Ilusões Visuais: A Retina

Imagem de capa: modelo das camadas da retina humana.

A Retina

No fundo do olho existe uma região muito especial chamada retina.

Ela fica estendida como um grande tapete sensível à luz e tem a importante missão de transformar imagens em mensagens para o cérebro. Ela cobre o fundo do olho como se fosse a superfície interna de um guarda-chuvas aberto.

Ela é formada por diferentes camadas. Cada camada possui células especiais formando um complexo sistema. Todos os dias, milhões de raios de luz chegam à retina. Quando isso acontece, cada camada entra em ação.

A primeira a receber a visita da luz é a camada das fibras nervosas, por onde passam os fios que levam informações para o cérebro. Curiosamente, a luz precisa atravessar essa camada antes de chegar aos verdadeiros especialistas da visão.

Logo a seguir, estão as células ganglionares, os grandes mensageiros. Elas recebem informações processadas e enviam tudo para o nervo óptico, que funciona como uma estrada de comunicação com o cérebro.

Mais adiante encontram-se as células bipolares, verdadeiras centrais de distribuição. Elas recebem sinais dos sensores de luz e os repassam para as células ganglionares.

Mas os verdadeiros protagonistas dessa história vivem em uma camada mais profunda: os fotorreceptores, formados pelas células cones e pelas células bastonetes.

Os bastonetes: guardiões da noite

Os bastonetes são especializados em captar luz fraca e são essenciais para a visão noturna e para enxergar em ambientes pouco iluminados. Eles possuem a seguinte anatomia:

• O segmento externo: a parte longa localizada na extremidade superior (à direita da imagem) da célula. Contém centenas de discos membranosos empilhados, semelhantes a uma pilha de moedas. Esses discos possuem a proteína rodopsina, responsável por captar a luz. Quando a luz atinge a rodopsina, inicia-se um processo que transforma o estímulo luminoso em um sinal elétrico.
• O cílio conector: a região estreita que liga o segmento externo ao segmento interno. Funciona como uma “ponte” entre as duas partes. Permite o transporte de proteínas e materiais necessários para a renovação contínua dos discos do segmento externo.
• O segmento interno fica logo abaixo do cílio conector. É uma região ovalada, rica em mitocôndrias, representadas na imagem por estruturas ovais. As mitocôndrias produzem energia para a célula.
• A região mioide: contém estruturas responsáveis pela produção de proteínas, como o retículo endoplasmático e o complexo de Golgi. Produz os componentes necessários para manter a célula ativa.
• O corpo celular é a região mais alargada no centro da célula. Contém o núcleo, onde está armazenado o DNA.
• O axônio é o prolongamento fino que se estende abaixo do corpo celular. Conduz os sinais elétricos produzidos após a captação da luz. Transporta essas informações para outras células da retina.
• O terminal sináptico é a estrutura arredondada na extremidade inferior. Contém numerosas vesículas sinápticas, pequenas bolsas que armazenam neurotransmissores. Faz contato com neurônios da retina, principalmente células bipolares e horizontais. Transmite a informação visual para o restante do circuito neural da retina.

Os bastonetes são os habitantes mais numerosos da retina. Eles trabalham muito em ambientes escuros.

Quando o sol se põe e a iluminação diminui, os bastonetes entram em ação. Eles conseguem detectar quantidades muito pequenas de luz, permitindo que enxerguemos ao entardecer ou em uma rua pouco iluminada.

Porém, os bastonetes têm uma limitação: eles não distinguem cores. Para eles, o mundo é uma combinação de tons claros e escuros. Por isso, durante a noite tudo parece mais acinzentado.

Os cones: artistas das cores

Os cones são menos numerosos, mas possuem uma função extraordinária. Eles trabalham melhor quando há bastante luz. São os cones que permitem enxergar detalhes, ler letras pequenas, reconhecer rostos e admirar as cores das flores, das roupas e do céu.

Anatomia de uma célula cone da retina, um dos fotorreceptores responsáveis pela visão de cores e pela percepção de detalhes finos.

• Na parte superior (direita da imagem), observa-se o segmento externo, que tem formato cônico e contém uma série de discos membranosos empilhados. É nessa região que a luz é captada.
• Caminhando para à direita, está um estreito cílio conector, uma pequena ponte que liga o segmento externo ao restante da célula e permite a troca de substâncias entre essas regiões.
• A região central alongada corresponde ao segmento interno. Nela encontram-se muitas mitocôndrias, representadas pelas estruturas ovais, que produzem a energia necessária para o funcionamento da célula. Essa área é especialmente importante porque os cones possuem alta demanda energética.
• Mais abaixo está o corpo celular, onde se localiza o núcleo, a estrutura arredondada e mais evidente no centro. O núcleo contém o material genético e coordena as atividades da célula.
• Partindo do corpo celular, segue um axônio fino e alongado, responsável por conduzir os sinais elétricos gerados pela luz.
• Na extremidade inferior (esquerda da imagem) encontra-se o terminal sináptico, com aspecto ramificado. Essa região estabelece conexões com outras células da retina, transmitindo as informações visuais para as etapas seguintes do processamento da visão.

O cone é uma célula especializada que funciona como um “sensor de luz”. A parte superior capta a luz, a região central produz energia e controla a célula, e a parte inferior envia as informações captadas para o sistema nervoso, contribuindo para a visão colorida e de alta nitidez.

Os tipos de Cones

Existem três tipos principais de cones. Cada um deles detecta uma faixa de cor-luz emitida pelo Sol.

Observe nas imagens seguintes, que cores cada um dos cones consegue detectar (região clara) e quais não detecta (região escurecida).

Cones L (vermelhos) possui o pigmento L-opsina (eritrolabe) e responde melhor aos comprimentos de onda “longos” entre aproximadamente 500 e 700 nm. Com maior sensibilidade em 560–565 nm.

Cones M (verdes) possui o pigmento M-opsina (clorolabe) e responde melhor à luz verde. Capta comprimentos de onda “médios” entre aproximadamente 450 e 630 nm. Com maior sensibilidade em 530–535 nm.

O Cones S (azuis) possui o pigmento S-opsina (cianolabe) e responde melhor à luz azul. Capta comprimentos de onda “curtos” entre aproximadamente 380 e 550 nm. Com maior sensibilidade em 420–440 nm.

Quando uma luz amarela ilumina um objeto, por exemplo, os cones M e L são estimulados ao mesmo tempo. O cérebro compara a intensidade dos sinais recebidos e conclui: “Estou vendo amarelo!”

O trabalho em equipe

Observe na imagem abaixo, como cada sistema de cones “veria” a imagem colorida arara-canindé.

Lembre-se que cada cone verifica apenas se há ou não cor-luz na imagem.

Cada sistema de cones, identifica se existe ou não a cor-luz que detecta. E gera uma informação sobre a ausência ou presença da sua cor-luz na região da imagem.

Observe como a região do pescoço e do corpo da arara é “visto” por cada tipo de cone.

• Para os cones azuis é uma região quase preta (sem luz azul).
• Para os cones verdes é uma região clara (possui luz amarela e verde).
• Para os cones vermelhos é uma região super clara (branca), pois possui muita luz amarela e vermelha.

Essa informação começa a ser processada e integrada nas outras camadas da retina, até chegar ao córtex visual no seu cérebro que faz a integração final e constrói a imagem mental colorida da arara-canindé que você enxerga.

A camada da equipe de manutenção e saúde da retina

Depois da camada de cones e bastonetes, existe uma camada chamada epitélio pigmentar da retina, uma espécie de equipe de manutenção e saúde da retina. Essa camada nutre os fotorreceptores, recicla seus pigmentos visuais e absorve a luz excedente para evitar reflexos indesejados.

Quando a luz atinge um cone ou um bastonete, seus pigmentos sofrem uma transformação química. Essa mudança gera um sinal elétrico.

O sinal percorre as células bipolares, chega às células ganglionares e segue pelo nervo óptico até o cérebro.

Somente quando o cérebro recebe e interpreta essas mensagens é que a imagem realmente ganha sentido.

Por que 3 tipos de cones?

A luz do Sol tem um espectro de luz amplo, cobrindo praticamente todas as faixas visíveis. A evolução de diferentes tipos de cones permitiu aos vertebrados distinguir comprimentos de onda distintos presentes na iluminação solar, o que trouxe vantagens como:

• identificar frutos maduros entre folhas;
• reconhecer flores;
• detectar predadores ou presas;
• distinguir indivíduos da mesma espécie;
• interpretar sinais visuais do ambiente.

Um aspecto interessante é que os picos de sensibilidade dos cones humanos (S, M e L) coincidem razoavelmente bem com regiões importantes do espectro solar que chega à superfície terrestre. Isso sugere que o sistema visual foi moldado pela disponibilidade de luz no ambiente diurno.

Além disso, os ancestrais dos mamíferos provavelmente passaram por um período de atividade predominantemente noturna durante a era dos dinossauros, perdendo parte da visão colorida ancestral.

Mais tarde, em alguns grupos, como os primatas, a visão tricromática evoluiu novamente, permitindo distinguir melhor tons de vermelho e verde, algo útil para encontrar frutos e folhas jovens.

O final (ou o começo) da jornada

Assim, cada vez que você observa um pôr do sol, lê um livro ou reconhece o rosto de um amigo, uma complexa equipe está trabalhando dentro dos seus olhos.

• Os cones permitem ver cores e detalhes.
• Os bastonetes ajudam você a enxergar no escuro.
• As células bipolares organizam as informações.
• As células ganglionares enviam as mensagens.
• E o cérebro reúne tudo isso para criar a incrível experiência da visão.

Na retina, milhões de células trabalham juntas todos os segundos para transformar simples raios de luz nas imagens que vemos do mundo.

Outros tipos de visão

Existem muitos tipos de visão no reino animal, alguns bem diferentes da visão humana. Nossa visão tricromática (3 tipos de cones) é apenas uma das soluções evolutivas possíveis.

Visão monocromática: Muitas espécies noturnas ou de ambientes profundos possuem apenas um tipo de fotorreceptor para cor, ou apenas bastonetes. Enxergam basicamente em tons de cinza. Exemplo: alguns mamíferos marinhos profundos.

Visão dicromática: A maioria dos mamíferos terrestres, como cães e gatos são dicromatas. Possuem dois tipos de cones. Distinguem algumas cores, mas muito menos que os humanos.

Visão tricromática: Muitos primatas, incluindo humanos possuem 3 tipos de cones. Isso permite distinguir milhões de cores.

Visão tetracromática: Muitas aves, répteis e alguns peixes possuem quatro tipos de cones. Isso permite distinguir mais combinações de cores do que os humanos. Além disso, muitas aves possuem visão ultravioleta.

Visão pentacromática e superior: Alguns animais possuem cinco ou mais tipos de receptores. Um exemplo famoso é o camarão-louva-a-deus, que possui cerca de 12 tipos de fotorreceptores para cor e ainda receptores para polarização da luz. Curiosamente, acredita-se que o cérebro dele processa as cores de modo diferente do nosso; ter mais receptores não significa necessariamente perceber mais nuances que humanos.

Visão ultravioleta (UV): Abelhas, borboletas, muitas aves e algumas renas podem detectar comprimentos de onda menores que 400 nm. Flores que parecem uniformes para nós frequentemente exibem padrões UV muito contrastantes para insetos polinizadores.

Visão infravermelha: A verdadeira visão infravermelha é muito rara. Algumas serpentes, como: cascavéis, jararacas e jiboias possuem órgãos que detectam radiação térmica emitida por corpos quentes. Elas “veem” o calor das presas mesmo no escuro.

Visão de luz polarizada: Polvos, lulas, camarões-louva-a-deus e alguns insetos tem a capacidade de detectar a direção de vibração da luz. Isso ajuda na navegação e na comunicação.

Visão panorâmica: Cavalos, coelhos e pombos são exemplos de animais com olhos laterais possuem um campo visual enorme. Alguns conseguem observar quase 360° ao redor do corpo.

Visão composta: É a visão típica dos artrópodes, como moscas, abelhas e libélulas. O olho é formado por milhares de unidades chamadas omatídeos. A imagem é menos detalhada que a nossa, mas muito eficiente para detectar movimento.

Um fato interessante é que os ancestrais dos vertebrados provavelmente eram tetracromatas.

Os mamíferos perderam parte dessa capacidade durante um longo período de atividade noturna na era dos dinossauros. Posteriormente, alguns primatas, incluindo os ancestrais humanos, recuperaram uma forma de visão colorida mais sofisticada, evoluindo a tricromacia que temos hoje.

Isso significa que, em certo sentido, nossa visão atual pode ser considerada uma versão reduzida da capacidade cromática de alguns ancestrais vertebrados e de muitas aves modernas.

Como a retina foi descoberta e compreendida

A história da descoberta da retina é um excelente exemplo de como a ciência evoluiu da anatomia macroscópica para a biologia celular e, finalmente, para a bioquímica molecular.

A macroscopia da retina

• Aristóteles (384–322 a.C.) descreveu a anatomia do olho, mas não compreendia a função da retina. Acreditava-se que a visão envolvia um “fluido visual” ou algum tipo de interação direta com os objetos.
• Galeno (129–216 d.C.) foi o primeiro a descrever a retina com certo detalhe anatômico. Reconheceu que ela era uma extensão do nervo óptico, mas ainda acreditava que os ventrículos cerebrais e os “espíritos animais” participavam da visão. Nesse período, a retina era conhecida como uma membrana interna do olho, mas sua verdadeira função permanecia desconhecida.
• Andreas Vesalius (1514–1564) com a dissecação sistemática, refinou a anatomia ocular.
• Johannes Kepler (1571–1630) fez uma descoberta revolucionária: demonstrou que o cristalino projeta uma imagem invertida sobre a retina. Foi a primeira vez que a retina foi identificada como o local onde a imagem óptica se forma.

“Há visão quando uma representação de todo o hemisfério do mundo diante do olho fixa-se sobre a superfície côncava da retina.” Kepler, Ad Vitellionem Paralipomena, quibus astronomiae pars optica traditur (1604).

• René Descartes (1596–1650) desenvolveu modelos mecânicos da visão e fortaleceu a ideia de que a retina era o órgão receptor da luz.

A microscopia da retina

• Marcello Malpighi (1628–1694) usando microscópios primitivos, começou a examinar tecidos oculares em detalhe. A retina passou a ser considerada um tecido complexo e não apenas uma membrana.
• Jan Evangelista Purkyně (1787–1869) descreveu várias estruturas visuais e fenômenos retinianos.
• Heinrich Müller (1820–1864) descobriu as células gliais da retina, hoje chamadas de Células de Müller. Mostrou que a retina possuía organização celular complexa.
• Max Schultze (1825–1874) identificou claramente dois tipos de fotorreceptores: Bastonetes e Cones (cones). Também propôs que bastonetes participavam da visão em baixa luminosidade; e que cones participavam da visão em ambientes iluminados. Essa hipótese seria posteriormente confirmada.
• Santiago Ramón y Cajal (1852–1934) usando a técnica de coloração de Golgi, mapeou os circuitos neuronais da retina. Identificou: células bipolares; células horizontais; células amácrinas; células ganglionares. Foi um dos fundadores da neurociência moderna.

A Bioquímica da retina

• Franz Boll (1849–1879) em 1876 observou um pigmento vermelho nos bastonetes que desaparecia quando exposto à luz. Esse foi o primeiro indício da existência dos pigmentos visuais.
• Wilhelm Kühne (1837–1900) poucos anos depois isolou o pigmento e deu-lhe o nome: Rodopsina. Demonstrou que a luz “descoloria” a rodopsina; no escuro ela era regenerada.Foi o início da fotoquímica da visão.
• George Wald (1906–1997) demonstrou que a rodopsina é formada pela proteína opsina e um derivado da vitamina A, o retinal. Explicou como a absorção da luz desencadeia alterações moleculares. Recebeu o Prêmio Nobel em 1967 por seus trabalhos sobre os mecanismos químicos da visão.
• Ragnar Granit (1900–1991) demonstrou experimentalmente a existência de diferentes sistemas receptores para diferentes comprimentos de onda. Seus estudos ajudaram a confirmar a teoria dos cones para visão de cores.
• Haldan Keffer Hartline (1903–1983) explicou como os neurônios da retina processam contraste e informação visual antes mesmo que os sinais cheguem ao cérebro.

Segunda metade do século XX

Foram identificadas as proteínas dos cones: OPN1SW (azul) , OPN1MW (verde) e OPN1LW (vermelho). Descobriu-se que esses genes produzem opsinas com diferentes sensibilidades espectrais.

Século XXI: retina como rede neural

Hoje a retina não é mais vista apenas como um “filme fotográfico”.

Sabemos que ela realiza processamento complexo: detecção de contraste; percepção de movimento; adaptação à luminosidade; e filtragem de informações visuais.

Além disso, estudos genéticos modernos identificaram centenas de proteínas e genes envolvidos no funcionamento retiniano, incluindo os mecanismos evolutivos que deram origem aos bastonetes e cones. Pesquisas do National Eye Institute sugerem que os bastonetes podem ter evoluído a partir de ancestrais semelhantes aos cones durante a evolução dos mamíferos.

É interessante notar que a compreensão da retina levou mais de 2.000 anos para evoluir de uma simples “membrana ocular” à visão atual dela como uma parte especializada do sistema nervoso central, composta por dezenas de tipos celulares e centenas de moléculas de sinalização.