Seeing without Eyes

O ensaio seguinte é reimpresso com permissão de The Conversation, uma publicação online que cobre a investigação mais recente.

Nós, humanos, somos criaturas invulgarmente visuais. E aqueles de nós dotados de visão normal estão habituados a pensar nos nossos olhos como vitais para a forma como experimentamos o mundo.

Visão é uma forma avançada de fotorecepção – ou seja, detecção de luz. Mas também experimentamos outras formas mais rudimentares de fotorecepção na nossa vida quotidiana. Todos nós conhecemos, por exemplo, o prazer de perceber o sol quente na nossa pele, neste caso utilizando o calor como substituto da luz. Não são necessários olhos ou mesmo células fotorreceptoras especiais.

Mas os cientistas descobriram nas últimas décadas que muitos animais – incluindo seres humanos – têm moléculas detectoras de luz especializadas em locais inesperados, fora dos olhos. Estes “fotorreceptores extraoculares” encontram-se geralmente no sistema nervoso central ou na pele, mas também frequentemente em órgãos internos. O que fazem as moléculas detectoras de luz em lugares para além dos olhos?

Visão depende da detecção da luz

Todas as células visuais identificadas nos animais detectam a luz usando uma única família de proteínas, chamadas opsinas. Estas proteínas agarram uma molécula sensível à luz – derivada da vitamina A – que altera a sua estrutura quando exposta à luz. A opsina, por sua vez, muda a sua própria forma e activa vias de sinalização nas células fotorreceptoras que acabam por enviar uma mensagem ao cérebro de que a luz foi detectada.

A maior parte da nossa visão consciente provém de fotorreceptores na retina, a camada sensível à luz na parte de trás do nosso globo ocular. Em animais com espinhas dorsais (vertebrados), as células que detectam a luz para a visão têm uma forma vaga como varas ou cones, dando-lhes os seus nomes familiares.

Sabe-se há algum tempo que outros vertebrados têm fotorreceptores adicionais nos seus cérebros. Mas os cientistas há muito que pensavam que as varas e os cones eram praticamente a história completa da visão dos mamíferos. Assim, a descoberta no início dos anos 2000 pelo grupo de David Berson na Universidade de Brown de outras células numa retina de rato que respondem à luz veio como um choque.

Even estranho foram descobertas associadas em muitos laboratórios demonstrando que estas células continham uma nova classe de proteínas de opsina chamadas melanopsinas, nunca antes vistas em vertebrados (mas semelhantes às de muitos invertebrados). Elas parecem não estar envolvidas na visão consciente.

Dificilmente podemos chamá-las extraoculares, uma vez que estão mesmo ali no olho. Em vez disso, são frequentemente referidos como fotorreceptores “não-visuais”. Este é o termo que os investigadores usam para todos os fotorreceptores de animais que não estão associados a vias de imagem nos sistemas nervosos.

Por isso agora sabemos que existem fotorreceptores não visuais nos próprios olhos em muitos – talvez a maioria – animais. Onde mais os podemos encontrar em todo o corpo?

A caça aos fotorreceptores não nos olhos

Em geral, identificar um potencial fotorreceptor extra-ocular significa procurar as proteínas que podem detectar a luz, as opsinas. O advento de tecnologias genéticas moleculares baratas e eficientes fez da procura de opsinas uma indústria caseira em laboratórios de todo o mundo.

Células que contêm opsinas são provavelmente fotorreceptores activos, mas os investigadores utilizam testes fisiológicos ou comportamentais para confirmar isto. Por exemplo, podem procurar alterações eléctricas ou procurar uma alteração na actividade de um animal quando expõem a célula à luz.

Os cientistas de fotorreceptores encontraram para além dos olhos que estão mais frequentemente localizados no sistema nervoso central. Quase todos os animais têm vários tipos no cérebro e frequentemente também nos nervos.

A pele é onde vemos a maioria dos outros receptores de luz, particularmente em células activas que mudam de cor ou em órgãos da pele chamados cromatóforos. Estes são as manchas pretas, castanhas ou de cor brilhante, suportadas por muitos peixes, caranguejos ou sapos. Atingem o seu maior desenvolvimento nos cefalópodes: polvos, lulas e chocos. Os animais controlam activamente a sua cor ou padrão por várias razões, na maioria das vezes para camuflagem (para corresponder à cor e padrão do fundo) ou para produzir sinais brilhantes e proeminentes de agressão ou para atrair um mate.

Surpresa, existe uma segunda classe de moléculas sensíveis à luz para além das opsinas, nunca utilizadas para a visão (tanto quanto sabemos). Elas aparecem em algumas estruturas nervosas, tais como o cérebro ou as antenas de alguns insectos e mesmo em retinas de aves. Estes são os criptocromos, bem denominados porque as suas funções e métodos de acção ainda são mal compreendidos. Os criptocromos foram originalmente descobertos nas plantas, onde controlam o crescimento e as alterações reprodutivas anuais.

Porquê detectar luz fora dos olhos?

Agora sabemos que estes fotorreceptores podem ser encontrados em todo o corpo dos animais, o que é que no mundo eles estão realmente a fazer? Obviamente, a sua função depende em parte da sua localização.

Geralmente, regulam o comportamento mediado pela luz que existe abaixo do nível de consciência e que não requer ter um conhecimento extremamente preciso da localização de uma fonte de luz no espaço ou no tempo. As funções típicas incluem o tempo dos ciclos diários de alerta, sono e vigília, humor, temperatura corporal e numerosos outros ciclos internos que estão sincronizados com as mudanças do dia e da noite.

Relógios biológicos que mantêm ciclos fisiológicos regulares – e causam o desconforto do jet lag – quase sempre são controlados por estes fotorreceptores. Estes detectores são também importantes para a abertura e fecho da pupila do olho para ajudar a ajustar-se aos diferentes níveis de luz. Fotorreceptores de pele como os dos peixes ou polvos controlam frequentemente variações de cor e padrões.

Em alguns animais, têm uma tarefa bastante diferente, e bastante espantosa – fornecer uma magnetorrecepção, a capacidade de detectar o campo magnético da Terra. Esta capacidade baseia-se nos criptocromos, que aparentemente estão subjacentes a mecanismos de orientação magnética em animais tão diferentes como as aves e baratas.

As pessoas também têm capacidades fotorreceptoras não-visuais

Com a descoberta de células retinianas sensíveis à luz, para além de hastes e cones em retinas de mamíferos, tornou-se óbvio que os humanos também devem utilizar vias não-visuais para controlo do comportamento e função.

O tamanho da pupila varia com a mudança da luz, mesmo em humanos funcionalmente cegos. Um estudo conjunto britânico-americano, publicado em 2007, descobriu que os pacientes que perderam todas as hastes e cones devido a perturbações genéticas ainda podem ter ritmos diários e pupilas reactivas à luz. Um paciente poderia mesmo relatar a sensação de “brilho” quando lhe fosse mostrada uma luz azul, o que deveria estimular os fotorreceptores de retina não-cone e não-cone.

Investigação recente com roedores na Universidade Johns Hopkins pelo grupo de Samer Hattar sugere que as vias não visuais podem regular o humor, a capacidade de aprendizagem e mesmo a sensibilidade da visão consciente.

Finalmente, uma descoberta recente inesperada na investigação conduzida por Solomon Snyder e Dan Berkowitz, também da Universidade Johns Hopkins, descobriu que os vasos sanguíneos em ratos contêm melanopsina, a opsina utilizada na fotorecepção não visual da retina. Descobriram que esta proteína sensível à luz pode regular a contracção e relaxamento dos vasos sanguíneos. Como é provável que os humanos tenham o mesmo sistema, isto poderia explicar parcialmente o aumento de ataques cardíacos pela manhã, que estão talvez associados a alterações da pressão arterial que ocorrem nessa altura.

Sabemos que a detecção não visual da luz é omnipresente e significativa na vida dos animais. A investigação futura continuará a desembaraçar os seus efeitos na saúde e bem-estar humanos.

Este artigo foi originalmente publicado em The Conversation. Leia o artigo original.