 2005). Além disso, foi visto que as células

dopaminérgicas da retina atuam também modulando a expressão de melanopsina em células

ganglionares intrinsecamente fotossensíveis (Sakamoto et al., 2005; Vugler et al., 2007). As

interações envolvendo dopamina, melatonina e melanopsina foram abordadas anteriormente

no contexto dos ritmos da retina e sistemas fotossensíveis da retina interna.

Resumindo, a integridade do sistema dopaminérgico é fundamental para a expressão

de muitas funções retinianas, podendo a sua disfunção explicar muitos dos distúrbios visuais

que ocorrem em consequência do envelhecimento e doenças degenerativas (Djamgoz et al.,

1997; Witkovsky, 2004; Brandies & Yehuda, 2008). No sistema visual, as funções da

dopamina incluem adaptação à luz, visão de cores, controle de sensibilidade,

resolução/acuidade espacial e sinalização temporal. Além disso, também está envolvida em

funções tróficas, incluindo crescimento ocular, desenvolvimento e morte celular (Witkovsky,

2004; Brandies & Yehuda, 2008).

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55

1.14 O mocó como modelo experimental

O mocó (Kerodon rupestris), é uma espécie tipicamente Brasileira, nativa da região

Nordeste, sendo encontrado desde o Piauí até o norte de Minas Gerais (Cabrera, 1961).

Taxonomicamente, o mocó é classificado na ordem Rodentia, superfamília Cavioidea,

família Caviidae, subfamília Caviinae, gênero Kerodon, juntamente com Cavia (Cavia

porcellus), Galea (Galea spixii) e Microcavia (Microcavia niata) (Cabrera, 1961; Lacher,

1981).

O mocó pertence a um grupo de roedores que tem sido estudado por pesquisadores

neurocientistas brasileiros desde os anos oitenta, compreendendo a cutia (Dasyprocta aguti e

outras espécies), capivara (Hydrochaerus hydrochaeris), e a paca (Cuniculus paca) (Silveira,

1985; Silveira et al., 1989; Picanço-Diniz et al., 1991; Rocha et al., 2009), e também o

porquinho da índia (Cavia porcellus), o qual tem sido estudado em laboratórios de diferentes

partes do mundo (Jacobs & Deegan, 1994; Peichl & González-Soriano, 1994; Parry &

Bowmaker, 2002). De acordo com a classificação que usa a forma do crânio como

característica primária (Carleton & Musser, 2005) – Anomaluromorpha, Castorimorpha,

Hystricomorpha, Myomorpha, e Sciuromorpha, este grupo é parte da subordem

Hystricomorpha, uma das cinco subordens de roedores aceita no padrão de classificação de

Rodentia.

Estudos filogenéticos utilizando uma abordagem molecular (Rowe & Honeycutt,

2002) tem relacionado o gênero Kerodon com o gênero Hydrochaeris ao qual pertence a

capivara (família Hydrochaeridae), e também estreitamente alinhado com o gênero Dolichotis

da subfamília Dolichotinae, cujo representante na América do Sul é o lebre patagônico

(Dolichotis patagonum).

Page 57: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

56

Os mocós são animais endêmicos da caatinga, habitando a região do semi-árido

nordestino, onde estão localizadas as rochas graníticas, que lhes servem como refúgio e abrigo

contra os predadores, os quais são principalmente os gatos macambira e vermelho, as raposas,

o gavião pé de serra e o jacurutu (Carvalho, 1969; Lacher, 1981). São altamente adaptados às

condições ecológicas regionais, como o calor, a escassez de água e de alimentos,

principalmente nos períodos das grandes secas nas regiões do semi-árido nordestino. São

herbívoros e costumam se alimentar de cascas de árvores, brotos, pequenos arbustos e ramos

de algumas espécies de plantas trepadeiras (Mendes, 1985; 1987). Em cativeiro aceitam bem

frutas como banana, mamão, jambo, manga, e raízes como batata doce, além de capim fresco

e folhas de mangueira (observações próprias). Atingem a fase adulta aos 200 dias, podendo

atingir até 50 cm de comprimento e 1 quilo de peso corporal (Roberts et al., 1984).

Os mocós apresentam coloração quase sempre homogênea em torno do castanho

dourado em praticamente todo o corpo (observações próprias) embora na literatura seja

descrita também a ocorrência de exemplares com coloração cinzenta, com pêlos pretos e

amarelos ou esbranquiçados na parte superior, marrons na região posterior e um pouco

acastanhada nas pernas, e brancos na região do pescoço (Carvalho, 1969). O gênero Kerodon

possui o mesmo corpo básico dos outros cavíneos, embora apresente algumas características

morfológicas e craniais únicas para a subfamília. As mãos e os pés são acolchoados com

epiderme semelhante à pele-couro e não possuem garras. O pé tem unhas subcutâneas sobre

todos os dígitos, exceto um no interior dos pés onde a unha foi modificada como uma

pequena garra usada para pentear o pêlo. O crânio, especialmente o focinho, é maior e mais

estreito do que nos outros cavíneos, assim como a distância entre os incisivos e os pré-

molares é proporcionalmente maior (Lacher, 1981). O mocó é um animal trepador

extremamente ágil, apesar de não possuir garras nem cauda, duas adaptações normalmente

associadas com arborealidade. Tem o olfato bem desenvolvido, principalmente nos machos,

Page 58: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

57

que podem detectar a presença do homem e de outros animais a longas distâncias. A audição é

também bastante aguçada, de modo que qualquer ruído curto, de pequena intensidade, como

um assobio, um pequeno galho quebrado, ou o barulho de folhas roçando o solo, costumam

atlertar o mocó (Carvalho, 1969). Quanto à reprodução, ocorrem nascimentos ao longo do

ano, exceto no período que vai de abril a junho. As fêmeas apresentam estro pós-parto,

podendo acasalar-se poucas horas após o nascimento dos filhotes. Embora as proles sejam

pequenas a cada parto (cerca de 1 a 2 filhotes), o curto período gestacional (75 dias) garante

uma elevada produção de crias a cada ano. Os animais atingem o tamanho do adulto aos 200

dias, embora a primeira concepção das fêmeas possa ocorrer aos 115 dias de vida (Lacher,

1981; Roberts et al., 1984).

A partir de observações e de informações colhidas em campo, Carvalho (1969) relatou

que os mocós saem para alimentar-se de manhã e à tarde nos dias mais escuros. Nos dias

claros, eles se alimentam apenas à noite. Nos dias nublados, depois de uma chuva, costumam

sair a qualquer hora do dia, permanecendo fora da toca o tempo necessário para a secagem das

rochas, o que algumas vezes pode durar o dia inteiro. Lacher (1981) verificou que, no campo,

esse roedor sai para forragear ao longo do dia e da noite, porém a maior parte da atividade

ocorre durante o dia, com picos de atividade no crepúsculo. De acordo com Mendes (1987),

os mocós são animais gregários, de hábitos crepusculares, que passam o dia abrigados em

tocas de rochas, saindo à tardinha e ao amanhecer para alimentar-se. Sousa & Menezes

(2006), estudando o mocó sob condições controladas de laboratório, registraram para esta

espécie a expressão de atividade locomotora ao longo das 24 horas do dia, com picos nas

fases de transição de luminosidade, caracterizando um comportamento predominantemente

crepuscular. Estes dados sugerem que o mocó possa apresentar adaptações ópticas e retinianas

relacionadas com a transição claro-escuro, o que motivou a realização do presente trabalho.

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58

Esta espécie foi escolhida como um modelo animal de roedor regional para estudos de

ritmos circadianos no Laboratório de Cronobiologia-UFRN. Além da caracterização do ritmo

de atividade e outras respostas circadianas deste animal (Sousa & Menezes, 2006), estudos

prévios do nosso laboratório demonstraram a existência de proteínas ligantes de cálcio nos

centros circadianos do mocó (Cavalcante et al., 2008), além de projeções da retina diretas aos

núcleos talâmicos paraventricular (PVT) (Nascimento Jr. et al., 2008) e mediodorsal (MD)

(Nascimento Jr. et al., 2010a), envolvidos nos ritmos circadianos e modulação de

reconhecimento visual, respectivamente. Foi descrito também que este roedor tem uma

projeção retino-hipotalâmica semelhante ao descrito para outros mamíferos diurnos ou

noturnos, além de peculiaridades no que diz respeito a distribuição de neurônios positivos ao

peptídeo intestinal vasoativo (VIP) e vasopressina (VP) no núcleo supraquiasmático

(Nascimento Jr. et al., 2010b). Recentemente, também foram descritos os grupamentos

serotoninérgicos do mocó (Soares et al., 2012). Várias publicações estão em andamento com a

participação de estudantes de pós-graduação e iniciação científica.

Além disso, deve-se levar em conta que o conhecimento da anatomia do olho, a sua

posição na cabeça e da distribuição das células na retina possibilita identificar adaptações de

cada espécie ao seu campo visual, o qual é peculiar para cada estilo de vida dentro do nicho

ecológico que ele ocupa (Collin, 2008). Assim sendo, torna-se plenamente justificado

estender este estudo de modo a abranger a anatomia do olho e a caracterização da retina numa

espécie regional sobre a qual não há nenhum registro de estudo desta natureza até o presente.

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59

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo geral

Este trabalho tem como objetivo estudar características anatômicas do olho e aspectos

citoarquitetônicos e neuroquímicos da retina do mocó (Kerodon rupestris).

2.2 Objetivos específicos

1. Descrever aspectos anatômicos do olho;

2. Analisar a distribuição topográfica de densidade de células ganglionares;

3. Caracterizar as células amácrinas dopaminérgicas quanto aos subtipos e sua

distribuição na retina;

4. Identificar as subpopulações de fotorreceptores quanto à presença de opsinas

para comprimentos de onda curta (S), média/longa (M/L), e sua distribuição na

retina;

5. Caracterizar as diversas populações neuronais da retina com marcadores

imunohistoquímicos específicos.

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60

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Nesta pesquisa foram utilizados 18 mocós adultos jovens provenientes do município

de Jucurutu, Região do Seridó do Rio Grande Norte, conforme autorização do Instituto

Brasileiro do Meio Ambiente e Recursos Naturais Renováveis – IBAMA (SISBIO número

22403-1, de 24/12/2009). Todos os cuidados foram tomados no sentido de evitar dor e

sofrimento aos animais durante os procedimentos experimentais, seguindo estritamente as

normas estabelecidas pelo National Research Council of the National Academy publicadas no

livro “Guidelines for the Care and Use of Mammals in Neuroscience and Behavioral

Research”. O projeto foi aprovado pelo Comitê de Ética para Uso de Animais-UFRN sob

número 015/2009.

Não foi possível determinar a idade dos animais, uma vez que foram todos capturados

na natureza. Entretanto, utilizamos o parâmetro do peso corporal para estabelecer uma faixa

compatível com indivíduos nem muito jovens, nem excessivamente velhos. Após a captura os

animais foram acomodados em um ambiente com paredes de tela de arame presa a suporte de

alvenaria, teto de telhas de cerâmica e piso de solo natural com vegetação rasteira e pedras,

simulando o habitat natural do animal. Desta forma, os animais ficaram expostos às condições

ambientais naturais de temperatura, umidade do ar e luminosidade, com alimentação e água

ad libitum continuamente.

Do total de 18 animais (36 olhos), foram utilizadas 18 retinas para montagens planas

(6 para marcação com anticorpo anti-TH, 3 com anti-opsina para cones S, 3 com anti-opsina

para cones L/M, 4 para coloração por técnica de Nissl (cresil violeta), 1 para marcação com

anti-Beta-tubulina e 1 para marcação com anti-calbindina); 4 olhos foram congelados em

metanol com gelo seco e cortados num micrótomo de deslizamento (Leica SM 2000R) para

estudo da anatomia macroscópica, 2 olhos foram emblocados em parafina/bouin para análise

Page 62: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

61

da estrutura do olho e da retina, e 3 foram cortados em criostato para montagem em lâminas e

análise da estratificação de cones, bastonetes, de células expressando dopamina, proteínas

ligantes de cálcio, inclusive com a utilização de duplas marcações.

Anestesia e perfusão

Os animais foram adaptados ao escuro por um período de 2 a 3 horas, sendo então pré-

anestesiados com cloridrato de tramadol e xilazina, ambos 5mg/Kg, e após 15 minutos,

anestesiados com uma injeção intramuscular de cloridrato de ketamina (100 mg/kg), sendo

mantidos com isoflurano e oxigênio por inalação. Uma vez anestesiados, foram tomadas

medidas da rima palpebral com o auxílio de um paquímetro digital (Digimess). Os olhos

foram fotografados dentro da órbita e sob anestesia profunda, foram perfundidos

transcardiacamente inicialmente com 300 ml de solução salina a 0,9% em tampão fosfato pH

7.4 (PB) com heparina (Parinex Hipolabor, 2 ml/1000 ml de solução salina) seguido de 700

ml de solução fixadora, consistindo de solução de paraformaldeído 4% em PB pH 7.4. As

soluções foram impulsionadas através do leito vascular do animal por uma bomba de perfusão

(Cole-Parmer), à qual foi conectada uma agulha inserida no ápice do ventrículo esquerdo, na

direção da aorta ascendente, tendo sido feita prévia incisão na aurícula direita. Todo

procedimento durou em torno de 30 minutos.

Concluída a perfusão, procedeu-se a enucleação dos olhos. Os crânios foram

descarnados e macerados para estudo da órbita óssea e os encéfalos removidos e armazenados

para estudos de outros projetos desenvolvidos no laboratório.

Os eixos dorsoventral e nasotemporal do olho foram devidamente registrados para

posterior orientação da retina. Foram obtidas medidas morfométricas com o paquímetro

digital: diâmetro axial do olho (AD), diâmetro equatorial do olho (ED) e diâmetro equatorial

da córnea (EDC). Feito isso, foram feitas aberturas na córnea e os olhos foram imersos em

Page 63: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

62

paraformaldeído 4% (Sigma-Aldrich) por 2 horas e depois armazenados em tampão fosfato

(PB) 0,1 M, pH 7.4. Para as montagens planas, as retinas foram cuidadosamente dissecadas e

mantidas em tampão fosfato 0,1 M, pH 7.4, 4º C. Para obtenção de secções verticais, três

retinas de animais distintos foram crioprotegidas com sacarose 30% em PB 0,1 M, e áreas

representativas das regiões central e periférica foram seccionadas (20 µm de espessura), em

criostato (Leica CM 1900, Alemanha). As secções foram montadas em lâminas gelatinizadas

e armazenadas a -20°C até o momento de sua utilização em procedimentos de

imunoistoquímica.

Análise da anatomia do olho

Para identificação dos músculos extra-oculares, uma vez concluída a perfusão, 3

animais tiveram um olho mantido na órbita, quando então os crânios foram descarnados para

facilitar a cuidadosa dissecação dos músculos, com o devido cuidado para manter os olhos

sempre adequadamente hidratados. Uma vez concluída a dissecção, os músculos foram

identificados e fotografados e em seguida os olhos foram excisados e armazenados em PB

0,1M, pH 7.4.

Para o exame macroscópico das estruturas internas do olho, quatro olhos foram

enucleados previamente à fixação, imediatamente congelados por imersão em metanol com

gelo seco e seccionados no plano ântero-posterior, em micrótomo horizontal de deslizamento.

Ao longo de toda microtomia foram obtidas fotografias para posterior análise das seguintes

dimensões: diâmetros axial e equatorial do olho, diâmetros axial e equatorial do cristalino,

diâmetro equatorial da córnea, distância entre a córnea e a face anterior do cristalino e entre a

face posterior do cristalino e a esclera. Essas medidas foram registradas no nível do nervo

óptico e no nível do maior eixo do olho.

Page 64: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

63

Dois olhos foram imersos em fixativo de Bouin (solução saturada aquosa de ácido

picrico – 75 ml, formol 37 ou 40% - comercial – 20 ml, e ácido acético glacial – 5 ml) por 24

horas, desidratados em soluções de etanol em concentrações ascendentes, e emblocados em

parafina. Foram obtidas secções transversais de 5 μm de espessura e coradas com

Hematoxilina-Eosina para análise da organização em camadas do olho e estratificação da

retina.

Imunoistoquímica em montagens planas

Montagens planas de 18 retinas foram obtidas seguindo o método de Stone (1981). Em

algumas retinas, o epitélio pigmentar permaneceu firmemente aderido ao tecido retiniano, e

para sua remoção foi adotado o protocolo descrito em Hemmi & Grünert (1999), com

pequenas modificações, utilizando peróxido de hidrogênio (H2O2) 10% em tampão fosfato-

salina (PBS) por 24h. Após esse procedimento, as retinas foram lavadas várias vezes em PBS

e tratadas com uma solução de Hialuronidase (510 UI/ml) em PBS por 30 minutos (37ºC)

para retirar o humor vítreo. A recuperação antigênica do tecido foi obtida em tampão borato

0,2M pH 9 (70°C) por 60 minutos, seguida de três lavagens em PBS por 5 min. cada. Foi feita

inativação da peroxidase endógena (100 µl metanol + 100 µl H2O2 30% + 800 µl de PBS)

durante 15 minutos, seguida de três lavagens em PBS por 5 min. cada e uma lavagem em PBS

+ Triton X-100 a 5% por 30 minutos. Subsequente a três lavagens em PBS (5 minutos cada),

a preparação foi incubada em 10% de soro normal (compatível com os respectivos anticorpos)

em PBS + triton X-100 0,3% (PBSTX) por 2 horas, seguida pelo anticorpo primário e 1% de

soro normal por 5 dias (4º C). Após várias lavagens em PBS o tecido foi incubado no

anticorpo secundário biotinilado durante três dias (4ºC) e em seguida, lavado e incubado no

complexo Avidina - Biotina - Peroxidase (1:200, kit ABC Vector) por três dias (4º.C). Todos

os anticorpos foram diluidos em PBSTX. A visualização do anticorpo foi obtida utilizando-se

Page 65: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

64

3,3'-diaminobenzidine tetrahydrochloride (DAB) (2,5 mg de DAB em 10 ml de tampão

fosfato 0,1 M pH 7,4 por 20 minutos com agitação contínua, acrescida de H2O2 0,3%). Após a

reação, as retinas foram lavadas em PBS, feitos alguns pequenos cortes periféricos para

aplainar e possibilitar a montagem sobre lâminas de vidro gelatinizadas, mantendo a

orientação naso-temporal e súpero-inferior. Após um período de 24h à temperatura ambiente,

verificando que as retinas estavam bem aderidas às lâminas, as mesmas foram desidratadas

em soluções crescentes de álcool, diafanizadas em xilol e montadas em lamínula, usando

Entellan (Merck). A imunohistoquímica realizada nas secções verticais foi semelhante a das

montagens planas, exceto pelos períodos de incubação mais curtos para o anticorpo primário

(24 h) secundário e ABC (1h) e omissão do tratamento com hialuronidase, peroxidase

endógena e triton X-100 5%.

Dupla marcação

Em secções verticais foram realizadas duplas marcações para investigar colocalização

de: GABA e tirosina hidroxilase (TH); Parvalbumina (PV) e colina acetiltransferase (ChAT),

calbindina (CB) e calrretinina (CR), CB e TH, opsinas S e L/M. Neste caso, as secções foram

incubadas inicialmente numa solução de bloqueio contendo 5% de albumina bovina (BSA),

0,3% triton X-100 por 60 min e simultaneamente então com os anticorpos primários por 24 h

a 4°C. As secções foram lavadas em PB e incubadas com os secundários fluorescentes

também simultâneamente, por 4 h. Após lavagens em PB as lâminas foram montadas em

glicerol 40% em PB e analisadas utilizando um microscópio de epifluorescencia (Leica, DM

LB)

No caso das duplas marcações com anticorpos primários obtidos num mesmo animal

(opsina S - L/M), foi inicialmente feita a incubação em um anticorpo primário individual e

reação com DAB, e após a marcação com DAB, os cortes ficaram 30 minutos no tampão

Page 66: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

65

glicina pH 2,2. Foram então lavados com PB e incubados no outro anticorpo primário seguido

pelo fluorescente.

Foi feita uma dupla marcação também numa montagem plana para investigar

colocalização de CB em células dopaminérgicas. Todos os passos antes descritos para as

montagens planas foram mantidos, alterando apenas a partir da incubação dos anticorpos

primários. Estes foram incubados simultaneamente. Anti-TH diluição 1:500 + anti-CB 1:500

+ 1% de soro normal em PBSTX durante 5 dias (4º C). Após 3 lavagens de 5 minutos cada

em PBS, o tecido foi incubado nos anticorpos secundários Fluorescein anti-rabbit e TritC anti-

mouse 1:200, durante 3 dias (4º C). Após lavagens em PBS o tecido foi colocado numa

lâmina gelatinizada. Após secagem, colocado em glicerol 40% em PB, coberta com lamínula

e analisada utilizando um microscópio de epifluorescencia (Leica, DM LB)

Análise dos dados

Células dopaminérgicas

Para a distribuição das células dopaminérgicas, seis montagens planas foram usadas

para medir a área da retina, densidade celular espacial total, gradiente centro-periferia e

tamanho do corpo celular. Análise da distribuição topográfica das células dopaminérgicas foi

obtida a partir da obtenção de imagens digitalizadas de campos adjacentes e sucessivos ao

longo de toda a extensão retiniana de modo a permitir uma contagem de todas as células

dopaminérgicas. Entre as seis retinas examinadas, foram obtidas de 227 a 312 janelas de

amostragem de 0,8 mm2. Os valores obtidos em cada janela foram transferidos para um mapa

da retina em papel milimetrado, de modo a representar a distribuição numérica das

populações de células dopaminérgicas

Para caracterizar as populações de células dopaminérgicas presentes ao longo de toda

a extensão retiniana, foram analisados parâmetros morfométricos, tais como tamanho e

Page 67: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

66

diâmetro do corpo celular, além de parâmetros relativos ao padrão de estratificação na INL e

intensidade de imunorreatividade em diferentes excentricidades. As análises de corpo celular

foram realizadas a partir de imagens digitalizadas obtidas através de video camera (Nikon

DXM1200) acopladas ao microscópio, objetivas de 100 X com óleo de imersão. Para as

medidas de área, diâmetro e contagens de células, foi utilizado o software Image J 1.45s,

(National Institutes of Health, USA).

Fotorreceptores

Análise da distribuição topográfica de cones verde/vermelho e azul foram obtidas de

campos de amostragem de 138 x 110 µm, a cada 0,5mm através de toda a extensão da retina.

Em média 510 ± 96 janelas de amostragem foram analisadas em 6 retinas (3 montagens

planas para cones S e 3 para cones L) usando objetivas de 100 X em óleo de imersão. Imagens

digitais dos campos de amostragem foram obtidos via video camera (Nikon DXM1200)

acoplada a um microscópio Olympus (BX41). Para contagens de células, foi utilizado o

software Image J 1.45s, (National Institutes of Health, USA). Todos os dados foram

transferidos para mapas em papel milimetrado e convertido para células/mm2.

Células ganglionares - Marcação de Nissl.

Quatro montagens planas foram coradas com cresil violeta para análise da distribuição

topográfica de células ganglionares, de acordo com um protocolo previamente descrito

(Oliveira et al., 2006). Foram obtidas imagens digitalizadas da GCL a cada mm de distância

por toda a extensão da retina, com o uso de um microscópio óptico Olympus BX50, (objetiva

de 40 X) acoplado a uma video camera (Nikon DXM1200). Para a contagem das células, foi

utilizado o software Image J 1.45s (National Institutes of Health, USA).

Page 68: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

67

Todos os dados foram transferidos para mapas em papel milimetrado e convertido para

células/mm2. Foram obtidas entre 169 e 176 janelas de amostragem por retina examinada.

Todos os neurônios observados na GCL foram contados, de acordo com o critério

estabelecido por Stone (1981). Avaliação da densidade e número total das células se fez por

um método de integração considerando a área ocupada por linhas de isodensidade e o valor de

densidade de cada uma das linhas.

Page 69: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

68

Tabela de anticorpos

Anticorpos primários Diluição Anticorpos secundários Diluição

rabbit polyclonal anti-blue

opsin (Millipore)

1:200 W

1:1000 SV

Goat-anti-guinea pig (Jackson

Immuno Research Lab)

1:1000

Rabbit monoclonal anti-β-

tubulin EP1569Y

(Millipore)

1:200 Goat-anti-Rabbit (Vector) 1:200

mouse monoclonal anti-

calbindin D (CB) C-8666

(Sigma)

1:500 Donkey-anti-goat (Jackson

Immuno Research Lab)

1:1000

rabbit policlonal anti-

calretinin (CR) AB 5054

(Chemicon)

1:1000 Donkey-anti-mouse (Jackson

Immuno Research Lab)

1:1000

goat policlonal anti-Choline

acetyltransferase (ChAT)

(Millipore)

1:500 Goat-anti-mouse (Jackson

Immuno Research Lab)

1:1000

guinea pig anti-GABA

(Protos Biotech Inc.)

1:500 Donkey anti-rabbit (Jackson

Immuno Research Lab)

1:1000

mouse monoclonal anti-

neurofilament [NF-01] to

200kD - ab7795 (abcam)

1:500 Goat-anti- rabbit biotinylated

(Jackson Immuno Research

Lab)

1:1000

mouse monoclonal anti-

Parvalbumin (PV) P-3171

(Sigma)

1:1000 Alexa fluor 594 goat anti-

mouse

1:200

mouse monoclonal anti-

Protein Kinase C P7504

(Sigma-Aldrich)

1:2000 Alexa fluor 594 donkey anti-

mouse

1:200

rabbit polyclonal anti-

red/green opsins (Millipore)

1:200 W

1:2000 SV

Fluorescein goat anti-rabbit

(Vector)

1:200

Anti-rodopsina 1:100 Fluorescein goat anti-guinea

pig IgG (Vector)

1:200

rabbit polyclonal anti-TH

AB152 (Millipore)

1:500 Fluorescein Trit C donkey anti-

mouse (Jackson Immuno

Research Lab)

1:200

Fluorescein Trit C donkey anti-

goat (Jackson Immuno

Research Lab)

1:200

Rhodamine-conjugated 546

donkey anti-rabbit IgG

(Jackson Immuno Research

Lab)

1:200

Rhodamine Fit C donkey anti-

mouse

1:200

Alexa fluor 488 goat anti-

rabbit

1:200

Alexa fluor 488 goat anti-

mouse

1:200

Page 70: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

69

RESULTADOS

1° Artigo

The eye of the crepuscular rodent rock cavy (Kerodon rupestris) (Wied, 1820)

Submetido à revista "Journal of Zoology".

Classificação no QUALIS: B1

Page 71: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

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The eye of the crepuscular rodent rock cavy (Kerodon rupestris) (Wied, 1820)

FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA1,2

, BELMIRA LARA DA SILVEIRA ANDRADE

DA COSTA3, EXPEDITO SILVA DO NASCIMENTO JÚNIOR

2, JUDNEY CLEY

CAVALCANTE2, JEFERSON DE SOUSA CAVALCANTE

2,4, RUTHNALDO

RODRIGUES MELO DE LIMA2, SEBASTIÃO FRANCO DA SILVA

2,5, NAYRA SILVA

RESENDE2, JOACIL GERMANO SOARES

2, MIRIAM STELA MARIS DE OLIVEIRA

COSTA2*

1Departamento de Ciências Biológicas, Centro de Ciências Biológicas e da Saúde

Universidade Regional do Cariri (URCA), Crato, CE, Brazil

2Departamento de Morfologia, Laboratório de Neuroanatomia, Centro de Biociências,

Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), Natal, RN, Brazil

3Departamento de Fisiologia e Farmacologia, Centro de Ciências Biológicas, Universidade

Federal de Pernambuco (UFPE), Recife, PE, Brazil

4Departamento de Fisiologia, Laboratório de Neuroanatomia, Centro de Biociências,

Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), Natal, RN, Brazil

5Departamento de Anatomia, Universidade Potiguar (UNP), Natal, RN, Brazil

*Corresponding author: E-mail: [email protected]

Running head title: Rock cavy eye

It contains 1 Table and 6 Figures

Keywords: eye, extraocular muscles, Kerodon rupestris, orbita, pupil, retina.

Page 72: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

71

Abstract

The rock cavy (Kerodon rupestris) is a crepuscular Caviidae rodent belonging to suborder

Hystricomorpha, inhabiting semiarid areas of the Brazilian Northeast region. The rock cavy

has lateral eyes housed in well constituted bony orbit and endowed of well differentiated

extrinsic musculature. Descriptive and morphometric anatomical study of the rock cavy eye

showed mean values of axial diameter 10.7 ± 0.5 mm and equatorial diameter 11.6 ± 0.7 mm.

It has a vertical slit pupil and a crystalline lens with mean axial diameter of 5.4 ± 0.03 mm,

which correspond to ~ 45% eye axial diameter. The posterior nodal distance and the retinal

magnification factor were estimated as 6.74 mm and 118 µm/grau, respectively. Anatomical

features of the rock cavy eye suggest that it was designed to acquire greater light sensitivity,

at the expense of a reduced resolution, compatible with a vision under mesopic conditions,

befitting an animal of predominantly crepuscular activity pattern.

Page 73: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

72

Introduction

The rock cavy (Kerodon rupestris) is a rodent inhabiting semiarid Caatinga of the

Brazilian Northeast, although it can be also found in the southeast region as Minas Gerais

State. Colonies of rock cavies usually live in cracks and crevices of granitic rocks, which

serve as refuge and shelter from predators (Cabrera, 1961; Lacher, 1981). This species

reaches adulthood by completing 200 days, and can reach up to 50 cm length and 1 kilogram

body weight (Roberts et al., 1984). According to traditional taxonomy, the rock cavy belongs

to the order Rodentia (Storer & Usinger, 1971). According to classification using the skull

shape as a primary characteristic – Anomaluromorpha, Castorimorpha, Hystricomorpha,

Myomorpha e Sciuromorpha (Carleton & Musser, 2005), the rock cavy is part of the suborder

Hystricomorpha, one of the five suborders of Rodentia, infraorder Caviomorpha, superfamily

Cavioidea (Carleton, 1984), family Caviidae, subfamily Caviinae, genus Kerodon (rock cavy)

(Moojen, 1952). Phylogenetic studies using molecular approach (Rowe & Honeycutt, 2002)

have connected the genus Kerodon with the genus Hydrochaeris, which includes the capybara

(family Hydrochaeridae), and is closely aligned with the genus Dolichotis of the subfamily

Dolichotinae, whose representative in South America is the Patagonia hare (Dolichotis

patagonum).

Behavioural studies carried out in field reported that this rodent species comes out to

forage throughout the day and night, but most of the activity occur during the day, with peaks

of activity at dawn and dusk (Carvalho, 1969; Lacher, 1981). In line with these observations,

an investigation performed under controlled laboratory conditions showed that the rock cavy

was active throughout the 24-h day, with peaks during sunrise and sunset phases, featuring a

predominantly crepuscular behavior (Sousa & Menezes, 2006). These data suggest that the

rock cavy can exhibit optical and retinal adaptations related to light-dark transition, which

Page 74: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

73

motivated us to use this animal as a suitable animal model of regional rodent for studying

circadian rhythms. In this direction the retinal projections were traced to circadian timing

system centers, such as the hypothalamic suprachiasmatic nucleus and the thalamic

intergeniculate leaflet (Nascimento Jr et al., 2010b), as well as direct retinal projections were

showed to paraventricular (Nascimento Jr. et al., 2008) and mediodorsal (Nascimento Jr et al.,

2010a) thalamic nuclei. Studies on targets of retinal projections constituting the primary

visual and accessory optic systems, as well as projections to other hypothalamic targets are

ongoing. However, to our knowledge, nothing is known about anatomical features of the rock

cavy eye.

The knowledge of the eye anatomy, its location in the head and retinal cell distribution

have allowed to identify adaptations of each species to its visual field, which are peculiar to

each lifestyle in its ecological niche (Collin, 2008). Some rodent species of the

Hystricomorpha order such as diurnal agouti and capybara (Silveira, 1985; Silveira et al.,

1989; Picanço-Diniz et al., 1991), nocturnal paca (Silveira, 1985; Silveira et al., 1989), guinea

pig (Jacobs & Deegan, 1994; Peichl & González-Soriano, 1994; Parry & Bowmaker, 2002),

crepuscular chinchilla (Detwiler, 1949; Lima et al., 2010; Müller et al., 2010) and degus

(Chávez et al., 2003; Jacobs et al., 2003), have been utilized as model for several aspects of

visual system. Nevertheless, adaptive mechanisms to the temporal niche are present in the

visual system of most of vertebrates. These mechanisms involve modifications in the ocular

dimensions and design, organization of neural circuits related to the retinal resolution or

detection of changes in the levels of luminance (Land & Nilsson, 2008; Land, 2009). The

quality of the optical system may limit the amount of information that can be made available

to the brain since the retina can only encode information that is present in the image (Hall &

Ross, 2003). Therefore, shape and size of pupil and adjustment of focus are also particularly

Page 75: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

74

important if an animal has eyes adapted for use under photopic, mesopic or scotopic

conditions (Malmström & Kröger, 2006).

Taking into account the importance of these ocular features to the temporal niche of

each species, the present study investigated morphometric parameters of the rock cavy eye in

order to analyze how these features contribute to the gain in visual sensitivity and resolution

in conditions of crepuscular levels of lighting. Under a comparative point of view, this study

could contribute to understand visual adaptations into the biodiversity. Moreover, it can

support previous and future investigation on the visual and circadian timing system of this

species.

Page 76: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

75

Materials and Methods

In this study, young adult rock cavies from rural municipalities in Rio Grande do

Norte state, Northeastern Brazil, were used, with the authorization of the Brazilian Institute of

Environment and Renewable Natural Resources (IBAMA, SISBIO license no. 22402-1,

2009/12/24). Approval for the experiments was obtained from the local Animal

Experimentation Ethics Committee (CEUA-UFRN, protocol no. 015/2009), in compliance

with National Institute of Health (NIH) guidelines. All efforts were made to minimize the

number of animals and their suffering.

Six animals (2 males and 4 females), weighting between 338 and 641 g were used. It

was not possible to determine their ages, since all of them were captured from the nature.

However, we utilized the body weight as a parameter to establish a range compatible with

individuals neither too young nor too old. After capture, individuals were housed in a room

with four wire mesh walls attached to masonry support, ceramic tile ceilings and natural soil

floor, with creeping vegetation and rocks to simulate their natural habitat. Thus, the animals

were exposed to natural environmental conditions of temperature, humidity and light, with

food and water continuously available. All experimental procedures were performed in the

Laboratory of Neuroanatomy, Department of Morphology, UFRN. Morphometric measures

were also taken of other animals utilized in other researches of the laboratory.

The animals were pre-anesthetized with an intramuscular injection of tramadol

chloridrate (5mg/kg) and, after 15 minutes, anesthetized with an intramuscular injection of

ketamine chloridrate (100 mg/kg) and xylazine (5 mg/kg). Upon deep anesthesia, with the aid

of a digital calliper (Digimess), they were subjected to measurement of the palpebral fissure

length, and then the eye was photographed into the orbit to measure pupil diameters. The

orientation of each eye was labeled by a small incision in the lateral angle of the cornea.

Page 77: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

76

Still deeply anesthetized, the animals were subjected to transcardiac perfusion, with

300 ml of 0.9% saline solution in 0.1 M phosphate buffer, pH 7.4 (PB), containing heparin

(Parinex, Hipolabor, 2 ml/1000 ml of saline solution), followed by 700 ml of fixative solution,

consisting of 4% paraformaldehyde solution in PB. Solutions were driven on the vascular bed

of the animal by a peristaltic pump (Cole-Parmer), to which a needle inserted in the apex of

left ventricle directed to ascending aorta was connected, having been made previous incision

in the right auricula. All procedure expends around 30 minutes.

Ended perfusion, the eyes were enucleated. Skulls were scrawny and macerated for

studying of the bony orbit.

In 3 animals, one of the eyes was kept in the orbita in order to facilitate the dissection

of the extraocular muscles. Ended the dissection, the muscles were identified and

photographed.

After that, eyes were finally excised. It was examined the position of the optic nerve in

the posterior pole, and, after removal of fat tissue and extraocular muscles, with aid of a

digital calliper, the following measures were taken: axial diameter (anteroposterior, AD),

from the anterior pole of the cornea to posterior pole of the sclera; equatorial diameter

(transversal, ED) of the eye, between the extreme side points of both eyes sides; and corneal

diameter (CD), with the tips of the caliper between from a side and another of the cornea-

sclera limit.

Next, the lateral incision of the cornea was extended, remaining attached only on the

medial side by around 2 mm. This allows keep the orientation of each eye (right-left) and in

each one, the orientation medial (nasal)-lateral (temporal), superior-inferior. Opening the

window of the cornea, it was noted the iris, the pupil aperture and the lens through this

aperture. Next, the eyeball was stored in fixative solution during 2 hours to overnight, and

then transferred to PB.

Page 78: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

77

The posterior hemisphere was also examined by its internal surface (eyecup), after

removal of the iris and lens and registered the output of the optic nerve (disc of optic nerve).

To macroscopic exam of internal structures of the eye, 4 eyes were enucleated

previously to fixation, immediately frozen by immersion in methanol and dry ice and

sectioned in the antero-posterior plane, in horizontal sliding microtome. Throughout this

procedure, photographs were taken to posterior analysis of intraocular dimensions of lens,

corneal diameter and axial and equatorial diameters of the eye, distances between the cornea

and the lens and between the lens and sclera.

Two eyes were immersed in Bouin fixative (aquous satured solution of picric acid in

formaldehyde and glacial acetic acid) for 24 horas, dehidrated in ethanol solutions in

increasingly concentrations, and included in paraffin. It was obtained 20 μm thick transversal

sections, which were stained with Hematoxilin-Eosin, for analysis of the layer organization of

the eye and the retina.

Page 79: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

78

Results

The rock cavy eye is lateralized and it is housed in a bony orbit, manned by two

skinfold, the superior and inferior eyelids, which delimit a palpebral fissure, measuring 10.25

± 0.9 mm (n=5 eyes) (Fig. 1 A). The bony orbit is constituted by components of the following

skull bones: frontal, which contributes to superior (ceiling), medial and posterior walls, the

maxillar, which takes part in the formation of the medial wall, and the temporal, which

complements laterally the posterior wall. The anterior and ventral (floor) walls are devoid of

bony elements. The lateral aperture of the orbit is circumvented anterior and ventrally by the

zygomatic arch, constituted in the postero-anterior direction by the zygomatic process of the

temporal bone, the temporal process of the zygomatic bone, the dorsal border of the

zygomatic bone, the frontal process of the zygomatic bone and the zygomatic process of the

frontal bone. The anterior wall, opened, is limited dorsally by the zygomatic process of the

frontal bone and ventrally by the maxillar process of the zygomatic bone (Fig. 1 B).

Around the eye it was evidenced a orbital fascia, involving the extraocular muscles,

having been well identified the rectus dorsalis (RD), rectus ventralis (RV), rectus medialis

(RM), rectus lateralis (RL), obliquus dorsalis (OD) and obliquus ventralis (OV) muscles (Fig.

2 A-B).

Measurements of ocular dimensions were taken in 15 eyes after fixation of the animals

by transcardiac perfusion. These measures allow to infer that the rock cavy eye is

approximattelly ellipsoidal shaped, with the antero-posterior (axial) diameter (AD) ranging

from 9.65 mm to 11.47 mm, equatorial diameter (ED) from 10.39 mm to 12.65 mm. The

corneal equatorial diameter (CD) varied from 7.72 mm to 9.57 mm. The individual and mean

values related to these parameters are listed in the Table 1.

Measurements of axial diameter obtained in 15 eyes allowed to estimate the retinal

magnification factor (RMF) and the posterior nodal distance of the eye (PND). Using the

Page 80: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

79

equation proposed by Hughes (1977), based on comparison among several mammalian

species, RMF = 0.011 x eye axial length and PND = 0.63 x eye axial length and applying

these equations to the measurements obtained in the rock cavy eye, we found a value of

118µm/degree of visual angle for RMF and 6.74 mm for PND.

At the anterior pole of the eye, the black iris and the vertical slit shaped pupil was

noted through the cornea (Fig. 3). The pupil aperture in the fixed eye measured 3.6 mm x 2.38

mm in mean values (n=3). Both pupil and lens were better visualized after removal of the

cornea (Fig. 3B). At the posterior pole, we identified the trunk of the optic nerve, from its

emergency, positioning eccentrically toward temporal and ventral direction (Fig. 4A). After

removal of the lens, the examination of the retina in situ does not allow to identify at the

naked eye, any tissue depression or thickening, suggesting the presence of some retinal

specialization, nor a lucidum tapetum (Fig. 4B), which can be observed without the use of an

optical microscope in some animals. Retinal vessels were not observed too, characterizing an

anangiotic retina. The figure 4C illustrates the retina after dissected from the eyecup and

removal of the pigment epithelium.

After hemissectomy of eyes freshly frozen in methanol with dry ice, it was possible

better visualize the curvature of the cornea and the asymmetrical shape of the lens, with

curvature more pronounced in its posterior aspect. Measurements of axial diameter of the

cornea and axial and equatorial diameters of the lens through the horizontal axis were taken in

ocular sections of 4 animals. The maximum axial and equatorial diameters of the lens were on

average 5.39 ± 0.03 mm and 6.78 ± 0.2 mm, respectively, and it were obtained in dorsal

position to emergency of the optic nerve. At the same level, the equatorial curvature of the

cornea was on average 8.71 ± 0.8 mm. The distance between the cornea and the anterior

aspect of the lens was 2.2 ± 0.3 mm and from the posterior aspect of the lens to the sclera was

6.01 ± 0.4 mm. The figure 5 illustrates images of eye sections at the level of optic nerve

Page 81: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

80

emergency and at its longest axis. The mean value of the eye axial diameter obtained in 4

sectioned eyes were 11.99 ± 0.5 mm, Such values are similar to those obtained after

enucleation immediately after fixation by perfusion as are listed in the table 1. The lens axial

length/ eye axial length ratio obtained after hemissectomy provided a mean value of 0.45 ±

0.14.

Transversal sections of the rock cavy retina stained with hematoxilin/eosin (HE),

showed the laminar organization of this tissue, characterized by the presence of the layers of

outer segments of photoreceptors, outer and inner nuclear and plexiform layers, ganglionar

cell layer and optic nerve fibers layers. The thickness of such layers varied according to

eccentricity. The figure 6 illustrates retinal transversal sections at far periphery and central

eccentricities. As can be noted, while in the extreme periphery, the outer nuclear (ONL) and

inner nuclear (INL) layers exhibited around 3 and 2 row of cells, respectively, in the central

region we observed in the same layers, around 6 and 4 cell rows respectively. In the

ganglionar cell layer (GCL) only one cell row was observed either at central or far periphery

retinal regions.

Page 82: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

81

Discussion

Evolutionary attempts in modify the ocular structure may appear relatively quickly in

the geologic time span, suggesting that eyes themselves are highly responsive to modify its

structure face to environmental pressures. A plethora of visual adaptations and solutions to

ecological requirements for special niches provide evidence that the optic physiology is

relatively plastic. Adaptive mechanisms to the temporal niche are present in the visual system

of most of vertebrates. Present data show that the rock cavy eye has a roughly ellipsoidal

shape with a slight predominance of the equatorial on the axial diameter, similar to described

to other rodent species of the suborder Hystricomorpha, such as the agouti (Dasyprocta

aguti), paca (Cuniculus paca), capybara (Hydrochaerus hydrochaeris) (Silveira, 1985;

Silveira et al., 1989; Picanço-Diniz et al., 1991; Rocha et al., 2009), guinea pig (Cavia

porcellus) (Jacobs & Deegan, 1994; Peichl & González-Soriano, 1994; Parry & Bowmaker,

2002), chinchilla (Chinchilla lanigera) (Detwiler, 1949; Lima et al., 2010; Müller et al., 2010)

and degu (Octodon degus) (Chávez et al., 2003; Jacobs et al., 2003), with which the rock cavy

keeps close phylogenetic relationships.

The axial length of the eye is closely related to the focal length, which is equivalent to

posterior nodal distance (PND), estimated as two-thirds of the axial length in vertebrates.

More precisely, from comparative ophthalmoscopy studies, the focal length can be calculated

multiplying the axial length by the factor 0.665 (Murphy & Howland, 1987). Applying this

formula for the rock cavy, considering the mean axial lenght estimated as 10.7 mm, it was

obtained a focal length, whose mean value is 7.11 mm. Using the empirical equation de

Hughes (1977) we also estimated the focal length of the rock cavy eye as 6.74 mm, similar to

obtained by Murphy & Howland (1987) equation. In other hystricomorpha species, such as

agouti, paca and capybara, which exhibit eye axial lengths (15.68mm, 18.46mm and 22.30

mm respectively) (Silveira, 1985) longer than the rock cavy, the focal length evaluated to

Page 83: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

82

these animals corresponds to 9.88 mm (agouti), 11.63 mm (paca) and 14.05 mm (capybara).

The focal length influences the size of the image formed on the retina and hence it is related

to the amount of information that reaches the brain. The retinal magnification fator (RMF) is

expressed in millimeters of retina per degree og visual angle. This factor and the

photoreceptors or ganglion cells density are directly related to retinal resolution power.

According to the Shannon and Weaver (1949) theorem, the maximal retinal sampling

frequency can be obtained by the following equation: vc = (RMF. (where vc

is the sectioning range and dmax is the maximum density celular). Thus, the gain in visual

resolution can be obtained by decrease of the distance among photoeceptors or increase of

their density, and also by increase in eye size (Silvleira, 1985; Silveira et al., 1989; Land,

2012). Using the empirical equation proposed by Hughes (1977), we estimated for the rock

cavy, a RMF equivalent to 118µm/degree, which is inferior to those estimated for agouti (164

µm/degree), paca (203 µm/degree) and capybara (245µm/degree). Although the main

characteristics of the eye can be preserved in the phylogeny, the history of each family or

genus add specific features that can be more involved with the lifestyle within a temporal

niche than with the relationship among the species. The axial length of the eye per se is not

the most important parameter to define the suitability of an eye to activity pattern of

vertebrates. The axial dimension and the curvature of the lens relative to the eye size must be

considered, because these parameters influence the rate of retinal illumination.

In diurnal animals, the optic design favours a gain in resolution, given a greater PND

and a smaller axial thickness of the lens. In this case there a loss in sensitivity considering that

the index of retinal illumination is inversely proportional to PND (Hughes, 1977; Land &

Nilsson, 2008). On the other hand, in some nocturnal animals, an increase in the eye size and

RMF improve the retina sensitivity without reduce its resolution when compared with eyes of

diurnal animals. In this case, the increase of the rate of retinal illumination is favored by a

Page 84: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

83

thickner lens and it occupies a larger area inside the eye. In the rock cavy, the 4.8 mm axial

diameter of the lens correspond to 45% of the axial length of the eye. Such value is

compatible with an eye adapted to an environment predominantly crepuscular, when

compared to those obtained in hystricomorpha of diurnal habit, such as agouti (39%) and

capybara (33%), of crepuscular habit, as chinchilla 48% (Lima et al., 2010) and of nocturnal

habit, as paca (51%) (Silveira, 1985; Silveira et al., 1989). When compared to other typically

nocturnal mammals, the value calculated for the rock cavy is lower than that described for the

mouse, rat, opossum, bush baby and cat, which vary between 60 and 80% (Hughes, 1977;

Land & Nilsson, 2008).

Another anatomic important aspect of the rock cavy eye to be emphasized is the

presence of a slit pupil. In three anesthetized animals, the major axis of this slit pupil was

estimated to be 3.6 mm. This feature is similar to described in the agouti, in which, at extreme

photopic conditions, the pupil is around 3 mm in its greatest axis diameter. In the paca, when

fully contracted, the slit pupil perpendicular to the eyelid line, measures about 1.43 mm length

and 0.48mm width (Silveira, 1985; Silveira et al., 1989). Other Hystricomorpha species, such

as the degu (Detwiler, 1949) and chinchilla (Lima et al., 2010) present vertical slit pupil

aperture.

According to the literature (Smith and Atchison, 1996), the slit pupil allows a better

use of the total lens diameter even in bright light. Additionally, the slit pupil is often

associated with multifocal optical systems, in which the lens is provided with concentric

zones of different refractive powers for each wavelength. The combination of a slit pupil with

a multifocal lens has been described for a large number of vertebrates (Malkki & Kröger,

2005; Malmström & Kröger, 2006; Karpestam et al., 2007; Gustafsson et al., 2008; Hanke et

al., 2008; Lind et al., 2008; Kröger et al., 2009) as a characteristic that favors the chromatic

perception (Malmström & Kröger, 2006). The multifocality of the lens is a compensation to

Page 85: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

84

correct the longitudinal chromatic aberration. Animal eyes that are primarily used under low-

light conditions, for example, usually have optical systems of short depth of focus, such that

chromatic defocus may lead to considerable blurring of the images. For maximum light-

gathering ability, the eyes of nocturnal and crepuscular vertebrates have pupils that are large

relative to the focal lengths of the optical systems. A multifocal lens combined with slit pupil

was also described in the eye of vertebrates of monochromatic vision (Malmström & Kröger,

2006). Although we have not performed refractive measurements in the rock cavy eye, it is

possible that this species is endowed with a multifocal lens, compatible with slit pupil and

color vision. In line with this hypothesis, recent evidence of our laboratory has indicated that

the rock cavy has a retina dominated by rods, but with cones sensitive to short (blue, S) and

middle and long (green-red) wavelength (unpublished data).

Thus, we can conclude that, at comparative point of the view, the rock cavy eye has

general similarities with the eye of other rodents of suborder Hystricomorpha. However,

peculiarities inherent to the shape and dimensions of its optical elements enable it to a greater

gain in sensitivity to light, at the expenses of the image sharpness, if compared to diurnal

species. Taken together, results are compatible to a vision suitable to mesopic conditions,

reinforcing previous data indicating this animal has a predominantly crepuscular locomotor

activity pattern.

Acknowledgments

This work was supported by National Council for Scientific and Technological Development

(CNPq), Coordination for High Level Staff Improvement (CAPES), Research and Projects

Financing (FINEP), and Foundation for the Support of Research of the State of Rio Grande do

Norte (FAPERN), Brazil.

Page 86: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

85

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LEGENDS OF FIGURES

Figure 1. (A) Lateral view of the head of the rock cavy, showing the eye manned by superior

(SP) and inferior (IP) palpebrae; (B) Lateral view of the skull, showing the bony orbit,

constituted by parts of frontal (1), maxillar (2) and temporal (3) bones and limited

ventrolaterally and rostrally by the zygomatic arc, formed by zygomatic process of the

temporal bone (4) connected to temporal process of the zygomatic bone, zygomatic bone (5),

frontal process of the zygomatic bone connected to zygomatic process of the frontal bone (6)

and maxillar process of the zygomatic bone (7) connected to zygomatic process of the

maxillar bone. Bar: 2.7 cm

Figure 2. Rock cavy eye partially housed in the orbit, with the extraocular muscles dissected.

(A) Dorsal view showing retcus medialis (RM), retcus dorsalis (RD), retcus lateralis (RL) and

obliquus dorsalis (OD) muscles. OC, optic chiasm. (B) Ventral view showing RM, RL, retcus

ventralis (RV) and obliquus ventralis (OV) muscles. Bar: 0.5 cm.

Figure 3. (A) In situ rock cavy eye; (B) Magnification of square in A showing the cornea and

through this, the dark iris and the slit pupil; (C) The iris and the slit pupil after removal of the

cornea.

Figure 4. A: Posterior view of the right eye, showing the emergency of the optic nerve; B:

Inner view of the posterior segment of the eye, showing the disc of the optic nerve, C: The

retina after dissected from the eyecup and removal of the pigment epithelium. Bar: 0.5 cm.

Figure 5. Images of sections of the dry ice frozen eye at level of (A) emergency of the optic

nerve and (B) at the longest axis of the eye. Bar: 0.5 cm.

Figure 6. Transversal sections of the rock cavy retina stained with hematoxilin-esosin (HE) at

(A) extreme periphery and (B) central region. PE= pigment epithelium, PL=photoreceptor

layer, ONL=outer nuclear layer, OPL=outer plexiform layer, INL=inner nuclear layer,

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89

IPL=inner plexiform layer, GCL=ganglion cells layer, OFL=optic nerve fibers layer. Bar: 20

µm.

Table 1. Eye rock cavy parameters

Animal

(Eye fixed)

Wheight

(g)

AD

mm

ED

mm

EDC

mm

ADL

mm

EDL

mm

C-Ld

mm

L-Ed

mm

LF

%

1 RE 363 9.65 10.39 7.80 56

2 RE 503.5 11.28 12.54 8.97 48

3 RE 596.5 10.76 12.62 8.57 50

4 RE 603 10.69 11.35 7.72 50

5 RE 467 10.74 11.46 8.76 50

6 RE 558.5 10.93 11.97 9.56 49

1 LE 363 9.66 10.42 7.72 56

2 LE 503.5 11.35 12.24 8.99 47

3 LE 596.5 11.47 12.65 8.62 47

4 LE 603 10.31 11.43 7.95 52

5 LE 467 10.92 11.59 8.63 49

6 LE 558.5 10.47 11.23 9.57 51

7 RE 387 11.04 11.61 8.26 49

8 LE 338 10.21 11.36 8.24 52

9 LE 377.5 10.52 11.71 8.30 51

Mean 485.7 10.67 11.64 8.51 50.0

SD 99.06 0.55 0.69 0.60 2.72

Animal (eyes frozen in dry ice)

8 RE 338 11.63 12.38 8.16 5.36 6.57 1.89 6.59 46

9 RE 377.5 11.61 12.35 8.03 5.38 6.64 2.19 5.58 46

10 LE 641 12.72 13.28 9.87 5.43 7.12 2.56 5.87 43

11 LE 600 12.01 12.68 8.78 5.39 6.76 2.19 5.98 45

Mean 489 11.99 12.67 8.71 5.39 6.77 2.21 6.01 45

SD 153 0.518 0.431 0.84 0.03 0.24 0.27 0.42 1.41

RE, Right eye; LE, Left eye; AD, Eye axial diameter axial; ED, Eye equatorial diametr; EDC,

Corneal equatorial diameter; ADL, Lens axial diametr; EDL, Lens equatorial diametr; C-Ld,

Distance between the cornea and the anterior aspect of the lens; L-Ed, Distance between the

posterior aspect of the lens and the sclera; LF, Fraction of the lens em relative to eye axial

diameter. Animals 1 to 6 only fixed eyes were used and are utilized in other studies of the lab.

Animals 7 to 11 had only one eye dry ice frozen an the other one fixed.

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90

Figure 1

Figure 2

Figure 3

Page 92: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

91

Figure 4

Figure 5

Figure 6

Page 93: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

92

2° Artigo.

Dopaminergic cell populations in the rock cavy (Kerodon rupestris) retina:

Morphometry and topographic distribution

Submetido à revista "Visual Neuroscience"

Classificação no QUALIS: A1

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93

Dopaminergic cell populations in the rock cavy (Kerodon rupestris) retina:

Morphometry and topographic distribution

FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA1,3

, BELMIRA LARA DA SILVEIRA ANDRADE-

DA-COSTA2, EXPEDITO SILVA DO NASCIMENTO JÚNIOR

3, JUDNEY CLEY

CAVALCANTE3, FAUSTO PIERDONÁ GUZEN

4, JEFERSON DE SOUZA

CAVALCANTE3,5

, JOACIL GERMANO SOARES3, JOSÉ RODOLFO LOPES DE PAIVA

CAVALCANTI4, EUDES EULER DE SOUZA LUCENA

6, LEANDRO MOURA DE

FREITAS3, PAULO LEONARDO ARAÚJO DE GÓIS

3, MIRIAM STELA MARIS DE

OLIVEIRA COSTA3*

1 Departamento de Ciências Biológicas, Centro de Ciências Biológicas e da Saúde,

Universidade Regional do Cariri - URCA, Crato, CE, Brazil

2 Departamento de Fisiologia e Farmacologia, Centro de Ciências Biológicas, Universidade

Federal de Pernambuco - UFPE, Recife, PE, Brazil

3 Departamento de Morfologia, Laboratório de Neuroanatomia, Centro de Biociências,

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, Natal, RN, Brazil

4 Faculdade de Ciências da Saúde, Departamento de Ciências Biomédicas, Universidade do

Estado do Rio Grande do Norte - UERN, Mossoró, RN, Brazil

5 Departamento de Fisiologia, Laboratório de Neuroanatomia, Centro de Biociências,

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, Natal, RN, Brazil

6 Departamento de Odontologia, Universidade do Estado do Rio Grande do Norte - UERN,

Caicó, RN, Brazil.

Running title: Dopaminergic cell types in the rock cavy retina

Text pages: 23; Tables: 02; Figures: 08

*Corresponding author:

Tel.: +55 84 32153431

Fax: +55 84 32119207

E-mail address: [email protected]

Page 95: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

94

Abstract

The rock cavy (Kerodon rupestris) is a Brazilian crepuscular rodent with some

peculiarities in its circadian timing system, which has been used as animal model in

Chronobiology studies. This study aims to analyze parameters for retinal light sensitivity,

characterizing dopaminergic cell populations, also involved in the rhythmicity of this tissue.

Retinal vertical sections and whole-mounts of 6 adult animals were processed for tyrosine

hydroxylase (TH) enzyme immunoreactivity. The coexistence of GABA in TH-

immunoreactive (TH-IR) cells was also analyzed. In retinal whole-mounts, the total TH-IR

cell population was 2,156 ± 469 cells in retinas with total area of 198.164 ± 20.4 µm2.

Considering the topographical distribution, level of stratification in the inner plexiform layer

(IPL) and morphometric parameters, two types of TH-IR cells were detected. Type 1 cells,

soma cell body size ranging from 120.047 to 269.373 µm2 and processes stratifying in

sublamina 1 of the IPL. Type 2 cells had smaller cell bodies size (54.848 to 177.142 µm2),

were faintly labelled and located mainly into the IPL. These cells comprised ~10% of the total

TH-IR cell number. A few TH-IR cells were also detected in the ganglion cell layer. Types 1

and 2 cells showed a similar topographic distribution characterized by a region of higher

density located in a streak along the naso-temporal axis of the superior retina. In this region,

type 1 and type 2 cells showed maximum density of 22 ± 3 and 8.2 ± 2 cells/mm2

respectively. The presence of GABA was detected in both TH-IR cell types. A similar

topographic distribution of two distinct dopaminergic cell types in the rock cavy retina

suggests that both cell types could contribute to increase the sensitivity gain in the superior

retina under photopic and especially under mesopic conditions when this species maintains

the peak of its exploratory activity.

Keywords: Dopamine, Kerodon rupestris, Light-adaptation, Retina, Tyrosine hydroxylase.

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95

Introduction

The rock cavy (Kerodon rupestris, order Rodentia, family Caviidae) is a Brazilian

rodent found in the northeastern Brazil, inhabiting the caatinga (Cabrera, 1961; Lacher, 1981).

Phylogenetic studies using a molecular approach (Rowe & Honeycutt, 2002) have associated

the genus Kerodon with the genus Hydrochaeris which includes the capybara (family

Hydrochaeridae). It is also closely related to the Dolichotis genus of the subfamily

Dolichotinae, whose representative in South America is the Patagonian Hare (Dolichotis

patagonum).

Although the rock cavy can be active during photophase and scotophase, studies

investigating circadian motor activity indicate that this species has predominantly crepuscular

habits (Sousa & Menezes, 2006). Previous studies from our laboratory have shown that this

rodent has a retino-hypothalamic projection similar to that described for other diurnal or

nocturnal mammals (Nascimento Jr. et al., 2010b), but peculiarities were found with regard to

the distribution of vasoactive intestinal peptide (VIP) and vasopressine (VP) positive neurons

in the suprachiasmatic nucleus (Nascimento Jr. et al., 2010b). Analysis of other visual

pathways showed that the rock cavy has direct retinal projections to the thalamic

paraventricular (PVT) (Nascimento Jr. et al., 2008) and mediodorsal (MD) (Nascimento Jr. et

al., 2010a) nuclei, involved in circadian rhythms and modulation of visual recognition,

respectively. Such features are also different from those found in other mammals. To our

knowledge, however, none of these previous studies have investigated the retinal organization

of this species, or retinal parameters related to light sensitivity or circadian activity.

In the retina, several physiological phenomena follow a circadian rhythm, including

those related to visual sensitivity, such as changes in the rod outer segment disc shedding and

phagocytosis by the retinal pigment epithelium (Iuvone et al., 2005). In addition, the

expression of visual pigment genes, the levels of second messengers and the activity of

Page 97: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

96

enzymes involved in the visual signal transduction, are also cyclic (Iuvone, 1990). Circadian

changes in the luminosity directly influence the synthesis and release of melatonin from

photoreceptors and dopamine from amacrine and interplexiform cells (Iuvone & Gan, 1995;

Iuvone et al., 2005). On the other hand, dopamine release in response to light and circadian

clocks drives daily rhythms of protein phosphorylation in photoreceptor cells (Pozdeyev et al.,

2008).

The retinal dopaminergic system is fundamental to the light/dark adaptation process and

contrast perception, contributing also to the circadian rhythmicity either by the presence of

core circadian clock genes or by interaction with intrinsically photosensitive ganglion cells

containing melanopsin (Djamgoz et al., 1997; Hatar et al., 2003; Witkovsky et al., 2003;

Vugler et al., 2007; Pozdeyev, 2008; Cameron et al., 2009). Interplexiform dopaminergic cells

play an essential role in light adaptation transferring inner plexiform layer (IPL) information,

primarily related to dynamic and temporal aspects of visual stimulus, back to the external

plexiform layer (OPL), mainly related to static and spatial aspects of lighting (Witkovsky et

al., 2008). Related to this, dopamine is able to modify horizontal cells activity, modulating the

coupling among these cells (Cohen & Dowling, 1983; Mangel & Dowling, 1987; Weiler &

Akopian, 1992; Dong & McReynolds, 1992). Most of these dopaminergic functions, both in

the outer or inner retina, are fundamental for the contrast gain in environments under different

lighting conditions (Sannita, 1995; Witkovisky, 2004) and can be modulated by gamma-

aminobutyric acid (GABA).

A comparative analysis of several vertebrate retinas has indicated that dopaminergic cell

types, their topographic distribution and concomitant expression of GABA can differ among

the species (Mitrofanis et al., 1988; Nguyen-Legros et al., 1997). Moreover, the dopamine

activity enhancing the retinal sensitivity to light through photoreceptors or ON bipolar cells

Page 98: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

97

depends on reciprocal interactions between dopaminergic and GABAergic amacrine cells

(Witkovsky, 2004).

Therefore, considering the crepuscular activity pattern of rock cavy and some

peculiarities previously described, with respect to its retinal projections to circadian timing

system (Nascimento Jr. et al., 2010b) we decided to analyze retinal parameters related to light

sensitivity. In the present work, we started a series of these studies, analyzing the retinal

dopaminergic cell populations in relation to their topographic distribution, stratification

pattern and morphometric parameters, as well as on the coexistence of GABA in these cell

populations.

Materials and methods

Animals and tissue preparation

The eyes were obtained from 6 adult rock cavies coming from the municipality of

Jucurutu, Northeast region of the Rio Grande do Norte, Brazil, as authorized by the Brazilian

Institute of Environment and Renewable Natural Resources (IBAMA, SISBIO #22403-1).

Maximum care was taken to prevent pain and suffering to animals during the experimental

procedures, according to the criteria established and approved by the Ethics Committee for

Experimental Animal Care of the Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), #

0152009, in accordance with the National Research Council of the National Academy

published in the book "Guidelines for the Care and Use of Mammals in Neuroscience and

Behavioral Research". The animals were first submitted to dark adaptation for three hours,

then were pre-anesthetized with tramadol hydrochloride (Cristalia, Brazil) and xylazine

(Agener União, Brazil), both 5 mg/kg, and maintained with isoflurane (Biochimico, Brazil)

and oxygen 100%. Under deep anesthesia, animals were perfused transcardially with 300 ml

of 0.9% saline solution in 0.1 M phosphate buffer, pH 7.4 (PB), containing heparin (Parinex,

Page 99: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

98

Hipolabor, 2 ml/1000 ml of saline solution), followed by 700 ml of fixative solution,

consisting of 4% paraformaldehyde solution in 0.1 M phosphate buffer (PB), pH 7.4.

After perfusion, the eyes were enucleated and dorsoventral and nasotemporal axes were

properly identified with an incision in the superior and temporal eye regions for posterior

retinal orientation. Then, the eyecups were immersed in buffered PA 4% (Sigma-Aldrich) for

2 hours followed by immersion in PB 0.1 M, pH 7.4. For whole-mount preparations, the

retinas were carefully dissected and kept in 0.1 M PB, pH 7.4, 4°C. In order to obtain vertical

sections, three distinct animal retinas were crioprotected with 30% sucrose in PB 0.1 M, and

representative pieces of central and peripheral regions were sectioned (20 µm thickness), in a

cryostat (Leica CM 1900, Germany). The sections were placed on gelatin-coated slides and

stored at -20°C until their use for immunohistochemical procedures.

Whole-mounts preparation and immunohistochemistry

Retinal whole-mounts from 6 different animals were obtained according to Stone

(1981). For removal of pigment epithelium firmly adhered to the retinal tissue, the protocol

described in Hemmi & Grünert (1999) was adopted, with minor modifications, using

hydrogen peroxide (H2O2) 10% in phosphate buffered saline (PBS) by 24h. After this

procedure, the retinas were washed several times in PBS and treated with Hyaluronidase (510

UI/ml) in PBS for 30 minutes at 37 °C to remove the vitreous humour. The tissue antigenic

recovery was obtained by imersion in 0.2 M borate buffer, pH 9 for 60 minutes at 70 °C,

followed by three washes in PBS for 5 minutes each. Inactivation of endogenous peroxidase

was obtained using 10% methanol + 3% H2O2 in PBS, for 15 min, followed by three washes

in PBS (5 min each) and one wash in PBS + 5% Triton X-100 for 30 min. Following three

rinses in PBS (5 min each), the preparation was incubated in 10% normal goat serum (NGS)

in PBS+ 0.3% Triton X-100 (PBSTX) for 2 h, followed by rabbit polyclonal anti-TH primary

antibody (1:500, Millipore) and 1% NGS for 5 days at 4 °C. After several rinses in PBS, the

Page 100: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

99

tissue was incubated in the goat-anti- rabbit biotinylated secondary antibody (1:1,000,

Jackson Immuno Research Lab) for three days at 4 °C and then in avidin-biotin-peroxidase

complex (1:200, ABC kit Vector) for three days at 4 °C followed by 3.3'-diaminobenzidine

tetrahydrochloride (DAB). All antibodies were diluted in PBSTX. After the reaction, the

retinas were whole-mounted on gelatin-coated slides, with the ganglion cells layer upwards

keeping their orientation. After being dried at room temperature, the retinas were dehydrated,

cleared with xylene and mounted using Entellan ® (Merck). The immunohistochemistry

procedure adopted in retinal vertical sections was similar to the description above, except for

shorter incubation periods for the primary and secondary antibodies (24 and 1 h, respectively),

and ABC (1 h). In this case hyaluronidase treatment was not used.

Double-labelling

In retinal vertical sections, double-labeling experiments were also carried out to

investigate GABA co-localization in TH-IR cells. In this case, the sections were incubated

first in a solution containing 1% bovine serum albumin (BSA) plus 0.3% Triton X-100 for 60

min and then simultaneously with polyclonal rabbit anti-TH (1:500; Millipore) and

polyclonal guinea pig anti-GABA (1:500; Protos Biotech Inc.) antibodies for 24 h at 4°C.

Then, the sections were rinsed in PB and incubated with fluorescein anti-guinea pig IgG

(Vector) and Rhodamine-conjugated 546 anti-rabbit IgG (Jackson Immuno Research Lab) for

4 h. After rinsed in PB, the double-labeled sections were mounted in glycerol 40% in PB and

analyzed using epifluorescence microscope (Leica, DM LB).

Analysis of the data

Six whole-mounted retinas were used to measure total retinal area, TH-IR cell

morphometric parameters and center-periphery cell density. Analysis of topographic

distribution of TH-IR cells was obtained from adjacent sampling windows throughout all

Page 101: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

100

retinal extension in order to obtain a count of all TH-IR cells. Around 227 to 312 sampling

windows (size frame = 0.98 mm wide x 0.78 mm high x 0,2 mm thick) were analyzed in 6

rock cavy retinas using 10 X objective. The count values in each sampling window were

transferred to a map of the retina in order to obtain numerical distribution of TH-IR cell

populations.

Analyses of cell body size and stratification pattern of TH-IR cells were made from

digital images obtained via video camera (Nikon DXM1200) coupled to a Olympus (BX41)

microscope, 100 X/1.25 aperture oil immersion lens. Cell counts and body cell size

measurements were carried out using Image J 1.45 s (National Institutes of Health, USA)

software. The non-parametric Mann-Whitney test, α = 0.05, was used to analyze differences

in the cell body size among TH-IR cell subsets.

RESULTS

Characterization of dopaminergic cells in retinal vertical sections

Figure 1 illustrates a panel containing vertical sections of rock cavy retina

immunoreacted for TH showing various types of dopaminergic cells, their localization and

stratification pattern in the IPL. Analysis of these sections showed that the majority of TH-IR

cells have their cell bodies located in innermost region of the INL and stratify mainly in the

sublamina 1 of the IPL forming a dense plexus (Fig. 1A); but a number of these cells send

their processes to the innermost layers of the IPL (arrows in Fig. 1B). Some TH-IR neurons

might be defined as interplexiform cells, by the presence of processes extending from the INL

to the OPL, both coming from the cell body itself (Fig. 1B-D) as well as from the IPL

outermost sublamina (not shown). A smaller proportion of TH-IR cell bodies was observed in

the transition between INL and IPL (Fig. 1E) or in the middle portion of the IPL (Fig. 1F).

Occasionally some TH-IR cells were seen in the GCL (Fig. 1G-H). Dopaminergic cell

Page 102: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

101

processes forming rings around a number of cell bodies were visualized along the entire

extension of the retina (Fig. 1B, arrow head).

Please insert Figure 1 around here

TH-immunoreactivity on whole-mounts

Analysis of TH-IR cells in whole-mounts showed that these cells display several types

of arborization patterns. Some cells show only a primary dendrite, while others have 2-4

primary dendrites emerging from the cell body forming a wide net of fibers in the IPL. This

net of fibers exhibits a non homogeneous pattern, with many varicosities and ring structures

along the entire extension of the IPL (arrows in Fig. 2). Double labelling experiments for TH

and calbindin show the presence of TH-IR interplexiform cell processes at the level of the

horizontal cell somata, near OPL (Fig. 3).

Please insert Figures 2 and 3 around here

Cell subtype analysis

According to amount of immunolabelling, location and level of arborization in the IPL,

two subpopulations of TH-IR cells were identified in the rock cavy retina, which were

classified as type 1 and type 2. Type 1 cells were more intensely stained for TH than type 2

cells, were located in the INL and arborized predominantly in the sublamina 1 of IPL. Type 2

cells were located predominantly into the IPL and arborized mainly in the innermost

sublaminae of IPL. Figure 4 illustrates digital images of retinal whole-mounts in high (Fig.

4A) and low (Fig. 4B) magnifications showing the two types of TH-IR cells using DAB

reaction. Upon examination of retinal whole-mounts stained for TH immunofluorescence and

confocal microscopy it was possible to see that perikarya and proximal dendrites of type 1

TH-IR cells are specifically located in the innermost region of INL and IPL (Fig. 5).

Page 103: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

102

Please insert Figure 4 and 5 around here

Based on these previous parameters analyzed, we investigated whether these two TH-IR

subpopulations could differ with respect to cell body size. Type 1 cells exhibited a spectrum

of cell body area ranging from 120.047 to 269.373 µm2 and a diameter ranging from 13.280

to 23.060 µm (N=300 cells of 6 retinas). These values are significantly higher than those

detected in the type 2 cells, whose area varied from 54.848 to 177.142 µm2 and the diameter

from 9.491 to 17.470 µm (N=300 cells of 6 retinas, p < 0.001; MannWhitney test). Figure 6A

illustrates the cell body size spectrum of both TH-IR cell subpopulations and figure 6B

compares the median values, maximum and minimum obtained for each cell subpopulation.

Please insert Figure 6 around here

Topographic distribution of dopaminergic cells in whole-mounts

Analysis of topographic distribution of the TH-IR cells, including the interplexiform

and amacrine cells was carried out in retinal whole-mounts of 6 animals. This analysis was

obtained from the count of cells in adjacent and successive fields along the extent of each

retina examined in order to obtain the total number of TH-IR cells. Data of body weight,

retinal area, number of sampling windows and the total number of TH-IR cells of each animal

are described in Table 1. Such analysis showed an asymmetry in the topographic distribution

of the total TH-IR cell population as well as in each one cell sub-population (Fig. 7).

Regarding to the total TH-IR cell population, the region of higher cell density was detected in

a horizontal band along the naso-temporal axis, in the superior retina, above the optic disc. In

this region the higher number of cells per sampling window (0.78 mm x 0.98 mm x 0.2 mm)

was 19 ± 2.0 cells which corresponds to 25 ± 3 cells/mm². A horizontal band below the optic

disc was also observed in the inferior retina, where the higher number of cells per sampling

Page 104: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

103

window was 14 ± 2.0 cells, corresponding to 18 ± 3.0 cells/mm2. Considering the total

number of TH-IR cells and the retinal total area, an average TH-IR cell density of 11 ± 2

estimated. The total number of cells obtained for type 1 and 2 cell subpopulations was

respectively 1,931 ± 424 and 226 ± 65 cells. Table 2 compares morphometric and distribution

parameters of type 1 and type 2 cells obtained from 6 retinal whole-mounts.

Please insert Figure 7 and tables 1 and 2 around here

Co-localization of GABA in TH-IR cells

In retinal vertical sections stained for TH and GABA immunofluorescence, we detected

that some of type 1 (Fig. 8, panel A, C, E) and type 2 (Fig. 8, panel B, D, F) TH-IR cells

contain GABA.

Please insert Figure 8 around here

DISCUSSION

Retinal dopaminergic cells are especially important for the contrast gain in

environments with different lighting conditions, contributing to retinal sensitivity and

rhythmicity. In the present study, morphological parameters and topographic distribution of

TH-IR neurons were analyzed in order to characterize retinal dopaminergic cell populations in

the rock cavy Kerodon rupestris, which has predominantly crepuscular activity. Two

subpopulations were described as having type 1 and type 2 cells corresponding to 90 and

10%, respectively of the total number of TH-IR cells. These cell subpopulations are

morphologically similar to dopaminergic cell subtypes described for the retina of rat, guinea

pig, cat, rabbit and primates (Mitrofanis et al., 1988; Mariani & Hokoc, 1988; Mitrofanis &

Provis, 1990; Tauchi et al., 1990; Guimarães & Hokoç, 1997). However, a peculiarity in the

retina of rock cavy is that both type 1 and type 2 cells are mainly concentrated at the same

Page 105: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

104

region of the superior retina, defining a horizontal visual streak just above the eccentric

position of optic disc. Such distribution shows the absence of a topographic subdivision

between these cell populations along the vertical axis of the retina, unlike that observed for

dopaminergic cell subtypes of most mammals studied so far (Oyster et al., 1985; Mitrofanis et

al., 1988; Mariani & Hokoc¸ 1988; Mitrofanis & Provis, 1990; Tauchi et al., 1990; Guimarães

& Hokoç, 1997; Eglen et al, 2003).

In the rock cavy retina, the partial coexistence of GABA in both TH-IR subpopulations

reinforces the idea that they may share some of the neurochemical features involved in a

modulatory activity in the inner retina. However, we cannot discard the possibility that type 1

and type 2 cells display distinct functional roles, taking into account their differences in cell

body size, dendritic arborization, intensity of TH immunoreactivity and stratification pattern

into the IPL. Early and recent studies on the retina of a number of mammals have shown that

type 2 cells expressing low levels of TH, potentially express other catecholamines (Mitrofanis

& Finlay, 1990; Knop et al., 2011). In mice, for example, such cells stratify predominantly in

the innermost sublaminae of IPL, where they receive input of ON and OFF bipolar cells, can

contain GABA and are physiologically distinct from type 1 cells (Knop et al., 2011). With

respect to photic sensitivity, it has also been demonstrated in mice that these cells display

remarkably uniform responses in both scotopic and mesopic conditions (Knop et al., 2011).

Although functional analyses have not been carried out in the present study, it is possible that

in rock cavy, that these cells contribute to increase sensitivity gain in the superior retina in

photopic and especially under mesopic conditions when this species maintains the peak of its

exploratory activity and uses its inferior visual field in order to capture diverse food items

during foraging behavior (Lacher, 1981).

The density of dopamine neurons in the retina of vertebrates is low, but each cell gives

rise to numerous processes that radiate far enough to overlap processes of other dopaminergic

Page 106: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

105

and non-dopaminergic cells. This arrangement allows dopamine to act both locally and in

distant synapses through a volume transmission which contributes to modulatory functions in

different type of cells located either in the inner or outer retina (Kramer, 1971; Bjelke et al.,

1996) considering that almost all the retinal layers contain receptors for dopamine (Tran &

Dickman, 1992; Nguyen-Legros et al., 1999). The average density by mm2 of the two type of

TH-IR cells in the rock cavy was 11, a value very close to that described for the hamster, 12

(Mitrofanis & Finlay, 1990) and rhesus monkey, 14 (Dacey, 1990), but lower than what has

been observed in the cat retina, 17 (Oyster et al., 1985); rabbit, 19 (Brecha et al., 1984);

guinea pig, 20 (Mitrofanis et al., 1988); gerbil, 20 (Mitrofanis & Finlay, 1990); humans, 21

(Nguyen-Legros et al., 1984) cynomolgus monkey, 23 (Nguyen-Legros, 1988); ferret, 23

(Eglen et al., 2003), tree shrew, 25 (Müller & Peichl, 1991); rat, 26 (Martin-Martinelli et al.,

1994); and mouse, 32 (Versaux-Botteri et al., 1984).

It is well established that dopaminergic neurons may receive information from more

than one type of bipolar cells and send synapses to AII glycinergic amacrine cells and A17

GABAergic cells which are involved in the rod pathway (Witkovsky, 2004; Knop et al., 2011;

Demb & Singer, 2012). Evidence obtained in several mammals indicates that the perikaryon

of AII and A17 amacrine cells are located within the rings formed by axon-like processes of

dopaminergic cells (Nguyen-Legros et al., 1997; Witkovsky et al., 2005). In retinal vertical

sections and flat mounts of rock cavy retina, TH immunohistochemistry demonstrated the

presence of multiple rings along the full extension of the dopaminergic processes, whose

diameters varied from 8 to 14 µm, therefore, similar in size to that described for the retina of

mice (Versaux-Boteri et al., 1984; Wulle & Schnitzer, 1989). Contini & Raviola (2003), using

electron microscopy concluded that retinal dopaminergic cells of rats and mice whose

extensions form rings involving the AII amacrine cells are also GABAergic. Although

dopamine and GABA may be released from these cells exerting paracrine actions in the inner

Page 107: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

106

retina, these two bioactive substances may exert different roles in the information transfer

from rod bipolar to cone bipolar cells. It has been discussed that GABA can inhibit the action

of dopamine via inhibition of TH activity or synthesis (Nguyen-Legros et al., 1997).

Therefore, considering that in the rock cavy retina, co-existence of GABA occurs in part of

both type 1 and type 2 TH-IR cell subpopulations, it is possible that each one of these

subpopulations can be also subdivided into distinct functional subtypes regarding retinal

sensitivity and light-dark adaptation process.

The percentage of dopaminergic amacrine cells located into the GCL varies greatly between

species and represents approximately 1 and 2.5% in the retina of Sprague-Dawley and Wistar

rats respectively (Martin-Martinelli et al., 1994), 4% in the hamster (Mitrofanis & Finlay,

1990), 6% in the cat (Oyster et al., 1985) while it reaches 40% in the retina of dogs (Peichl,

1991). Moreover, even within the retina of dogs this proportion varies greatly, ranging from

10 to 85%, with no consistent pattern among the specimens (Peichl, 1991). The presence of

these cells was not observed in the retina of rabbits (Müller & Peichl, 1991). In the rock cavy

retina, TH-IR cells were detected in the GCL in greatly reduced numbers. Considering the

stratification pattern, some of these extend their processes to the outer and others to the

innermost sublayers of IPL, suggesting that they may participate in more than one type of

synaptic circuit along the ON and OFF pathways. The presence of dopaminergic cells located

in the GCL in rodent retinas has been discussed as an accidental displacement promoted by

errors during retinal development. Even differences in their stratification pattern in the IPL do

not necessarily mean that they compose separate cell populations (Martin-Martinelli et al.,

1994). Eglen et al. (2003) showed that in the ferret retina, dopaminergic amacrine cells found

in both the INL and the GCL form a single regular mosaic suggesting that they should be

regarded as one single population even though a subset randomly migrated into the GCL.

Although we have not carried out a systematic quantitative assessment throughout the retina,

Page 108: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

107

it is possible that the low number of TH-IR cells located in the rock cavy GCL represents the

same trend seen in other rodents regardless of their daily activity rhythms.

In conclusion, we have shown that in the rock cavy retina TH-immunreactivity occurs

in amacrine and interplexifom cell subtypes which were grouped in two distinct TH-IR cell

subpopulations with regard to morphometric parameters and stratification pattern of their

processes in the IPL. The topographic distribution pattern of TH-IR cells in the rock cavy

retina is distinct from that described in other rodents, reinforcing the heterogeneity of

dopaminergic cell distribution observed along the phylogenetic scale. Nevertheless, the visual

streak formed by both TH-IR cell subpopulations in the rock cavy superior retina seems to be

coherent with a sensitivity gain in the inferior visual field. This visual field is predominantly

used during foraging behavior under photopic and particularly under mesopic conditions,

when this species maintains the peak of its exploratory activity.

Page 109: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

108

Acknowledgments

The authors are grateful to Dra. Ana Maria de Lauro Castrucci who gently assisted us in

the purchase of antibodies and suggestions; the Instituto Internacional de Neurociências de

Natal (IINN-ELS) and the Instituto do Cérebro de Natal (ICE-UFRN) for the use of their

Confocal Laser Microscope and the Laboratório de Bioquímica da UFRN and Laboratório de

Citogenética da UFPE, where we used the Immunofluorescence Microscope.

This work was supported by National Council for Scientific and Technological Development

(CNPq), Coordination for High Level Staff Improvement (CAPES), Research and Projects

Financing (FINEP), and Foundation for the Support of Research of the State of Rio Grande do

Norte (FAPERN), Brazil.

Page 110: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

109

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Page 117: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

116

LEGENDS OF FIGURES

Figure 1. Vertical sections of rock cavy retina immunostained for TH showing in A:

presumed amacrine cells with soma located in the innermost region of INL; B, C and D:

presumed interplexiform cells. Note an apical process extending to the OPL. E: presumed

amacrine cell body in the interface between INL and IPL. F: presumed amacrine cell body

into the IPL; G and H: presumed amacrine cell bodies in the GCL. PL, photoreceptor layer;

ONL, outer nuclear layer; OPL, outer plexiform layer; INL, inner nuclear layer; IPL, inner

plexiform layer; GCL, ganglion cell layer. Scale bar = 20 µm.

Figure 2. Whole-mounted rock cavy retina immunostained for TH showing immunoreactive

cells and their varicosities. Arrows indicate ring-like structures. Scale bar = 40 µm.

Figure 3. Whole-mounted retina immunostained for calbindin (red) and TH (green) showing

dendritic arborization of a presumed interplexiform cell at the same level of calbindin positive

horizontal cell bodies in the outermost region of INL. Scale bar = 60 µm.

Figure 4. Whole-mounted retina immunostained for TH showing immunoreactive cells in A,

better visualized in high magnification in B, in which it is distinguished type 1 (arrow) and

type 2 (arrow head) cells. Scale bar = 20 µm in A and 100 µm in the B.

Figure 5. Confocal photomicrographs of whole-mounted retina stained for TH, taken at

different focal levels of the same field, detaching a type 1 dopaminergic cell trough retinal

layers. Focus on the: A-C, inner nuclear layer; D, sublamina 1 (S1) of the inner plexiform

layer; E, sublamina 3 (S3); F, nerve fiber layer. Arrows head indicate ring-like structures.

Scale bar = 60 µm.

Figure 6. A: Comparative frequency histograms of type 1 and type 2 dopaminergic cells soma

area in the rock cavy retina, showing the predominant classes of size between these cell

Page 118: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

117

subpopulations. B: Note the significant difference between the values of medians, maximum

and minimum of these two cell subpopulations (p<0,001 Mann Whitney test).

Figure 7. Topographic distribution of total (A), Type 1 (B) and Type 2 (C), TH-immunoreactive

cells in a representative rock cavy retina. The optic disc is represented by an open circle. Black

circles of different sizes represent the number of cells. Adjacent sampling windows were sampled,

covering the retina systematically. Scale bar = 2 mm.

Figure 8. Vertical sections of rock cavy retina double fluorescence stained for TH (red) and

GABA (green). A-C: type 1 cells; D-F: type 2 cells. Arrows indicate points of co-localization.

Scale bar = 60 µm.

Page 119: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

118

Figure 1.

Page 120: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

119

Figure 2.

Figure 3.

Figure 4.

Page 121: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

120

Figure 5.

Page 122: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

121

Figure 6.

Figure 7.

Page 123: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

122

Figure 8.

Page 124: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

123

Table 1. Animals and retinas data.

Animal Weight Retinal area

(mm2)

Sampling

windows

TH-IR cell

number

01 542.5 g 210.287 270 2,651

02 725.5 g 210.622 279 2,080

03 418.5 g 167.586 225 2,196

04 647.0 g 188.189 240 1,360

05 390.5 g 188.532 235 2,046

06

Mean

SD

483.0 g

534.5

131.2

223.767

198.164

20.42

308

259.5

31.7

2,607

2,157

469

Table 2. Comparative data between type 1 and type 2 dopaminergic cells.

Type 1 cells Type 2 cells

Maximum density

22 ± 3/mm2

8 ± 2/mm2

Minimum density 2 ± 1/mm2 1/mm

2

Center-periphery gradient 17 ± 5/mm2 7 ± 2/mm

2

Cell body area 120.047 to 269.373 µm2 54.848 to 177.142 µm

2

Cell body diameter 13.280 to 23.060 µm 9.491 to 17.470 µm

Total number of DA cells/retina 1,931 ± 424 226 ± 65

Page 125: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

124

3° Artigo

The topography of cone photoreceptors in the retina of a crepuscular

rodent, the rock cavy (Kerodon rupestris)

A ser submetido à revista "Visual Neuroscience"

Classificação no QUALIS: A1

Page 126: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

125

The topography of cone photoreceptors in the retina of a crepuscular rodent, the rock

cavy (Kerodon rupestris)

FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA*1,3

, BELMIRA LARA DA SILVEIRA ANDRADE

DA COSTA2,

EXPEDITO SILVA DO NASCIMENTO JÚNIOR3, JUDNEY CLEY

CAVALCANTE3, FAUSTO PIERDONÁ GUZEN

4, JEFERSON DE SOUZA

CAVALCANTE,3,5

, JOACIL GERMANO SOARES3, MARIANA DIAS LEITE

3,

LEANDRO MOURA DE FREITAS3, MIRIAM STELA MARIS DE OLIVEIRA COSTA

3

1Departamento de Ciências Biológicas, Centro de Ciências Biológicas e da Saúde

Universidade Regional do Cariri - URCA, Crato, CE, Brazil

2Departamento de Fisiologia e Farmacologia, Centro de Biociências Biológicas, Universidade

Federal de Pernambuco - UFPE, Recife, PE, Brazil

3Departamento de Morfologia, Laboratório de Neuroanatomia, Centro de Biociências,

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, Natal, RN, Brazil

4Faculdade de Ciências da Saúde, Departamento de Ciências Biomédicas, Universidade

Estadual do Rio Grande do Norte - UERN, Mossoró, RN, Brazil

5Departamento de Fisiologia, Laboratório de Neuroanatomia, Centro de Biociências,

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, Natal, RN, Brazil

Running title: Photoreceptors in the rock cavy retina

Text pages: 13;

Tables: 2;

Figures:

*Corresponding author:

Francisco Gilberto de Oliveira

Departamento de Ciências Biológicas,

Centro de Ciências Biológicas e da Saúde

Universidade Regional do Cariri - URCA, Crato, CE, Brazil

Tel.: +55 88 31021212

Fax: +55 88

E-mail address: [email protected]

Page 127: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

126

ABSTRACT

Retinal photoreceptors exert a crucial role in the circadian organization of the whole

organism, and their distribution and subtypes can affect the temporal niche at which the

animals are more active. The rock cavy (Kerodon rupestris, Caviidae) is a crepuscular

rodent belonging to suborder Hystricomorpha, which has been used as a suitable model for

cronobiological investigations. Adopting an immunohistochemical approach, the present

study analyzed how rods and cone photoreceptor subtypes are distributed along the retina of

this rodent. The results shows that the rock cavy retina is rod-dominated but contains cones

for short, medium and long wavelengths distributed along all its extension. Short wavelength

sensitive cones (S-cones) correspond to ~10% of total cone population. Their density ranged

from 7 to 428 cells/mm2 with a peak located in the superior retina, around 3-4 mm dorsal to

the optic disc. Medium and long wavelength sensitive cones (M/L cones) were more

homogenously distributed. Their density varied from 652 to 3,472 cells/mm2

with a discrete

peak located in the ventral retina. Double labeled experiments showed the absence of co-

expression of S and M/L opsins in the rock cavy cones. Altogether, the results indicate a

distinct distribution of S and M/L cones along the retina, suggesting a differential chromatic

or light sensitivity along the visual field of the rock cavy.

Keywords: Cone opsin, immunohistochemistry, Kerodon rupestris, photoreceptors, retina,

rhodopsin.

Page 128: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

127

Introduction

Throughout evolution, the order Rodentia has been one of the most successful, and

thanks to its great adaptive success, became the most varied and abundant among terrestrial

mammals (Anderson & Jones, 1967; Hartenberg, 1981). Considering its characteristics,

Rodentia is divided in several suborders, each one comprising many species endowed with

peculiarities related to the ecological niche which they occupy. Someone maintained diurnal,

while others have adopted nocturnal or crepuscular activity pattern (Kolb & Famiglietti, 1974;

Kolb & Nelson, 1983), which suggest a number of retinal adaptations within these suborders.

These adjustments include, among others, changes in the organization of the neural circuitry

involved in retinal resolution and sensitivity. In addition to the position of the eyes in the

head, shape and size of lens and pupil, the distribution of photosensitive cells in the retina can

identify adaptations of each species to the its temporal niche (Land and Nilsson, 2008).

Understanding the arrangement and organization of the retinal sensory cells provides a

basis for understanding the organization of the visual pathways and the degree of visual

perception of each species in particular (Ahnelt & Kolb, 2000). The retinal photoreceptor

layer of vertebrates is a highly specialized light sensor, formed by millions of individual

photoreceptors, which contributes to encode information present in the image to be conducted

to the brain. The photoreceptors are divided into two basic categories: rods, more sensitive to

light, therefore adapted for vision at low light intensity levels (scotopic vision) and cones,

which are used for daylight vision (photopic), need higher levels of illumination. At

intermediate levels (mesopic), both rods and cones contribute to the vision (Peichl, 2005).

Different amounts of visual pigments and different magnification factors in the

cascade of phototransdution contribute significantly to different sensitivity between cones and

rods. The high convergence of the rods to their postsynaptic neurons, the rod bipolar cells,

Page 129: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

128

increases their sensitivity. The ratio between cones and rods varies considerably among

mammals and is strongly correlated with the daily activity pattern (Peichl, 2005).

Many rodents have dichromatic vision, showing the two classes of cone visual

pigments, in that one is more sensitive to short wavelength and has a maximum absorbance in

ultraviolet or violet parts of the spectrum (called S opsin) and another is more sensitive to

medium or long wavelength, with a maximum of absorbance in the yellow or green regions of

the spectrum (called L opsin) (Rocha et al., 2009).

In several groups of rodents, the study of the identification and distribution of visual

pigments in the photoreceptors have included many representatives. As part of the suborder

Hystricomorpha, we can relate species such as guinea pig (Jacobs & Deegan, 1994; Peichl &

González-Soriano, 1994; Parry & Bowmaker, 2002), degus (Jacobs et al., 2003), african mole

rat (Peichl et al., 2004), cururo (Peichl et al., 2005) and agouti (Rocha et al., 2009).

The rock cavy (Kerodon rupestris) is a Brazilian rodent found in the northeastern

Brazil, inhabiting the caatinga (Cabrera, 1961; Lacher, 1981). It belongs to Hystricomorpha

suborder, that has been studied by Brazilian visual neuroscientists since the eighties

comprising agouti (Dasyprocta aguti and other species), capybara (Hydrochaerus

hydrochaeris), and spotted paca (Cuniculus paca) (Silveira et al., 1989; Picanço-Diniz et al.,

1991; Rocha et al., 2009). Another hystricomorph species, the guinea pig (Cavia porcellus),

has been studied in other laboratories around the world as well (Jacobs & Deegan, 1994;

Peichl & González-Soriano, 1994; Parry & Bowmaker, 2002). The Hystricomorpha suborder

is one of the five rodent suborders accepted in the standard classification of Rodentia using

the shape of the lower jaw (sciurognath or hystricognath) as the primary character –

Anomaluromorpha, Castorimorpha, Hystricomorpha, Myomorpha, and Sciuromorpha.

Page 130: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

129

Although the rock cavy can be active along 24h-day, studies investigating circadian

motor activity indicate that this species has predominantly crepuscular habits (Sousa &

Menezes, 2006).

Thus, considering the pattern of crepuscular activity of the rock cavy and some

peculiarities previously described about retinal projections to the circadian timing system

(Nascimento Jr. et al., 2010a, b), we decide to analyze the types of opsin present in the retinal

photoreceptors of this animal . The present work follows up to a series of studies in which

retinal parameters related to light-sensitivity were analyzed using this experimental model,

started by the topographic distribution of ganglion cells, anatomy of the eye, morphometric

and topographic analysis of dopaminergic cell populations in the retina (unpublished data).

Page 131: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

130

Materials and methods

Animals and tissue preparation

The eyes were obtained from 06 adult rock cavies coming from the municipality of

Jucurutu, Northeast region of the Rio Grande do Norte, Brazil, as authorized by the Brazilian

Institute of Environment and Renewable Natural Resources (IBAMA, SISBIO #22403-1).

Maximum care was taken to prevent pain and suffering to animals during the experimental

procedures, according to the criteria established and approved by the Ethics Committee for

Experimental Animal Care of the Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), #

0152009, in accordance with the National Research Council of the National Academy

published in the book "Guidelines for the Care and Use of Mammals in Neuroscience and

Behavioral Research". The animals were submitted to dark adaptation for three hours, then

they were pre-anesthetized with tramadol hydrochloride (Cristalia, Brazil) and xylazine

(Agener União, Brazil), both 5 mg/Kg, and maintained with isoflurane (Biochimico, Brazil)

and oxygen by inhalation. Under deep anesthesia, animals were transcardially perfused with

paraformaldehyde (PA) 4% in 0.1 M phosphate buffer (PB), pH 7.4.

After perfusion, the eyes were enucleated and dorsoventral and nasotemporal axes

were properly identified with an incision in the superior and temporal eye regions for

posterior retinal orientation. Then, the eyecups were immersed in buffered PA 4% (Sigma-

Aldrich) for 2 hours followed by immersion in PB 0.1 M, pH 7.4. For whole-mount

preparations, the retinas were carefully dissected and kept in 0.1 M PB, pH 7.4, 4°C. In order

to obtain vertical sections, three distinct animal retinas were crioprotected with 30% sucrose

in PB 0.1 M, and representative pieces of central and peripheral regions were sectioned (20

µm thickness), in a cryostat (Leica CM 1900, Germany). The sections were placed on gelatin-

coated slides and stored at -20°C until their use for immunohistochemical procedures.

Page 132: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

131

Whole-mounts preparation and immunohistochemistry

Retinal whole-mounts from 06 different animals were obtained according to Stone

(1981). After this procedure, the retinas were washed several times in PBS and treated with

Hyaluronidase (510 UI/ml) in PBS for 30 minutes at 37 °C to remove the vitreous humour.

The tissue antigenic recovery was obtained by imersion in 0.2 M borate buffer, pH 9 for 60

minutes at 70 °C, followed by three washes in PBS for 5 minutes each. Inactivation of

endogenous peroxidase was obtained using 10% methanol + 3% H2O2 in PBS, for 15 min,

followed by three washes in PBS (5 min each) and one wash in PBS + 5% Triton X-100 for

30 min. Following three rinses in PBS (5 min each), the preparation was incubated in 10%

normal goat serum (NGS) in PBS+0.3% Triton X-100 (PBSTX) for 2 h, followed by rabbit

polyclonal anti-blue opsin or anti-red/green opsins primary antibodies (1:200, Millipore) and

1% NGS for 5 days at 4 °C. After several rinses in PBS, the tissue was incubated in the goat-

anti- rabbit biotinylated secondary antibody (1:1000, Jackson Immuno Research Lab) for

three days at 4 °C and then in avidin-biotin-peroxidase complex (1:200, ABC kit Vector) for

three days at 4 °C followed by 3.3'-diaminobenzidine tetrahydrochloride (DAB). All

antibodies were diluted in PBSTX. After the reaction, the retinas were whole-mounted on

gelatin-coated slides, with the photoreceptor layer upwards keeping their orientation. After

being dried at room temperature, the retinas were dehydrated, cleared with xylene and

mounted using Entellan ® (Merck). The immunohistochemistry procedure adopted in retinal

vertical sections was similar to the description above, except for shorter incubation periods for

the primary and secondary antibodies (24 and 1 h, respectively), and ABC (1 h). Some

vertical sections were also stained for rodopsin using a primary antibody – anti-rodopsin,

raised in mouse at dilution 1:100 and a goat anti-mouse (Vector), 1:200. For vertical sections

hyaluronidase treatment was not used.

Page 133: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

132

Analysis of the data

Eight whole-mounted retinas were used to measure total retinal area. Analysis of

topographic distribution of blue and green/red cones was obtained from sampling fields of

138 x 110 µm, spaced at 0.5 mm throughout all retinal extension. In average 510 ± 96

sampling windows were analyzed in 6 rock cavy retinas using 100 X oil immersion objective.

Digital images of sampling field were obtained via video camera (Nikon DXM1200) coupled

to a Olympus (BX41) microscope, 100 X/1.25 aperture oil immersion lens. Cell counts were

carried out using Image J 1.45 s (National Institutes of Health, USA) software.

Page 134: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

133

Results

Rod and cone photorreceptors in vertical sections

Figure 1 depicts vertical sections of the rock cavy retina stained for hematoxilin-eosin

(fig 1A), and immunoreacted for rodopsin (Fig 1B), blue opsin (fig 1C) and red-green opsin

(fig 1D) showing rod, blue cone and red-green cone outer segments respectively. As can be

seen in figs 1A and 1B, photoreceptor cell bodies are distributed in three to four tiers of outer

nuclear layer (ONL). There is a high proportion of rods as compared to cones.

Cone photorreceptor distribution in whole-mounted retinas

The distribution of S-cones was analyzed in retinas of three animals. In two of them,

465 and 661 sampling windows were used along all retinal extension. In one animal, this

analysis was carried out in 342 sampling windows of the hemiretina, along dorsal-ventral

portion of the temporal retina. The topographic distribution of these cones showed a dorsal-

ventral asymmetry with most of cells located in the dorsal retina. In all animals analyzed, the

density of S-cones ranged from 7 to 428 cells/mm² peaking around 3 to 4 mm dorsal to the

optic disc. Figure 2 shows a map containing S-cone isodensity lines in a representative

animal. Figures 3A and 3B illustrate digital images of retinal fields containing low and high

densities of S-cones.

The distribution of L-cones was analyzed in retinas of three animals. Between 507 and

549 sampling windows were used along all retinal extension. The topographic distribution of

these cones showed density ranged from 652 to 3,472 cells/mm², being more homogeneously

distributed, although with a discrete peak in the ventral retina. Figure 4 shows a map

containing L/M-cone isodensity lines in a representative animal. Figures 5A and 5B illustrate

digital images of retinal fields containing low and high densities of L-cones. In retinal vertical

Page 135: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

134

sections stained for S-opsin and L-opsin immunofluorescence, we detected the absence of

opsin coexpression (Fig.6).

Page 136: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

135

Discussion

In the rock cavy retina, the presence of cones and rods was detected by

immunohistochemical technique. Both vertical sections and flat mounts showed cone outer

segments expressing opsins sensitive to blue and green/red of the spectrum band. The analysis

of the results shows that S cones have a density approximately ten times smaller than L cones,

with different degrees of spatial organization.

M/L cones are distributed almost homogeneously throughout the retina, despite a light

peak cell density in the ventral retina. S cones exhibit a more pronounced dorso-ventral

asymmetry, but their higher density are located in the dorsal retina. Recent data of our lab has

indicated that a "horizontal visual streak" is the neuronal topographic distribution defined by

specialization of ganglion cells, similar to that found in the topographic distribution of

dopaminergic cells (unpublished data), and similar to that found in other Histricomorphas, as

agouti, paca and capybara (Silveira et al., 1989). S cones show a higher density in the dorsal

retina, with peak of density dorsal to the optic nerve. Although M/L cones display a small

peak in the ventral retina, their distribution do not follow a tendency for a specialization like a

visual streak. Recent data on rock cavy retina also shows asymmetry in the distribution of

dopaminergic cell populations, which are more concentrated in the dorsal retina, forming a

visual streak just above the optic disc, (data not shown).

It was previously reported that in the guinea pig retina cone distribution is highly

asymmetric, with the dorsal retina dominated by L cones, containing only 5% of S cones,

while in the ventral retina a large predominance of S cones was found. Additionally, there was

a transition zone, in which the most of cones exhibited co-expression of L and S opsins (Parry

& Bowmaker, 2002). In the agouti retina a rod density around 47.000-64.000/mm2 and a

relatively high average proportion of cones, around 8%, reaching 17% in some points, which

Page 137: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

136

indicates characteristic adaptation to diurnal vision, and consistent with the agouti habits

(Rocha et al., 2009).

By comparing the distribution of ganglion cells (Silveira et al., 1989) and

photoreceptors (Rocha et al., 2009) of the agouti, there is a correspondence between the

topography of L cones and the ganglion cells, in which both exhibit a central specialized

region, the visual streak, and a similar dorsoventral asymmetry. The S cones do not form a

characteristic visual streak, but they have a flatter, with a floating distribution along all the

retina, and have a density of more than 1000 cells/mm2 in the ventral retina.

In the rabbit (Oryctolagus cuniculatus) retina, the visual streak is quite pronounced

(Chievitz, 1891) and the density of cones and ganglion cells overlaps in a horizontal band

slightly below the head of the optic nerve (Hughes, 1971). In the guinea pig (Cavia porcellus)

retina, the ganglion cells form a visual streak, but there is no higher density of cones in this

region (Peichl & Gonzales-Soriano, 1994). The tree shrew retina, cone-dominated, is another

example of incompatibility between photorreceptors and ganglion cells densities. While

ganglion cells form a central peak, both cones and rods have their densities higher in the

ventral retina (Muller & Peichl, 1989; Petry et al., 1993).

Thus, the results herein obtained in the rock cavy, compared to that reported for other

mammals reinforces the idea that the topographic distribution of photoreceptors do not

necessarily reflect those of other cell types of the retina (Szél et al., 1996), but shows

peculiarities of their retinal organization. The present data also suggest a differential light and

chromatic senstitivity along the visual field of the rock cavy.

Page 138: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

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LEGENDS OF FIGURES

Figure 1. - Vertical sections stained with HE and different opsins. (A) - HE; (B) - rodhopsin;

(C) - blue opsin; (D) - red/gree opsin; Scale bar = 20 µm.

Figure 2. - Map of topographic distribution of S-opsin in a wholenounted retina of rock cavy.

The fields in green represent lower densities and higher densities in yellow. The darker

regions represent an increase in these densities. S-top. N-Nasal.

Figure 3. - Wholemounted retina with low density of S-cones in A and high density in B.

Scale bar = 20 µm.

Figure 4. - Map of topographic distribution of L-opsin in a wholemounted retina of rock

cavy. The fields in green represent lower densities and higher densities in yellow. The darker

regions represent an increase in these densities. S-top. N-Nasal.

Figure 5. - Wholemounted retina with low density of L-cones in A and high density in B.

Scale bar = 20 µm.

Figure 6. - Vertical section stained with fluorescence L-opsin, and dab S-opsin, showing

absence of co-expression. Scale bar = 20 µm.

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140

Figure 1

Figure 2

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

X Axis

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

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141

Figure 3.

Figure 4.

6

8

10

12

14

16

18

20

22

X Axis

0

100

200

300

400

500

600

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142

Figure. 5.

Figure. 6

Table 1. L-opsins

Animal Windows Total cones Minimum Maximum Density/mm2

01 549 175.917 147 527 1,158.871

02 534 132.001 99 400 869.570

03 507 109.305 113 460 720.058

Table 2 - S-opsins

Animal Windows Total cones Minimum Maximum Density/mm2

04 465 12.191 1 71 80.309

05 661 12.229 1 44 80.560

06 342 5.309 2 38 34.974

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143

Outros Resultados

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144

Fig.1 - Células ganglionares marcadas com cresil violeta, visualizadas com objetiva de 40-X A - região central superior; B - região periférica superior; C - região central inferior; D - região periférica inferior. Barra de calibragem = 20µm.

Fig. 2 - (A) Axônios marcados com o anticorpo anti β-tubulina, em montagem plana (B) - Visualização em menor aumento de montagem plana marcada com cresil violeta. Barra de calibragem = 400 µm.

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145

Fig. 3 - Visualização em maior aumento de fibras ópticas e células ganglionares marcadas com o anticorpo anti β-tubulina. Barra de calibragem = 20µm.

Fig. 4 - Células horizontais em uma secção vertical marcada com o anticorpo anti-CB em A, e numa montagem plana em B. Barra de calibragem = 20µm.

Fig. 5 - (A) -Dupla marcação com CB-TH ilustrando células horizontais e algumas amácrinas em vermelho, e uma célula amácrina dopaminérgica em verde. (B) Dupla marcação com CB-CR, ilustrando também células horizontais, onde ocorre co-localização do dois anticorpos, e células amácrinas, sem co-localização (B).

A

B

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146

Fig. 6 - Em menor aumento a figura mostra células horizontais e amácrinas marcadas com CR em verde e com CB em vermelho.

Fig. 7 - Secção vertical ilustrando as subcamadas da IPL,marcada com o anticorpo anti-

Neurofilamento. Barra de calibragem = 20 µm

Fig. 8 - (A) Marcação de células amácrinas com PV; (B) células amácinas e fotorreceptores

marcadas com ChAT. Barra de calibragem = 20 µm

Fig. 9 - (A) Células amácrinas marcadas com GABA em (A) e células bipolares marcadas com PKC em (B). Barra de calibragem = 20µm.

A B

A B

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147

5. CONCLUSÕES

Um “visual streak” ou faixa visual horizontal é a especialização neuronal definida pela

distribuição topográfica das células ganglionares;

A retina do mocó é anangiótica e destituída de tapetum;

Na retina do mocó, células amácrinas e interplexiformes apresentam

imunorreatividade a Tirosina Hidroxilase, evidenciando dois tipos distintos de células

dopaminérgicas, com diferentes padrões de imunorreatividade, tamanho do corpo celular e

padrão de distribuição topográfica.

A retina do mocó contém cones e bastonetes e os cones possuem sensibilidade

cromática para o azul (S) e para o verde/vermelho (L);

Os cones S apresentam uma densidade mais elevada na porção dorsal da retina, e os

cones L estão distribuídos de forma mais homogênea;

Do ponto de vista comparativo, o olho do mocó tem similaridades com olhos de outros

roedores da subordem Hystricomorfa, mas apresenta peculiaridades inerentes a forma e

dimensões dos seus elementos ópticos, que o habilitam para um maior ganho em sensibilidade

à luz, em detrimento de uma melhor resolução, compatível com seu padrão de atividade

crepuscular.

Page 149: FRANCISCO GILBERTO OLIVEIRA

148

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS*

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será submetido.

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