Zien zonder ogen

Het volgende essay is met toestemming overgenomen uit The Conversation, een online publicatie over het nieuwste onderzoek.

Wij mensen zijn ongewoon visuele wezens. En degenen onder ons die een normaal gezichtsvermogen hebben, zijn gewend te denken dat onze ogen van vitaal belang zijn voor hoe we de wereld ervaren.

Zicht is een geavanceerde vorm van fotoreceptie – dat wil zeggen, het waarnemen van licht. Maar we ervaren ook andere, meer rudimentaire vormen van fotoreceptie in ons dagelijks leven. We kennen bijvoorbeeld allemaal het genot om de warme zon op onze huid waar te nemen, in dit geval door warmte te gebruiken als vervanging voor licht. Daar zijn geen ogen of zelfs maar speciale fotoreceptorcellen voor nodig.

Maar wetenschappers hebben in de afgelopen decennia ontdekt dat veel dieren – waaronder de mens – wel degelijk gespecialiseerde licht-detecterende moleculen hebben op onverwachte plaatsen, buiten de ogen. Deze “extraoculaire fotoreceptoren” bevinden zich meestal in het centrale zenuwstelsel of in de huid, maar ook vaak in inwendige organen. Wat doen lichtgevoelige moleculen op plaatsen buiten de ogen?

Zicht is afhankelijk van het detecteren van licht

Alle visuele cellen die bij dieren zijn geïdentificeerd, detecteren licht met behulp van een enkele familie eiwitten, de zogenaamde opsins. Deze eiwitten grijpen een lichtgevoelige molecule – afkomstig van vitamine A – die van structuur verandert bij blootstelling aan licht. De opsine verandert op zijn beurt zijn eigen vorm en zet signaalwegen in fotoreceptorcellen aan die uiteindelijk een boodschap naar de hersenen sturen dat er licht is gedetecteerd.

Het grootste deel van ons bewuste gezichtsvermogen is afkomstig van fotoreceptoren in het netvlies, de lichtgevoelige laag aan de achterkant van onze oogbol. Bij dieren met een ruggengraat (gewervelde dieren) hebben de cellen die licht detecteren voor het gezichtsvermogen de vage vorm van staafjes of kegeltjes, waaraan ze hun bekende naam te danken hebben.

We weten al een tijdje dat andere gewervelde dieren extra fotoreceptoren in hun hersenen hebben. Maar wetenschappers dachten lange tijd dat staafjes en kegeltjes zo’n beetje het hele verhaal waren van het gezichtsvermogen van zoogdieren. De ontdekking in het begin van de jaren 2000 door de groep van David Berson aan de Brown University van andere cellen in het netvlies van muizen die op licht reageren, kwam dan ook als een schok.

Nog vreemder waren de daarmee samenhangende ontdekkingen in vele laboratoria die aantoonden dat deze cellen een nieuwe klasse opsine-eiwitten bevatten, de melanopsines, die nooit eerder bij gewervelden waren gezien (maar vergelijkbaar zijn met die van veel ongewervelde dieren). Zij lijken niet betrokken te zijn bij het bewuste gezichtsvermogen.

We kunnen ze nauwelijks extraoculair noemen, omdat ze zich daar in het oog bevinden. In plaats daarvan worden ze vaak aangeduid als “niet-visuele” fotoreceptoren. Dat is de term die onderzoekers gebruiken voor alle dierlijke fotoreceptoren die niet zijn verbonden met beeldvormende paden in het zenuwstelsel.

We weten nu dus dat er bij veel – misschien wel de meeste – dieren niet-visuele fotoreceptoren in de ogen zelf zitten. Waar kunnen we ze nog meer vinden?

De jacht op fotoreceptoren die zich niet in de ogen bevinden

In het algemeen betekent het identificeren van een potentiële extraoculaire fotoreceptor dat we moeten zoeken naar de eiwitten die licht kunnen detecteren, de opsins. De komst van goedkope en efficiënte moleculair-genetische technologieën heeft de zoektocht naar opsins tot een huisnijverheid gemaakt in laboratoria over de hele wereld.

Cellen die opsins bevatten zijn waarschijnlijk actieve fotoreceptoren, maar onderzoekers gebruiken fysiologische of gedragstests om dit te bevestigen. Ze kunnen bijvoorbeeld zoeken naar elektrische veranderingen of kijken naar een verandering in de activiteit van een dier wanneer ze de cel blootstellen aan licht.

De fotoreceptoren die wetenschappers buiten de ogen hebben gevonden, bevinden zich meestal in het centrale zenuwstelsel. Bijna alle dieren hebben verschillende typen in de hersenen en vaak ook in de zenuwen.

De huid is waar we de meeste andere lichtreceptoren zien, met name in actieve kleurveranderende cellen of huidorganen die chromatoforen worden genoemd. Dit zijn de zwarte, bruine of felgekleurde vlekken van veel vissen, krabben of kikkers. Zij bereiken hun hoogste ontwikkeling bij de koppotigen: octopus, inktvis en zeekat. Dieren controleren actief hun kleur of patroon om verschillende redenen, meestal voor camouflage (om zich aan te passen aan de kleur en het patroon van de achtergrond) of om heldere, opvallende signalen te produceren voor agressie of het aantrekken van een partner.

Verrassend genoeg is er naast de opsines nog een tweede klasse lichtgevoelige moleculen, die nooit voor het gezichtsvermogen zijn gebruikt (voor zover wij weten). Zij worden aangetroffen in bepaalde zenuwstructuren, zoals de hersenen of de antennes van sommige insecten en zelfs in het netvlies van vogels. Dit zijn de cryptochromen, zo genoemd omdat hun functies en werkingsmechanismen nog steeds slecht worden begrepen. Cryptochromen werden oorspronkelijk ontdekt in planten, waar ze de groei en de jaarlijkse reproductieve veranderingen regelen.

Waarom licht detecteren buiten de ogen?

Nu we weten dat deze fotoreceptoren overal in het lichaam van dieren te vinden zijn, wat doen ze dan eigenlijk in hemelsnaam? Het is duidelijk dat hun functie deels afhangt van hun locatie.

In het algemeen reguleren ze licht-gemedieerd gedrag dat onder het niveau van bewustzijn bestaat en waarvoor geen extreem precieze kennis van de plaats van een lichtbron in ruimte of tijd nodig is. Typische functies zijn de timing van dagelijkse cycli van alertheid, slapen en waken, stemming, lichaamstemperatuur en tal van andere interne cycli die synchroon lopen met de veranderingen van dag en nacht.

Biologische klokken die regelmatige fysiologische cycli in stand houden – en de ongemakken van een jetlag veroorzaken – worden bijna altijd door deze fotoreceptoren aangestuurd. Deze detectoren zijn ook belangrijk voor het openen en sluiten van de oogpupil, zodat deze zich kan aanpassen aan wisselende lichtniveaus. Huidfotoreceptoren zoals die in vissen of octopussen controleren vaak kleur- en patroonvariaties.

In sommige dieren hebben ze een heel andere, en nogal verbazingwekkende, taak – ze zorgen voor magnetoreceptie, het vermogen om het magnetische veld van de aarde te detecteren. Dit vermogen is gebaseerd op de cryptochromen, die kennelijk ten grondslag liggen aan mechanismen voor magnetische oriëntatie bij zo uiteenlopende dieren als vogels en kakkerlakken.

Mensen hebben ook niet-visuele fotoreceptorvermogens

Met de ontdekking van lichtgevoelige netvliescellen naast staafjes en kegeltjes in het netvlies van zoogdieren, werd het duidelijk dat ook mensen niet-visuele paden moeten gebruiken voor de controle van gedrag en functie.

De pupilgrootte varieert met veranderend licht, zelfs bij functioneel blinde mensen. Een gezamenlijke Brits-Amerikaanse studie, gepubliceerd in 2007, toonde aan dat patiënten die door genetische afwijkingen alle staafjes en kegeltjes zijn kwijtgeraakt, nog steeds lichtresponsieve dagritmes en pupillen kunnen hebben.

Een patiënt kon zelfs het gevoel van “helderheid” aangeven als hij een blauw licht zag, wat de niet-staafjes- en kegeltjesfotoreceptoren op het netvlies zou moeten stimuleren.

Recent onderzoek met knaagdieren aan de Johns Hopkins University door de groep van Samer Hattar suggereert dat niet-visuele paden de stemming, het leervermogen en zelfs de gevoeligheid van het bewuste zien kunnen reguleren.

Ten slotte bleek uit een onverwachte recente bevinding in een onderzoek onder leiding van Solomon Snyder en Dan Berkowitz, eveneens aan de Johns Hopkins University, dat bloedvaten in muizen melanopsine bevatten, de opsine die wordt gebruikt bij de niet-visuele fotoreceptie van het netvlies. Zij ontdekten dat dit lichtgevoelige eiwit het samentrekken en ontspannen van de bloedvaten kan regelen. Aangezien mensen waarschijnlijk hetzelfde systeem hebben, zou dit gedeeltelijk de toename van hartaanvallen in de ochtend kunnen verklaren, die misschien verband houden met veranderingen in de bloeddruk op dat moment.

We weten dat niet-visuele lichtdetectie alomtegenwoordig en belangrijk is in het leven van dieren. Toekomstig onderzoek zal blijven om de effecten ervan op de menselijke gezondheid en welzijn te ontwarren.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.