O efeito das condutâncias dependentes de voltagem e de glutamato nas respostas à luz da célula bipolar ligada a bastonetes: um estudo computacional

• Main Author: Leopoldo, Kaê
• Other Authors: Joselevitch, Christina
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2017
• Subjects: Bastonete; Bipolar cell; Célula bipolar; Convergence; Convergência; NEURON; Neuron; Retina; Rod; Visão; Vision
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/47/47132/tde-29052017-163849/

O sistema visual lida com mudanças significativas na quantidade absoluta de fótons no meio ambiente, que varia 10 a 12 unidades logarítmicas ao longo de um dia. Parte desta versatilidade decorre da existência de fotorreceptores, bastonetes e cones, ativos em luminosidades médias diferentes, e outra parte é consequência de mecanismos de controle de ganho pós-receptorais, que ajustam a faixa dinâmica da retina à luminosidade média. Já na primeira sinapse visual, a atividade de muitos fotorreceptores converge para as células bipolares (BCs), neurônios de segunda ordem. Em mamíferos, supõe-se que o número de neurônios convergentes mantém-se relativamente fixo durante a vida adulta do organismo, embora a árvore dendrítica das BCs aumente de tamanho. No caso de peixes teleósteos, o grau de convergência neuronal para as BCs aumenta com a idade em função de neurogênese e sinaptogênese constantes. Como a relação entre a estrutura celular e o grau de convergência sináptica influencia a integração somática de sinais, estudamos os efeitos do crescimento celular acompanhado de variações na convergência sináptica no caso específico da BC ligada a bastonetes. Para tanto, desenvolvemos um modelo computacional deste tipo celular e dos bastonetes a ela conectados utilizando o ambiente de simulação NEURON, com base em dados de literatura e obtidos por nosso grupo de pesquisa a respeito de sua geometria, conectividade e biofísica, e simulamos diversos tipos de estimulação. Para mimetizar níveis escotópicos de luminosidade, estimulamos apenas um dos bastonetes convergindo para a BC modelo; para mimetizar níveis mesópicos, todos os bastonetes foram estimulados concomitantemente. Estas simulações foram realizadas primeiramente com um modelo de BC contendo apenas condutâncias sinápticas e passivas, para investigar o impacto da geometria celular na integração de sinais. A seguir, o modelo passou a incorporar condutâncias dependentes de voltagem permeáveis a potássio (K+) modeladas a partir de dados da literatura e do nosso grupo de pesquisa, para investigar o papel das mesmas no controle de ganho da sinapse entre BCs e bastonetes durante o crescimento celular. Os resultados destas simulações indicam que o aumento da árvore dendrítica da BC com o crescimento hiperpolariza seu potencial de repouso e aumenta as amplitudes de resposta, devido ao aumento da área de superfície de membrana contendo canais passivos com potencial de reversão negativo. Já o aumento da convergência de bastonetes para a BC despolariza seu potencial de repouso e diminui as amplitudes resposta, o que equivaleria a uma diminuição da sensibilidade 3 em células reais. Mais ainda, o aumento no grau de convergência contribui para a diminuição das latências de resposta da BC, ao passo que o crescimento celular aumenta as latências linearmente. A inserção de canais dependentes de voltagem nos terminais dendríticos da BC aproxima as amplitudes e diminui as latências de resposta de BCs com diferentes graus de convergência. Além disso, tais canais reduzem os efeitos decorrentes do crescimento celular descritos anteriormente, tornando a amplitude e latência de resposta independentes do tamanho da árvore dendrítica. Desse modo, canais de K+ dependentes de voltagem dendríticos estabilizam as amplitudes e latências de resposta da BC ao longo do crescimento, contribuindo para a coerência da mensagem passada para as outras camadas da retina e, posteriormente, para o cérebro. Estes resultados sugerem que correntes ativas são fundamentais não apenas para controlar o ganho das sinapses entre bastonetes e BCs em um mesmo estado de adaptação, mas também para estabilizar o potencial de repouso e velocidade e amplitudes de resposta dos neurônios ao longo do crescimento === The visual system deals with significant changes in the absolute quantity of photons in the environment, which vary 10 to 12 log units throughout a single day. Part of this versatility is due to the existence of different photoreceptors, rods and cones, which function at different mean light intensities, and due to post-receptor gain control mechanisms, which adjust the dynamic range of the retina to the mean luminosity. At the first visual synapse, the activity of many photoreceptors converges onto bipolar cells (BCs), second order neurons of the retina. In mammals, the degree of convergence is supposed to be constant throughout adult life, despite evidence of morphological changes in the dendritic structure of BCs. In teleost fish, however, the convergence of rods to BCs increases with age due to constant retinal neurogenesis and synaptogenesis. Since cellular structure and synaptic convergence influence somatic signal integration, we investigated the effects of cellular growth and synaptic convergence in the responses of the rod bipolar cell. We developed a computational model of a BC-rod circuitry within the NEURON simulation environment, based on literature data and on data collected by our own research group regarding the geometry, connectivity and biophysics of BCs. To simulate scotopic light levels, only one of the rods converging to the model BC was stimulated. Mesopic light levels were simulated by concomitantly stimulating all rods. We initially investigated the impact of cell geometry in somatic signal integration, by studying a model BC containing only passive and synaptic conductances. We subsequently inserted a voltage-gated potassium (K+) conductance in the dendritic tips of the model in order to investigate its role in controlling the gain of the rod-BC synapse during growth. Our results indicate that increasing the dendritic tree leads to hyperpolarization of the BC resting potential, due to the larger membrane surface containing the passive conductance, which has a negative reversal potential. Increasing rod convergence, on the other hand, depolarizes the BC resting potential and decreases response amplitudes, which would be equivalent to a decrease in sensitivity in a real cell. In addition, increases in convergence reduce response latencies, whereas cellular growth increases latencies linearly. The insertion of voltage-gated K+ conductances in the dendritic tips of the BC, in turn, aproximates the response amplitudes and decreases response latencies of BCs with different synaptic convergences. Moreover, voltage-gated conductances reduce the consequences of cellular growth, rendering response amplitudes and latencies independent of dendritic 5 tree size. These active conductances therefore contribute to signal consistency. Our results suggest that active currents not only control the gain of the rod-BC synapse in a given adaptive state, but also stabilize the BC resting potential, as well as response amplitude and latency during growth