Ilusões Visuais: Retina, os Bastonetes

Imagem de capa: Esquema da estrutura da retina dos mamíferos (Diagrama da estrutura da retina mamífera), uma pintura didática desenhada por Santiago Ramón y Cajal e pintada a óleo por Ramón Padró y Pedret entre 1892 e 1895. Universidade Complutense de Madri (CUC005773). Domínio público. As cores ajudam a distinguir os tipos de células.

Descoberta das células bastonetes

No início do século XIX, os cientistas já sabiam que a retina era essencial para a visão, mas não entendiam quais células eram responsáveis por captar a luz. Os microscópios estavam melhorando rapidamente, permitindo observar estruturas cada vez menores nos tecidos biológicos. A retina tornou-se um dos principais objetos de estudo da histologia e da fisiologia.

Carl Bergmann (1854): cones e bastonetes na fóvea

Um dos primeiros avanços importantes veio de Carl Georg Lucas Christian Bergmann (1814 – 1865) conhecido como Carl Bergmann, que observou diretamente a fóvea humana e mostrou que ela continha estruturas hoje reconhecidas como bastonetes e cones. Com base nisso, argumentou que esses elementos deveriam ser os receptores da luz na retina.

Ele divulgou sua pesquisa em um artigo publicado no periódico Archiv für Anatomie, Physiologie und wissenschaftliche Medicin (Arquivo de Anatomia, Fisiologia e Medicina Científica em 1854, o famoso Arquivo Müller). O volume é identificado com a sua descoberta da estrutura da fóvea humana. Embora seu trabalho tenha sido muito importante, por muito tempo ele recebeu menos reconhecimento histórico do que outros pesquisadores.

Bergmann descobriu por observação direta que a fóvea humana contém apenas bastonetes e cones. Com base nisso, argumentou que estes deveriam necessariamente ser os elementos sensíveis à luz (fotoreceptores) que iniciam a visão. Esse raciocínio era notável porque, na época, ainda havia controvérsia sobre quais estruturas da retina eram efetivamente excitadas pela luz. Bergmann argumentou que, como a fóvea era a região de máxima acuidade visual e nela observavam-se essencialmente bastonetes e cones, esses elementos tinham de ser os receptores primários da luz.

Heinrich Müller e a localização dos fotorreceptores

O anatomista alemão Heinrich Müller (1820–1864) realizou estudos microscópicos detalhados da retina de diferentes espécies. Seus experimentos mostraram que os bastonetes e cones estavam localizados na parte posterior da retina e que eram os elementos onde a visão se iniciava.

Ele publicou suas pesquisas no artigo Anatomisch-physiologische Untersuchungen über die Retina des Menschen und der Wirbelthiere (Investigações anatômico-fisiológicas sobre a retina do homem e dos vertebrados), em Leipzig, em 1856. No artigo, Müller reuniu seus estudos microscópicos e comparativos sobre a estrutura retiniana e discutiu suas implicações fisiológicas.

Na década de 1850, havia uma questão fundamental na fisiologia da visão:

Muitos anatomistas ainda discutiam se a percepção luminosa ocorria nas camadas mais internas ou mais externas da retina.

Müller combinou:

• anatomia microscópica da retina;
• histologia comparada entre diferentes vertebrados;
• observações ópticas;
• experimentos entópticos com a chamada árvore de Purkinje (sombras dos vasos retinianos).

Esses trabalhos ajudaram a demonstrar que a camada sensível à luz se localizava nos bastonetes e cones, e não nas camadas mais superficiais da retina, como alguns pesquisadores imaginavam.

O sumário da obra de 1856 informa explicitamente os grupos examinados em diferentes capítulos:

• Retina des Barsches (retina do peixe perca);
• Retina anderer Fische (retina de outros peixes);
• Retina des Frosches (retina da rã);
• Retina der Schildkröte (retina da tartaruga);
• Retina der Taube (retina do pombo);
• Retina des Menschen (retina humana).

Além disso, durante viagens à Itália ele realizou observações histológicas da retina de muitas espécies marinhas, motivado por seu interesse em zoologia comparada.

A descoberta dos fotorreceptores: Müller ou Bergmann?

Historicamente, a literatura atribuiu a Heinrich Müller a identificação da camada onde a visão se inicia. Entretanto, estudos históricos recentes argumentam que o crédito deve ser compartilhado com Carl Bergmann, pois Bergmann observou que a fóvea humana continha apenas bastonetes e cones e concluiu que esses elementos deviam ser os receptores da luz em 1854. Müller chegou à mesma conclusão por uma linha de evidência diferente, baseada principalmente em experimentos ópticos e anatômicos.

Max Schultze e a distinção funcional entre bastonetes e cones

Um marco decisivo ocorreu quando Max Schultze estudou a distribuição de bastonetes e cones em diferentes animais. Ele observou que animais noturnos possuíam grande predominância de bastonetes, enquanto animais ativos durante o dia apresentavam mais cones.

Ele apresentou suas pesquisas em Zur Anatomie und Physiologie der Retina (Sobre a anatomia e fisiologia da retina), publicada em 1866, como uma contribuição ao periódico Archiv für mikroskopische Anatomie (Arquivos de Anatomia Microscópica) e depois editada separadamente em livro. O próprio índice contém um capítulo intitulado: “Ueber die Verschiedenheiten von Stäbchen und Zapfen” (“Sobre as diferenças entre bastonetes e cones”).

Na década de 1860 já se sabia que a retina continha dois tipos principais de elementos receptores, os bastonetes (stäbchen) e os cones (zapfen). Entretanto, ninguém havia demonstrado claramente porque existiam dois tipos distintos de receptores.

Schultze abordou a questão por meio da anatomia comparada. Ele examinou a distribuição de bastonetes e cones em numerosos grupos animais e percebeu uma correlação notável entre a ecologia visual do animal e a composição da retina. Pouco depois, em 1867, ele publicou também o artigo: Ueber Stäbchen und Zapfen der Retina (“Sobre os bastonetes e cones da retina”), aprofundando aspectos estruturais e teóricos desses receptores.

Quais animais ele comparou?

Schultze examinou uma ampla variedade de vertebrados. Em sua obra aparecem referências a: aves; mamíferos; répteis; anfíbios; morcegos; camaleões; galinhas e outras aves; entre diversos outros grupos.

O aspecto decisivo foi a comparação entre aves diurnas e aves noturnas. Schultze observou que aves diurnas apresentavam retinas ricas em cones, enquanto aves noturnas possuíam abundância de bastonetes.

Com base nessas observações, Schultze propôs que:

• os cones seriam os receptores da visão em condições mais iluminadas (diurna) e da percepção das cores;
• os bastonetes seriam especializados na visão noturna e em sensações acromáticas (sem cor).

Historiadores da visão consideram essa proposta a origem da teoria da duplicidade da visão (visão escotópica e fotópica).

A visão fotópica é a visão que usamos durante o dia ou em ambientes bem iluminados. Ela depende principalmente dos cones, células da retina que percebem cores e detalhes finos. Por isso, sob boa iluminação, enxergamos cores vivas e imagens mais nítidas. Ao meio-dia, olhando um jardim, você percebe facilmente o verde das folhas e o vermelho das flores

A visão escotópica é a visão usada no escuro ou em ambientes com pouca luz. Ela depende principalmente dos bastonetes, que são muito sensíveis à luz fraca, mas não distinguem bem as cores. Por isso, à noite vemos melhor tons de cinza e temos mais dificuldade para identificar detalhes e cores. À noite, no mesmo jardim com pouca iluminação, você consegue distinguir formas e movimentos, mas as cores parecem desaparecer, a visão escotópica.

Existe ainda uma fase intermediária, chamada visão mesópica, típica do amanhecer, entardecer ou ruas com iluminação fraca, quando cones e bastonetes trabalham juntos.

Segundo uma análise histórica moderna, Schultze introduziu a ideia de que os bastonetes seriam responsáveis pela visão noturna enquanto os cones mediariam a visão associada às cores, representando um dos grandes avanços conceituais da pesquisa visual do século XIX.

Um detalhe interessante é que a ideia fundamental proposta por Schultze em 1866, de que os bastonetes dominam a visão em baixa luminosidade e os cones a visão em alta luminosidade, continua sendo considerada correta pela fisiologia visual moderna.

A descoberta da púrpura visual (rodopsina)

Outro passo fundamental veio quando Franz Christian Boll examinou retinas de sapos adaptados ao escuro e encontrou um pigmento vermelho-arroxeado nos bastonetes. Ele observou que esse pigmento desaparecia quando exposto à luz e reaparecia na escuridão.

Ao examinar retinas de sapos mantidos na escuridão, Boll observou que os bastonetes apresentavam uma coloração vermelho-intensa. Quando a retina era exposta à luz, essa cor desaparecia progressivamente. Na escuridão, ela reaparecia.

Ele concluiu que:

• a substância estava localizada nos segmentos externos dos bastonetes;
• era destruída pela luz (branqueamento);
• regenerava-se no escuro.

Essa foi a primeira demonstração clara de um processo fotoquímico associado aos fotorreceptores.

Franz Christian Boll fez a primeira comunicação à Academia de Ciências de Berlim em 12 de novembro de 1876, sob o título: Zur Anatomie und Physiologie der Retina (Sobre a anatomia e fisiologia da retina). Essa nota apareceu nos anais da Academia em 1876.

Em 1877, Boll publicou uma versão mais extensa em Zur Anatomie und Physiologie der Retina, em Archiv für Anatomie und Physiologie (Arquivo de Anatomia e Fisiologia) e uma versão em italiano: Sull’anatomia e fisiologia della retina (Sobre a anatomia e fisiologia da retina).

Boll chamou a substância de sehrot (“vermelho visual” ou “vermelho da visão”). Ele observou o pigmento diretamente na retina e caracterizou seu comportamento diante da luz, mas não realizou seu isolamento químico.

Foi Wilhelm Kühne quem desenvolveu os estudos fotoquímicos detalhados da substância, investigando suas propriedades e estabelecendo a base experimental da teoria fotoquímica da visão. [archive.org]

Kuhne inicial seu livro com:

Parte I: Fotoquímica da Retina

Em uma comunicação recente à Academia de Berlim, o Sr. Franz Boll anunciou a bela e, sem dúvida, importante descoberta de que a camada bacilar da retina de todos os animais, quando viva, não é incolor, como até então se supunha, mas apresenta uma coloração vermelho-púrpura.

Segundo Boll, durante a vida a cor própria da retina é continuamente destruída pela luz que entra no olho; ela é restaurada na escuridão e, após a morte, persiste apenas por alguns instantes. Por esse motivo, animais que foram mantidos à luz são pouco adequados para demonstrar a cor da retina viva, e os olhos de animais que permaneceram expostos ao sol por longo tempo antes da morte permanecem completamente sem cor.

Esses fatos ilustram, por um lado, a relação da coloração retiniana com a luz e, por outro, sua relação com as condições vitais.

Qualquer pessoa que tenha se dedicado ao estudo da retina será lembrada, pela descoberta de Boll (e receberá assim uma saudável advertência sobre os limites de sua própria capacidade), de que provavelmente já havia visto algo semelhante antes.

Talvez se recorde daquele intrigante coágulo de sangue que, em certo momento, viu ou julgou ver sob a retina e que, no instante seguinte, desapareceu. Aquilo que então foi considerado sem maior importância era nada menos que a chave para o segredo de como um nervo pode ser excitado pela luz.

Em outras palavras, esse foi o primeiro fato a revelar a existência de processos fotoquímicos na retina.

O termo sehpurpur (púrpura visual) foi introduzido por Wilhelm Kühne, que expandiu os estudos de Boll em 1877. Kühne também criou o nome químico: rodopsina, para designar o pigmento fotossensível dos bastonetes. Esse é o termo que permanece em uso atualmente.

A descoberta foi revolucionária porque ofereceu a primeira evidência de que a visão começava por um processo fotoquímico dentro dos bastonetes.

Boll acabou preferindo o termo vermelho visual (sehrot) porque julgava que a cor observada era mais vermelha do que púrpura. Porém a terminologia proposta por Wilhelm Kühne venceu historicamente: sehpurpur → púrpura visual; Rhodopsin → rodopsina.

Willy Kühne e o Ciclo Visual

A contribuição de Willy Kühne começou imediatamente após a descoberta de Franz Boll em 1876. Enquanto Boll demonstrou a existência do pigmento fotossensível dos bastonetes, Kühne dedicou-se a investigar suas propriedades químicas e sua relação com a luz.

Em 1877, Kühne publicou duas memórias fundamentais do Instituto de Fisiologia de Heidelberg: Zur Photochemie der Netzhaut (Sobre a fotoquímica da retina) e Ueber den Sehpurpur (Sobre a púrpura visual). Em 1878m esses estudos foram reunidos e ampliados na obra: On the Photochemistry of the Retina and on Visual Purple (Sobre a fotoquímica da retina e sobre o púrpura visual).

A descoberta de Boll havia levantado uma questão revolucionária: se a cor dos bastonetes desaparecia à luz e retornava na escuridão, talvez a visão começasse por uma reação química causada pela luz.

Kühne percebeu imediatamente a importância disso e transformou o fenômeno em um programa sistemático de pesquisa experimental. Kuhne realizou vários experimentos clássicos.

• Branqueamento pela luz: Kühne examinou retinas de sapos e coelhos mantidos no escuro. Ele verificou que a cor púrpura persistia após a morte desde que a retina não fosse exposta à luz. Quando iluminada, a cor desaparecia gradualmente, fenômeno que passou a ser chamado de branqueamento.
• Regeneração na escuridão: Ele confirmou e aprofundou a observação de Boll de que a coloração podia retornar após permanência no escuro. Essa alternância entre destruição luminosa e regeneração constituiu a primeira descrição do que viria a ser chamado de ciclo visual.
• Experimentos com diferentes tipos de iluminação: Uma observação famosa foi que a púrpura visual se descoloria rapidamente sob luz comum, mas permanecia por muito tempo quando observada sob luz monocromática amarela produzida por sódio. A cor púrpura não desaparecia mesmo após 24 a 28 horas de exposição à luz monocromática de sódio. Esse resultado indicava que comprimentos de onda diferentes produziam efeitos diferentes sobre o pigmento.
• Localização da rodopsina nos bastonetes: Kühne demonstrou que o pigmento se encontrava nos segmentos externos dos bastonetes, reforçando a ideia de que essas estruturas eram os receptores visuais responsáveis pela visão em baixa luminosidade.
• Optogramas: Kühne realizou experiências célebres com coelhos e, posteriormente, até com o olho de um criminoso executado. Ele acreditava que o padrão de branqueamento da rodopsina poderia preservar uma imagem luminosa na retina, o chamado optograma. Embora essa ideia não tenha se confirmado como método prático, os experimentos demonstraram o papel central da rodopsina no registro da luz pela retina.

O que Kühne descobriu sobre o ciclo visual?

Kühne não conhecia ainda a estrutura molecular da rodopsina nem o papel da vitamina A, mas conseguiu estabelecer experimentalmente três fatos fundamentais:

1. existe um pigmento nos bastonetes;
2. a luz destrói esse pigmento;
3. o pigmento é regenerado no escuro.

Os trabalhos de Franz Boll e Willy Kühne entre 1876 e 1879 marcam o nascimento da fotoquímica da visão e da compreensão moderna do ciclo visual dos fotorreceptores.

Confirmação da função dos bastonetes no século XX

No século XX, técnicas eletrofisiológicas permitiram demonstrar diretamente que os bastonetes são extraordinariamente sensíveis à luz. Pesquisas culminando nos trabalhos clássicos de Hecht, Shlaer e Pirenne mostraram que os bastonetes podem responder a quantidades extremamente pequenas de luz, chegando ao limite de poucos fótons.

• Selig Hecht (1892–1947), era biofísico da Universidade Columbia.
• Simon Shlaer, colaborador de Hecht em estudos de biofísica visual.
• E Maurice Henri Pirenne (1912–1968), físico e fisiologista belga que mais tarde se tornaria uma das principais autoridades em visão.

Eles publicaram um trabalho que se tornou um marco na história da visão: Energy, Quanta and Vision, publicado em 1942 no Journal of General Physiology.

Na primeira metade do século XX, já se sabia que:

• os bastonetes eram responsáveis pela visão noturna;
• a rodopsina era o pigmento visual dos bastonetes;
• a luz produzia reações fotoquímicas nesse pigmento.

Mas ainda permanecia uma pergunta fundamental:

A física quântica havia demonstrado que a luz é composta por quanta discretos (fótons). Hecht, Shlaer e Pirenne decidiram investigar qual era o limite absoluto da sensibilidade visual humana.

Os pesquisadores adotaram condições cuidadosamente controladas:

• observadores permaneciam cerca de 40 minutos adaptando-se ao escuro;
• os estímulos luminosos eram projetados na retina periférica, rica em bastonetes;
• utilizavam luz azul-esverdeada em aproximadamente 510 nm, próxima da máxima sensibilidade escotópica;
• flashes extremamente breves, cerca de 1 milisegundo;
• intensidade medida e controlada com filtros e equipamentos fotométricos de precisão.

Cada intensidade luminosa era apresentada muitas vezes, e os pesquisadores registravam em quantas ocasiões o observador relatava ter visto o lampejo.

As medições mostraram inicialmente que o limiar visual correspondia a aproximadamente: 54 a 148 quanta (fótons) chegando à córnea.

Contudo, grande parte dessa luz é perdida: reflexão na córnea; absorção pelos meios ópticos do olho; e transmissão incompleta até os bastonetes.

Após essas correções, os autores concluíram que: apenas cerca de 5 a 14 fótons absorvidos pelos bastonetes são suficientes para produzir uma percepção visual limiar. Foi uma descoberta extraordinária.

Os autores observaram que aproximadamente 500 bastonetes estavam dentro da região estimulada, mas apenas um número muito pequeno deles precisava absorver fótons para que a luz fosse percebida.

A interpretação foi que:

• um único fóton podia ativar um bastonete;
• bastava que cerca de 5 a 14 bastonetes fossem ativados para gerar a percepção visual limiar.

Historicamente, essa pesquisa forneceu a primeira demonstração quantitativa convincente de que:

1. os bastonetes operam próximos dos limites impostos pela física quântica;
2. a visão noturna humana pode ser desencadeada por pouquíssimos fótons;
3. a absorção de um único quantum de luz por um bastonete constitui o evento elementar da visão escotópica.

Por isso, o artigo de 1942 é considerado o elo entre:

• a descoberta anatômica dos bastonetes por Bergmann, Müller e Schultze;
• a descoberta fotoquímica da rodopsina por Boll e Kühne;
• e a moderna neurofisiologia da fototransdução.

O famoso resultado de “o olho humano pode detectar poucos fótons” vem diretamente desse artigo de 1942, mas o trabalho não demonstrou ainda a resposta de um bastonete isolado. Isso só seria comprovado décadas depois, em experimentos eletrofisiológicos de Denis Baylor, Trevor Lamb e colaboradores nos anos 1970–1980, que registraram diretamente a resposta de bastonetes individuais a fótons únicos.

Em resumo, a história dos bastonetes é um excelente exemplo de como anatomia, microscopia, física e fisiologia se combinaram ao longo do século XIX. Müller ajudou a identificar os bastonetes como receptores visuais, Schultze distinguiu sua função dos cones, Boll descobriu seu pigmento fotossensível (rodopsina), e os pesquisadores do século XX demonstraram quantitativamente como essas células detectam a luz.