Sistema Visual Humano: Un diseño excepcional.

Sistema Visual Humano: Un diseño excepcional DIEGO A. GIRALDO G., O.D., MSc OPTÓMETRA-UNIVERSIDAD DE LA SALLE ESPECIALIZACIÓN EN NEUROECONOMÍA Y NEUROMARKETING- ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE NEUROECONOMÍA. MÁSTER EN NEUROCIENCIA Y BIOLOGÍA DEL COMPORTAMIENTO-UNIVERSIDAD DE MURCIA. DIRECTOR CIENTÍFICO-CENTRO DE EXÁMENES VISUALES- VILLAVICENCIO, COLOMBIA. INTRODUCCIÓN ¿Se ha detenido a pensar qué tienen en común el Universo, el planeta Tierra, el Cerebro y el Globo Ocular? Para encontrar una solución a este interrogante, se debe pasar un buen tiempo estudiando cada uno de ellos con la finalidad de hacer evidente ese aspecto tan importante que tienen en común: Un Sistema de Coordenadas Tridimensionales Euclidianas Esféricas. (Figura No.1). Figura No.1. En A. Fotocomposición del Universo conocido lograda por medio del satélite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), B. Fotografía de la Tierra, C. Tractografía del Cerebro Humano, D. Ojo Humano, F. Sistema de Coordenadas Euclidianas Esféricas que comparten. La aplicación de este sistema de coordenadas en el diseño citoarquitectónico y dentro de los procesos fisiológicos internos que desarrollan las diferentes estructuras neuronales oculares y del cerebro, facilita la existencia e interacción del individuo dentro de entornos tridimensionales como el planeta donde habita, y aún también fuera de él, porque el Universo que a su vez lo contiene todo, utiliza el mismo sistema de coordenadas. En otras palabras, la aplicación codificada de este sistema de coordenadas tridimensionales dentro del cerebro permite a los individuos analizar la estructura del espacio circundante para poder orientarse y navegar dentro de él, localizando los objetos, estimar las distancias a las que se encuentran y así poder evaluar sus formas. En el presente artículo, discutiremos el hipotético porqué y para qué, de este ultrasofisticado diseño para el Sistema Visual Humano que permite interiorizar de manera fiel en el Cerebro, el Sistema de Coordenadas Euclidianas Esféricas. UN SISTEMA DE COORDENADAS ESCRITO GENÉTICAMENTE Los genes Homeobox (Hox) son uno de los conjuntos de genes que están más implicados en el desarrollo embrionario. Los genes Hox, actúan en el control del desarrollo del eje anteroposterior de la gran mayoría de organismos pluricelulares. A pesar de que existen otros genes con características muy similares en las plantas, no se ha demostrado que sean homólogos. Los factores de transcripción expresados por el conjunto de genes Hox, se encargan de la regulación de la morfogénesis y diferenciación celular durante el desarrollo embrionario temprano, aunque el patrón de expresión conlleva a sofisticados ajustes conforme el desarrollo del individuo progresa, en cada célula el complejo Hox actúa como un sello o marca de registro permanente de la posición anteroposterior que deben ocupar las células en el embrión. De esta forma, las células de cada región o segmento embrionario están equipadas con un valor posicional a lo largo del eje anteroposterior del cuerpo 1. Existe evidencia científica que indica la formación de los complejos de genes Hox en todos los vertebrados a partir de un único complejo ancestral. Los genes Homeobox están presentes en los genomas de todos los animales que hasta ahora han sido secuenciados por diferentes laboratorios a nivel mundial. Como se dijo en líneas anteriores, se han encontrado otros genes con características muy similares en los genomas de plantas y hongos, lo que indica que sus orígenes en realidad son muy antiguos2. Tales características explican y por lo tanto apoyan, la necesidad de un mecanismo intrínseco que confiera las instrucciones genéticas necesarias a cada una de las células, para que ocupen un lugar específico y sobre todo, estratégico dentro del organismo en desarrollo. Esto garantiza las futuras interacciones y supervivencia del individuo en el espacio tridimensional (Ver Figura No.2). Figura No.2. Disposición homóloga de los genes Homeobox en especies tan diferentes como los humanos y las moscas. Al comienzo de la cuarta semana de gestación en los mamíferos, inicia el desarrollo de los esbozos de los ojos y de los oídos. Se ha comprobado que el Gen Pax-6 (perteneciente a la familia Homeobox), es un gen maestro supremamente necesario para el desarrollo tridimensional de las estructuras que conformarán el futuro globo ocular. Este gen, produce un factor de transcripción que se expresa en el reborde anterior de la placa neural. EL gen Pax-6 está localizado en el brazo corto (p) del cromosoma 11 en la posición 13 (11p13). Las mutaciones en el dominio (p) del gen Pax-6, causan múltiples anomalías oculares (Anoftalmía, Microftalmia, Aniridia, Anomalía de Peters, Distrofia Corneal, Catarata Congénita e Hipoplasia de la Fóvea) (Ver Figura No.3). En estos casos, la Aniridia (incluso también la Anoftalmía) parecen depender de la dosis expresada del gen Pax-6, ya que los organismos heterocigotos para la mutación en dicho locus sólo padecerán de Aniridia, en los homocigotos donde es más severa esta hipoexpresión, se producirá Anoftalmía 3. Figura No.3. Comparación entre los fenotipos expresados en cuatro especies por el gen Pax-6 en su estado de normal desarrollo (arriba), y cuatro de sus diversas mutaciones en las mismas especies (abajo). El texto inferior, describe las principales anomalías que se manifiestan en los ojos de cada una. De todas las especies, el gen que menos se expresó fue el ey-/- de la Mosca, en la cual, sus ojos compuestos no se desarrollaron. (Tomado y adaptado de la referencia 3). Este programa genético común, tiene como finalidad garantizarles a los individuos de las diferentes especies, la correcta codificación visual del entorno tridimensional que los rodea dentro de su cerebro, ya sea tan simple como el de las Moscas, o complejo como el de los Humanos. UN DISEÑO OCULAR ESPECIFICADO PARA ENTORNOS 3D No es casualidad que la gran mayoría de ojos en los organismos pluricelulares tiendan hacia la forma esférica. Como hemos visto, esta favorable disposición que las estructuras fotorreceptoras poseen, implica una configuración especialmente diseñada para capturar, procesar y posteriormente percibir las formas (bordes) de los objetos desde cualquier coordenada del espacio Euclidiano tridimensional (Figura No.4). Figura No.4. La estructuración en una forma tridimensional que tiende a la esfera de las distintas clases de ojos en diversas especies, obedece a las instrucciones codificadas en el gen Pax-6. (Tomado y Adaptado de la referencia No.4) Podemos tomar como ejemplo, el sencillo ojo compuesto de la Mosca y el sofisticado ojo del Humano, para ilustrar sobre cómo ambos mecanismos permiten el procesamiento de aquellos estímulos que están ubicados en un amplio sector semiesférico. Tales sistemas, cubren de acuerdo a su configuración geométrica, ya sea convexa (Mosca), o cóncava (Humano), dicho sector del espacio con suprema eficiencia, porque cada elemento fotorreceptor (Células retinulares o Conos y Bastones) proyecta hacia una coordenada específica del campo visual tridimensional. (Figura No.5). Figura No.5. La forma convexa del ojo de la mosca y la forma cóncava del ojo humano, favorecen indistintamente a que en ambas especies los elementos fotorreceptores proyecten hacia una coordenada específica del campo visual tridimensional para capturar y procesar cualquier estímulo dentro de ella. LA IMPRESCINDIBLE FÓVEA La fóvea central existe como una leve depresión semiesférica en la superficie central de la retina de muchos tipos de peces, reptiles y aves. Entre los mamíferos, se encuentra muy desarrollada sólo en los primates. La fóvea posee varias formas que son ligeramente diferentes entre las distintas especies animales. La principal función de la fóvea es ofrecer visión en alta resolución en cualquier coordenada del campo visual tridimensional hacia donde apunten y enfoquen los ojos. Aunque la fóvea ocupa menos del 1% del tamaño de la retina, representa más del 50% de la mayoría de áreas visuales del cerebro. La fóvea permite percibir sólo los dos grados centrales del campo visual, (aproximadamente dos veces el ancho de la uña del dedo pulgar con el brazo extendido) 4. Desde antaño, se ha descrito en la literatura a la fóvea como aquella región de la retina que ofrece la máxima agudeza visual (postulado que es innegable). También, se le ha relacionado como la zona retinal con mayor agudeza estereoscópica (situación comprobable experimentalmente por cualquiera de nosotros). Sin embargo (hasta donde conozco), no se le ha prestado la debida atención a su imprescindible forma semiesférica que permite codificar estímulos tridimensionales ultradetallados (bordes, colores, texturas y brillo) localizados dentro del campo visual central monocular y binocular, campo visual que obviamente está construido tanto para el ojo que lo captura y procesa, como para el cerebro que lo percibe, bajo un Sistema de Coordenadas Euclidianas Esféricas (Figura No. 6). Figura No.6. El Sistema de Coordenadas Euclidianas Esféricas codificado hipotética e implícitamente dentro del gen Pax-6, facilita la conformación de estructuras semiesféricas como la fóvea central que permiten detectar las microdisparidades de aquellos estímulos visuales enfocados en la retina central. En las notables prestaciones que ofrece la fóvea central, tiene mucho que ver el gen Homeótico Pax-6, pues como se relacionó anteriormente, la deficiencia en su expresión conlleva a la falta de desarrollo de la fosa foveal, es decir a la Hipoplasia foveal. No obstante las características tan importantes que hemos conferido a la fosa foveal en este artículo, aún existen algunos investigadores que la declaran como un elemento “Visualmente Insignificante”5. Obviamente, estos científicos no abordaron conceptualmente el tema de las microdisparidades que se procesan en la fóvea y mucho menos, las razones primariamente perceptuales, motoras y cognitivas del porqué la fóvea está tan ampliamente representada en la corteza visual y en otras regiones tanto corticales, como subcorticales. Tal vez, por todo ello, se plantearon dentro de su publicación la pregunta: ¿Por qué entonces tenemos una fosa foveal?. La codificación binocular de los estímulos percibidos dentro del área foveal de microdisparidad, permiten al ser humano y a otras especies con visión estereoscópica como los monos, ejecutar destrezas motoras supremamente finas con los dedos de sus manos o de sus pies, la manipulación de múltiples instrumentos para la realización de tareas complejas, y el desarrollo de habilidades cognitivas superiores como la lectura, la escritura, la foveación y el reconocimiento visuoespacial (Dentro del cual, se encuentran las funciones de reconocimiento facial y de reconocimiento de la forma de los objetos). NEURONAS INTERCONECTADAS PARA PROCESAR ENTORNOS 3D Como se sabe, el sistema visual humano dedica una parte importante de sus recursos a una región muy pequeña de la retina, la fóvea. Aproximadamente el 50% de la superficie de V1, está destinada exclusivamente al procesamiento de la visión foveal, lo cual es crucial para el comportamiento natural del individuo y la ejecución de muchas tareas de la vida cotidiana, como la lectura o el control de la motricidad fina(Ver Figura No.7). Figura No.7. Una amplia superficie de V1 se utiliza para el procesamiento de la visión foveal (sector cortical y central del hemicampo visual destacado en color rojo). Aunque existe una gran extensión para la representación foveal en V1, investigaciones recientes han descubierto que dicha representación es aún más amplia en V2 y V3, debido tal vez, a que se necesita mayor maquinaria neuronal para el procesamiento de aspectos perceptuales como la disparidad, motores como la fijación y los movimientos oculares, y cognitivos como la lectura y el reconocimiento facial, en áreas subsecuentes de la vía ventral y dorsal. En todas estas actividades, las neuronas sensibles a la disparidad juegan un papel esencial, porque permiten la fiel codificación de los estímulos visuales dentro de las mismas coordenadas del sistema Euclidiano con que se capturan y procesan desde la retina. Por todas las anteriores razones, las neuronas sensibles a la disparidad localizadas en casi todas las áreas cerebrales, pueden postularse como las directas responsables de interiorizar dentro del cerebro humano (y el de todo animal con visión estereoscópica) el Sistema de Coordenadas Euclidianas Esféricas para utilizarlo en todos sus procesos. CONCLUSIÓN Aunque pareciera a simple vista que la forma característicamente esférica que presentan los ojos de los individuos de muchas especies, junto con la depresión semiesférica que poseen sus fóveas no sirvieran de mucho, la cruda realidad es que es la única manera física y fisiológicamente posible de codificar bordes con disparidades estructuradas tridimensionalmente en un Sistema de Coordenadas Euclidianas Esféricas dentro de cada uno de sus cerebros, con el fin de ejecutar todo proceso perceptual, motor y cognitivo por aferencias visuales. Todo esto confirma que el excepcional diseño del sistema visual humano no es producto del azar, es en realidad un código estructural que viene escrito en nuestros genes más antiguos, configurado para interiorizar y utilizar el Sistema de Coordenadas Euclidianas Esféricas en toda actividad que los grupos neuronales puedan controlar. REFERENCIAS 1-Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2002) Molecular biology of the cell, 4th ed. Garland Science, New York. 2-Lappin, T., Grier, D., Thompson, A., Halliday, H. (2006) Hox genes: Seductive Science, mysterious mechanisms. Ulster Med 75(1): 23-31. 3-Washington N.L., Haendel M.A., Mungall C.J., Ashburner M., Westerfield M., Lewis S.E. (2009) Linking Human Diseases to Animal Models Using Ontology-Based Phenotype Annotation. PLoS Biol 7(11) e1000247. 4-Krantz, John H. (2012). "Chapter 3: The Stimulus and Anatomy of the Visual System" In Experiencing Sensation and Perception. Pearson Education. ISBN 978-0-13-097793-9. 5-Marmor, M. F., Choi, S. S., Zawadzki, R. J., Werner, J. S. (2008). Visual insignificance of the foveal pit: reassessment of foveal hypoplasia as fovea plana. Archives of ophthalmology, 126(7), 907-913.