La iluminación de la superficie terrestre varía en >10 órdenes de magnitud durante el ciclo normal día-noche, y el sistema visual de los vertebrados cubre todo este rango de intensidades de luz con dos subsistemas neuronales que dependen de la actividad de dos tipos de células fotorreceptoras, los bastones y los conos. La visión humana con bastones funciona en aproximadamente siete órdenes decimales de iluminación. El sistema visual de los conos opera en un rango aún más amplio (Rodieck 1998). La adaptación a la luz se produce en todos los niveles del sistema visual, desde los fotorreceptores hasta las neuronas centrales. Sin embargo, la función de todo el sistema visual depende de la capacidad de los propios fotorreceptores para ajustar su sensibilidad a la situación lumínica del entorno. Así, los fotorreceptores deben generar señales fiables por la noche, cuando se captan fotones individuales entre largos intervalos de oscuridad, y también deben seguir emitiendo señales con las altísimas intensidades de luz que se encuentran en un día soleado. Es probable que la adaptación a la luz de los fotorreceptores esté mediada por mecanismos moleculares múltiples y quizás redundantes (Detwiler y Gray-Keller 1992; Lagnado y Baylor 1992; Bownds y Arshavsky 1995; Pugh et al. 1999). Recientemente, Pugh et al. 1999 resumieron nueve mecanismos moleculares individuales que se cree que están implicados en la adaptación y discutieron sus contribuciones relativas a todo el proceso de adaptación. Un estudio de los mismos autores, publicado en la página 795 (Nikonov et al. 2000, en este número), proporciona el apoyo experimental a sus ideas y desarrolla aún más un marco teórico que repercutirá en futuros estudios sobre la adaptación a la luz de los fotorreceptores.

Los mecanismos moleculares que subyacen a la adaptación a la luz pueden discutirse en el contexto de las reacciones que gobiernan el GMPc en el citoplasma del fotorreceptor (Hodgkin y Nunn 1988):

La concentración intracelular de GMPc está determinada por la tasa de su síntesis por la guanilil ciclasa y la tasa de su hidrólisis por la fosfodiesterasa (PDE) del GMPc. Esta concentración está constantemente controlada por los canales cerrados de GMPc situados en la membrana plasmática del fotorreceptor. En el fotorreceptor adaptado a la oscuridad, se mantiene una concentración constante de GMPc de unos pocos micromolares. Esto mantiene abierta una fracción de los canales catiónicos activados por el GMPc de la membrana plasmática externa y la célula despolarizada. La luz hace que el GMPc disminuya al activar la PDE a través de la cascada enzimática que incluye la rodopsina fotoactivada, la proteína G llamada transducina y la enzima efectora PDE. La reducción de la concentración de GMPc provoca el cierre del canal y la hiperpolarización del fotorreceptor. La recuperación de la respuesta a la luz se produce cuando la cascada excitatoria se inactiva, el nivel de GMPc se restablece mediante la guanilil ciclasa y los canales vuelven a abrirse. Durante la fotorrespuesta, la concentración intracelular de Ca2+ también disminuye, ya que su entrada a través de los canales cerrados por el GMPc está bloqueada, mientras que sigue siendo extruida por una molécula de intercambio Na2+/Ca2+-K+, situada en la membrana plasmática. Es esta disminución de Ca2+ la que se ha implicado como el principal factor subyacente a la adaptación a la luz porque conduce a la regulación por retroalimentación de varios componentes de la cascada de fototransducción.

Para ilustrar la importancia de la adaptación a la luz para la función normal de los fotorreceptores, considere lo siguiente. Para que los fotorreceptores de los bastones registren estímulos luminosos mínimos, se debe alcanzar un alto grado de amplificación de la señal en la cascada rodopsina-transducina-PDE. Por ejemplo, en el pico de la respuesta de los bastones de los sapos a un solo fotón, que ocurre ∼1 s después de la absorción del fotón, ∼5% de los canales abiertos y sensibles a la luz se cierran. Esto implica que una iluminación constante de sólo ∼100 fotones por segundo cerraría todos los canales, haciendo que la célula no responda a ninguna otra estimulación lumínica. Pero como los bastones se adaptan a la luz, esta saturación se evita hasta que la iluminación ambiental produce una tasa de captura de fotones de ∼10.000 fotones por segundo. El efecto de la adaptación es aún más profundo en los conos: prácticamente nunca se saturan.

La transición entre los estados de adaptación a la oscuridad y a la luz del fotorreceptor va acompañada de dos cambios significativos en las propiedades fisiológicas de los fotorreceptores. En primer lugar, los fotorreceptores adaptados a la luz son menos sensibles a la luz, lo que evita que se queden ciegos a niveles de intensidad luminosa elevados. En segundo lugar, los fotorreceptores adaptados a la luz producen fotorrespuestas más rápidas, mejorando la resolución temporal en el sistema visual. Es a estas dos características a las que se ha aplicado con mayor frecuencia el término «adaptación a la luz», y la opinión predominante en la literatura sugiere que los sistemas de retroalimentación de Ca2+ subyacen a ambas. Una contribución inmensamente importante de Nikonov et al. 2000 es desafiar este punto de vista. Los autores examinaron el proceso de adaptación a la luz en los fotorreceptores de varilla de salamandra y aportaron pruebas experimentales de que tanto la desensibilización de los fotorreceptores como la aceleración de la respuesta son en gran medida independientes de la retroalimentación de Ca2+. En cambio, son el resultado de la elevada actividad de la PDE causada por la iluminación de fondo constante.

Un efecto de la activación constante de la PDE en la sensibilidad de la respuesta absoluta es bastante sencillo. Dado que la sensibilidad absoluta de la respuesta es proporcional al número absoluto de canales abiertos antes del destello, la reducción del número de canales abiertos causada por la iluminación constante conduce automáticamente a una compresión de la amplitud de la respuesta. Sin embargo, la compresión de la respuesta es una parte relativamente pequeña del efecto total de la activación constante de la PDE. La principal fuente de reducción de la sensibilidad del flash se debe a la aceleración de la recuperación de la señal causada por la activación de la PDE. Formalmente, esta aceleración se produce porque la constante de tiempo de la reacción que gobierna el cambio de GMPc inducido por el flash es inversamente proporcional a la actividad específica de la PDE por volumen citoplasmático. Esta constante de tiempo es exactamente la misma constante de tiempo que gobierna el recambio de toda la reserva ctoplasmática de GMPc bajo las mismas condiciones de iluminación.

Este último concepto no es intuitivo, y Nikonov et al. 2000 proporcionan una analogía hidrodinámica de «bañera» para ilustrar este efecto en la discusión de su artículo. Ofrecemos otra analogía que puede resultar atractiva para el lector familiarizado con las propiedades de los circuitos eléctricos. Consideremos un circuito eléctrico formado por una resistencia variable, un condensador y una fuente de corriente constante. El voltaje (V) a través del condensador representa la concentración de GMPc. La corriente (i) que carga el condensador (C) representa la tasa de síntesis de cGMP por la guanilil ciclasa (α, según Nikonov et al. 2000), mientras que el condensador representa el volumen celular. La actividad de la PDE está representada por la resistencia variable (R(I)), que está regulada por la luz (I). La conductividad de la resistencia, 1/R, representa la suma de la actividad PDE basal en la oscuridad y la actividad PDE estimulada por la luz. El voltaje a través del condensador se establece por el equilibrio entre la entrada de corriente en el circuito y la fuga a través de la resistencia. Las ecuaciones que describen los cambios del voltaje en el circuito son idénticas a las que describen la dinámica de la concentración de GMPc en la varilla.

En esta analogía, una respuesta de flash está representada por la introducción de una breve y transitoria disminución de R(I). Esto hace que el voltaje caiga hasta un cierto nivel, y luego vuelve exponencialmente al nivel estable con una constante de tiempo τ = RC. Dado que 1/RC es equivalente a la relación entre la actividad en estado estacionario de la PDE y el volumen citoplasmático (β, según Nikonov et al. 2000), RC representa la constante de tiempo del intercambio del pool ctoplasmático de GMPc. Entonces está claro que una mayor actividad estable de la PDE reduce esta constante de tiempo y conduce a una recuperación más rápida del cGMP a su nivel de referencia. Nikonov et al. 2000 demuestran que este segundo efecto cinético de la actividad constante de la PDE antes del flash es el principal factor responsable de la aceleración de la fotorrespuesta durante la adaptación a la luz. Es importante señalar que, dado que el circuito es lineal, el curso temporal de la recuperación de la respuesta «flash» es independiente del valor estable de la corriente i. Los cambios en i simplemente escalan la amplitud de la respuesta de voltaje (GMPc) sin alterar su tiempo de recuperación característico. Así, el nivel de la actividad de la ciclasa en estado estacionario, i en esta analogía, no tiene ninguna relación con la velocidad de recuperación de la fotorrespuesta.

La recuperación acelerada significa que la respuesta al flash se desarrolla en un período de tiempo más corto, y esto reduce la sensibilidad a un flash superpuesto a un fondo estacionario. Así, la activación de la PDE en estado estacionario reduce la sensibilidad del fotorreceptor por los efectos combinados de reducir la fracción de canales abiertos y de acortar la fotorrespuesta. Elegantes experimentos permitieron a Nikonov et al. 2000 cuantificar el grado de activación de las PDE por las luces de fondo estables. Muestran que, de la reducción de ∼100 veces en la sensibilidad del flash observada con sus intensidades de fondo más brillantes (véase la Fig. 6 en Nikonov et al. 2000), ∼5 veces se debe a la compresión de la respuesta y ∼15 veces se debe al efecto cinético de la activación de la PDE, y el residuo probablemente se deba al efecto de la recoverina que actúa sobre el tiempo de vida de la rodopsina activada.

Habiendo atribuido la mayor parte de la reducción de la sensibilidad de los fotorreceptores y la aceleración de la fotorrespuesta a la elevada actividad de las PDE antes del flash, surge la pregunta: ¿qué papel juega la retroalimentación del Ca2+ en la adaptación a la luz? La respuesta es clara si tenemos en cuenta que la actividad constante de las PDE producida por la luz de fondo provoca un aumento sustancial de la actividad hidrolítica del GMPc. Si no existieran mecanismos de compensación, la concentración de GMPc se reduciría drásticamente, incluso bajo una iluminación de fondo moderada, no dejando finalmente ningún canal abierto para registrar más cambios de luz. Así, el papel más fundamental del Ca2+ en la adaptación a la luz es oponerse a esta saturación mediante la participación de una serie de mecanismos moleculares que, en última instancia, conducen a la reapertura de los canales y, por lo tanto, a la ampliación del rango de intensidades de luz sobre el que opera el fotorreceptor (véase Pugh et al. 1999 para las referencias y la discusión detallada).

El principal efecto de ampliación del rango del Ca2+ está mediado por una retroalimentación sobre la guanilil ciclasa a través de las proteínas de unión del Ca2+ llamadas proteínas activadoras de la guanil ciclasa. La disminución del Ca2+ dependiente de la luz provoca un aumento de la tasa de síntesis de GMPc que contrarresta la elevada actividad constante de las PDE durante la iluminación de fondo. Este efecto de la luz de fondo constante no debe confundirse con la retroalimentación dinámica de Ca2+ sobre la guanilil ciclasa durante la respuesta al flash que acelera la recuperación de la respuesta al flash. Nikonov et al. 2000 argumentan que el efecto de la activación dinámica de la guanilil ciclasa varía poco con las condiciones de luz de fondo y, por lo tanto, no debe considerarse como un factor importante en la adaptación a la luz.

El segundo efecto de ampliación de rango del Ca2+ se dirige directamente a los canales activados por el GMPc. La disminución del Ca2+ hace que los canales se vuelvan más sensibles al GMPc, de modo que operan a una concentración menor de GMPc. Este efecto está probablemente mediado por la calmodulina o por proteínas similares a la calmodulina, y parece ser más significativo en los conos que en los bastones (Rebrik et al. 2000). Ambos efectos conducen a la reapertura de los canales abiertos por el GMPc durante la iluminación constante sin causar ningún efecto de desensibilización; en cambio, resensibilizan el fotorreceptor.

La tercera retroalimentación de Ca2+ difiere de las otras porque causa tanto una extensión del rango como contribuye a la desensibilización de la célula. La disminución del Ca2+ aumenta la fosforilación de la rodopsina a través de la proteína de unión al Ca2+ recoverina, lo que conduce a una disminución del tiempo de vida de la rodopsina activada. Esto da lugar a la desensibilización porque reduce el número de moléculas PDE activadas por cada rodopsina. El rango de funcionamiento también se amplía porque el número reducido de PDE activas se traduce en una tasa hidrolítica de GMPc estable reducida. Tanto Nikonov et al. como otra literatura reciente discutida por los autores demuestran que, en varillas, este mecanismo parece ser mucho menos potente que la retroalimentación sobre la guanilil ciclasa.

Otro resultado importante reportado en su artículo es que no hay indicación de un cuarto mecanismo de retroalimentación de Ca2+ propuesto, la regulación adaptativa de la ganancia en la cascada entre la activación de la rodopsina y el cierre del canal. Lamb y Pugh 1992 desarrollaron un método para estimar la ganancia en la cascada de fototransducción a partir del análisis de la fase inicial de aumento de las respuestas al flash. Posteriormente, otras investigaciones comentadas por Nikonov et al. 2000 mostraron que esta pendiente disminuía para los flashes presentados durante la iluminación de fondo o mientras el Ca2+ intracelular se reducía artificialmente en la oscuridad, concluyendo que esto reflejaba un sistema de retroalimentación de Ca2+ que reducía la ganancia de la cascada durante la adaptación a la luz. En el presente trabajo, Nikonov et al. 2000 muestran que para intensidades de luz de fondo que cierran hasta el 80% de los canales sensibles a la luz y dan lugar a una reducción aproximada de cinco veces en el Ca2+ intracelular, la fase inicial de aumento de las respuestas al flash, de hecho, no se modifica. Concluyen que la aparente reducción de la amplificación inducida por la luz de fondo o la disminución del Ca2+ intracelular descrita en la bibliografía se debe probablemente al aumento del nivel estable de la actividad de la PDE y al aumento de la tasa de apagado de la rodopsina fotoexcitada que hacen que la fotorrespuesta se desprenda de una trayectoria inicial invariable en momentos muy tempranos.

Nikonov y sus colegas proponen ahora la opinión de que la retroalimentación de Ca2+ en la adaptación a la luz sirve casi exclusivamente para aumentar la sensibilidad de los fotorreceptores y no como un mecanismo de desensibilización de los mismos. Aunque esto puede sonar paradójico, el efecto de sensibilización de la extensión del rango mediado por la retroalimentación de Ca2+ fue evidente desde las primeras publicaciones que demostraron la importancia de la disminución de Ca2+ inducida por la luz para la adaptación a la luz (Matthews et al. 1988; Nakatani y Yau 1988). En estos estudios, la inhibición de la retroalimentación de Ca2+ durante la iluminación de fondo constante causó una reducción catastrófica de la sensibilidad al destello. La retroalimentación de Ca2+ evitó en gran medida la pérdida de sensibilidad y amplió el rango operativo del fotorreceptor en ∼100 veces (véase la Figura 2 en Matthews et al. 1988). La elegancia del artículo de Nikonov et al. 2000 es que encontraron una forma clara de desentrañar las funciones de los mecanismos de desensibilización y sensibilización en el proceso global de adaptación.

Esto nos lleva de nuevo a la definición de adaptación a la luz en los fotorreceptores. Como hemos mencionado anteriormente, la adaptación suele definirse como una combinación de desensibilización celular y aceleración de la respuesta. La lógica de Nikonov et al. 2000 sugiere que es necesario redefinir la adaptación para que abarque tres fenómenos interrelacionados: la desensibilización celular, la aceleración de la respuesta y la ampliación del rango operativo. Los mecanismos moleculares individuales pueden contribuir a una o más de estas tres características. Tal y como señalan Pugh y sus colegas en 1999, la desensibilización en los bastones implica un aumento de la hidrólisis constante de GMPc, la compresión de la señal y una disminución del tiempo de vida de la rodopsina por el Ca2+/recoverin. La aceleración de la respuesta implica un aumento de la hidrólisis constante de GMPc y una disminución del tiempo de vida de la rodopsina. La ampliación del rango implica tres procesos dependientes del Ca2+: un aumento de la síntesis de GMPc; un aumento de la sensibilidad al GMPc de los canales; y un acortamiento del tiempo de vida de la rodopsina fotoactivada.

Nikonov et al. 2000 proporcionan un modelo matemático detallado de la fototransducción del bastón de los vertebrados y de la adaptación a la luz basado en prácticamente todos los mecanismos bioquímicos bien establecidos. Un modelo de este tipo incluye naturalmente muchos parámetros que dejan mucho espacio para la ambigüedad al ajustar las respuestas. Sin embargo, en el presente artículo y en otro anterior, Nikonov y sus colegas (Nikonov et al. 1998, Nikonov et al. 2000) han estimado experimentalmente muchos de los parámetros fisiológicos y bioquímicos clave de forma independiente. Esto elimina casi por completo la manipulación arbitraria de los parámetros y aumenta la solidez de las conclusiones extraídas del modelo.

Con la descripción cuantitativa de la fototransducción y la adaptación a la luz que proporcionan Nikonov et al., ¿qué queda por saber? Aportamos aquí los tres ejemplos siguientes. En primer lugar, aunque Nikonov et al. no encontraron evidencia de regulación de la ganancia de fototransducción bajo sus condiciones experimentales, queda por ver si la regulación de la ganancia se produce o no a niveles de iluminación más altos, en una escala de tiempo más larga, o en diferentes especies. Si lo hace, implicaría la existencia de mecanismos bioquímicos y componentes moleculares adicionales que no están incluidos en el presente esquema de fototransducción. En segundo lugar, se sabe poco sobre los mecanismos moleculares que subyacen a la adaptación a la luz en los conos. Los conos son capaces de cubrir un rango más amplio que los bastones, y son prácticamente imposibles de saturar con luz de fondo continua. Los estudios futuros deberían dirigirse a comprender si la adaptación completa de los conos podría explicarse mediante mecanismos de adaptación similares a los de los bastones, quizás más eficientes, o si requiere mecanismos únicos adicionales. En tercer lugar, en un nivel superior del procesamiento visual, se desconoce cómo la adaptación de los fotorreceptores individuales contribuye a la adaptación de todo el sistema visual. Queda por determinar cómo cualquiera de los tres componentes de la adaptación a la luz de los fotorreceptores, la desensibilización celular, la aceleración de la respuesta y la ampliación del rango de sensibilidad, puede hacer que nuestra visión adaptada a la luz funcione más rápidamente, con mejor sensibilidad al contraste y mayor resolución espacial.