¿CÓMO VEMOS LOS COLORES?

Jeremy Nathans pasó mucho tiempo durante los últimos 17 años concentrándose en un único aspecto de la visión: cómo vemos los colores.

"Si una pelota playera roja y brillante viene girando hacia uno, se ve su color, su forma y su movimiento, todo a la vez—pero el cerebro se ocupa de cada una de estas características por separado", explica.

Las neuronas son máquinas de cómputos relativamente lentas, dice Nathans, un investigador del HHMI, en la Facultad de Medicina, en la Universidad Johns Hopkins. "Les lleva varios milisegundos recibir un estímulo y generar otro. Sin embargo, se pueden ver cosas en una fracción de segundo, el tiempo para no más de 100 pasos sucesivos. Por esto mismo, el sistema requiere de un procesamiento paralelo".

El día que se enteró de los nuevos descubrimientos sobre cómo vemos en blanco y negro, Nathans se interesó en cómo vemos en colores. Era 1980, y él era estudiante en la Facultad de Medicina de Stanford, recuerda cuando Lubert Stryer y Denis Baylor, ambos en Stanford, describieron sus notables descubrimientos acerca del funcionamiento de las células de tipo bastón.

Las células de tipo bastón—una de las dos clases de células fotorreceptoras de la retina—nos permiten ver a la luz suave de las estrellas durante una noche brumosa. "Baylor mostró que las células de tipo bastón consiguen lo que es fundamental para la sensibilidad a la luz—poder responder a un único fotón o partícula de luz", dice Nathans. "Fue un experimento hermoso". (El trabajo de Baylor fue realizado en colaboración con Trevor Lamb y King-Wai Yau).

Entonces, Stryer explicó cómo la rodopsina, la proteína receptora sensible a la luz que está presente en las membranas de los discos de las células de tipo bastón, anuncia la llegada de este pequeño pulso de luz a la maquinaria de señalización dentro de la célula. Stryer había encontrado que la rodopsina sólo podía hacer esto con la ayuda de una intermediaria, llamada proteína G, que pertenecía a una familia de proteínas que ya era conocida por los bioquímicos, gracias al estudio que ellos habían hecho sobre cómo las células responden a las hormonas y a los factores del crecimiento.

Inmediatamente, Nathans se dio cuenta que esto significaba que la estructura de la rodopsina misma podía ser similar a la de los receptores de las hormonas. Comenzó a jugar en su mente con las posibilidades. "Y corrí, literalmente corrí, a la biblioteca y empecé a leer sobre la visión", dice.

Hasta entonces, Nathans había estado estudiando la genética de las moscas de la fruta. Pero al leer la publicación del biólogo George Wald, de la Universidad de Harvard—una transcripción de la conferencia de Wald, sobre "La base molecular de la excitación visual", durante la entrega del Premio Nobel de 1967—Nathans tomó un rumbo diferente. Resolvió hacer lo que el mismo Wald había deseado hacer 40 años antes: encontrar las proteínas receptoras de la retina que responden al color.

Las células de tipo bastón sólo permiten la visión en la luz débil y no perciben los colores. "Levántese una noche de luna oscura y mire a su alrededor", sugiere David Hubel de la Facultad de Medicina de Harvard, galardonado con el Premio Nobel por su investigación sobre la visión. "A pesar de que pueda ver algunas formas bastante bien, los colores estarán completamente ausentes. Es notable cómo pocas personas se dan cuenta de que no necesitan de la visión de color para poder ver con luz débil".

Pero la retina humana también contiene otro tipo de célula fotorreceptora: los conos, los cuales operan con luz brillante y son los responsables de la gran agudeza visual, además de la visión de los colores.

Los conos y bastones forman un mosaico desigual dentro de la retina, con bastones que generalmente exceden en número a los conos, en una relación de 10 a 1, excepto en el centro de la retina o fóvea. Los conos están sumamente concentrados en la fóvea, un área que Nathans llama "el milímetro cuadrado de tejido más valioso del cuerpo".

A pesar de que la fóvea es esencial para una vista excelente, es menos sensible a la luz que la retina que la rodea. Por ello, si deseamos detectar una estrella débil en la noche, debemos fijar la vista ligeramente hacia el costado de la estrella para proyectar su imagen sobre los bastones, que son más sensibles, ya que la estrella emite una luz que es insuficiente para activar a un cono.

Entonces, con luz brillante, cuando los conos están activos, ¿cómo percibimos los colores?

Los conos rojos, verdes y azules

Experimentando con prismas, nada menos que en 1672, Isaac Newton hizo el descubrimiento fundamental de que la luz "blanca"común era, en realidad, una mezcla de luces de diferentes longitudes de onda, tal cual se ve en un arco iris.

Los objetos parecen ser de un color en particular porque reflejan más algunas longitudes de onda que otras. Una manzana roja es roja porque refleja rayos del extremo rojo del espectro y absorbe rayos del extremo azul. Por otra parte, un arándano refleja el extremo azul del espectro y absorbe el rojo.

En 1802, pensando en el descubrimiento de Newton, el físico Thomas Young, quien más tarde ayudó a descifrar los jeroglíficos de Rosetta Stone, concluyó que la retina de ninguna manera podía tener un receptor diferente para cada una de estas longitudes de onda, las cuales cruzan todo el espectro de colores, que va desde el violeta al rojo. En cambio, propuso que los colores eran percibidos por un código de tres colores.

Como los artistas bien sabían en aquel momento, cualquier color del espectro (excepto el blanco) puede ser igualado con una mezcla sensata de tan sólo tres colores de pintura. Young sugirió que esto no era una propiedad intrínseca de la luz, sino que surgía de la actividad combinada de tres "partículas" diferentes presentes en la retina, cada una sensible a diferentes longitudes de onda.

Ahora, sabemos que la visión del color depende, en realidad, de la interacción de los tres tipos de conos; uno especialmente sensible a la luz roja, otro a la luz verde y un tercero, a la luz azul. En 1964, George Wald y Paul Brown, en Harvard, y Edward MacNichol y William Marks, en Johns Hopkins, mostraron que cada célula humana de tipo cono absorbe luz en sólo uno de estos tres sectores del espectro.

Wald siguió adelante y propuso que las proteínas receptoras presentes en todos estos conos, estaban realizadas con el mismo esquema que la rodopsina. Cada proteína usa retinal, un derivado de la vitamina A, para absorber la luz; y cada una ajusta al retinal para absorber un rango diferente de longitudes de ondas.

Wald creía que las tres proteínas receptoras presentes en los conos, probablemente evolucionaron a partir del mismo gen primordial, y que la rodopsina también evolucionó a partir de ese gen. Fueron todas "variaciones sobre un tema central", escribió Wald, en su conferencia para el Premio Nobel.

Este mensaje evolucionista era como música para los oídos de Nathans. Quería decir que si el gen que codifica sólo para una proteína receptora podía ser encontrado, los genes que codifican para las otras proteínas receptoras, podrían ser hallados utilizando las semejanzas entre las secuencias de bases del ADN.

"Mientras leía la conferencia de Wald me di cuenta", dijo Nathans, "que Wald había puesto en evidencia el problema de la base genética de la visión de los colores, y que ahora este problema podía ser resuelto, resuelto completamente, por medio de métodos genéticos moleculares". Wald había llevado el problema tan lejos como podía, remarcó Nathans. "Pero al carecer de estos métodos moleculares, no pudo ir más lejos".

Ceguera para los colores: más frecuente entre los hombres

El ambicioso plan de Nathans de aislar los genes que codifican para los tres colores de proteínas receptoras, dependía de la idea de Wald de que todos los genes han evolucionado a partir de un ancestro primordial común.

La única proteína receptora visual que había sido estudiada con cierta intensidad hasta ese momento era la rodopsina bovina, proveniente de las células de tipo bastón de los ojos de las vacas. Los científicos habían purificado la rodopsina vacuna y habían deducido la secuencia de un fragmento del ADN que codificaba para la misma. Nathans usó esa información para construir un cebo—un ADN de cadena simple—y con el mismo pescó, en un mar de ADN bovino, el gen completo que codifica para la rodopsina bovina.

Luego, usó parte de este gen bovino como cebo para atrapar, en la mezcla de ADN de una célula humana, al gen que codifica para la rodopsina humana. Esto le llevó menos de un año "porque los genes que codifican para las rodopsinas humanas y bovinas son virtualmente idénticos, a pesar de los 200 millones de años de distancia evolutiva entre el ganado y los humanos", dice Nathans.

Sin embargo, el intento por descubrir los genes humanos para los receptores del color, resultó ser más desafiante de lo esperado, dado que estos genes no están tan íntimamente emparentados con los genes para la rodopsina.

Nathans empezó a escudriñar a través del ADN de sus propias células. "Me di cuenta que yo podría ser una fuente ilimitada de ADN, mientras me mantuviera comiendo", dice. Finalmente, pescó algunas piezas de ADN que pertenecían a tres tipos diferentes de genes, cada uno de los cuales estaba claramente emparentado con el gen de la rodopsina.

"Esta coincidencia—tres genes, tres tipos de conos—no escapó a nuestra atención", dice. Además, dos de estos genes estaban presentes en el cromosoma X—"exactamente lo que uno debiera esperar", dice Nathans, "dado que los defectos en la visión para el color rojo y verde están asociados con el cromosoma X".

Alrededor de 10 millones de hombres americanos, el 7 por ciento de toda la población masculina, ya sea no puede distinguir el color rojo del verde o ven el rojo y el verde de una forma diferente al resto de las personas. Esta es la forma más común de las cegueras para los colores, pero sólo afecta al 0,4 por ciento de las mujeres. El hecho de que la ceguera para los colores sea mucho más frecuente entre los hombres, implica que el gen involucrado, al igual que en el caso de la hemofilia, es llevado en el cromosoma X, del cual los hombres tienen una sola copia. Como en la hemofilia, las mujeres están protegidas porque tienen dos copias del cromosoma X; un gen normal en uno de los cromosomas generalmente puede compensar a uno defectuoso presente en el otro cromosoma.

Wald y otros habían identificado que en hombres ciegos al color, los conos verdes o rojos funcionaban inadecuadamente o no funcionaban para nada. Wald sugirió que los genes de los receptores para los colores rojos y verdes, estaban alterados en esos hombres. El también pensó que estos genes debían estar ubicados unos cerca de otros en el cromosoma X. Este ordenamiento en tándem, que Nathans confirmó, probablemente resulte de la duplicación de un segmento de ADN, en primates, que ocurrió alrededor de 40 millones de años atrás.

Los primates de Sudamérica, que provinieron del continente africano por aquel entonces, poseen sólo una única copia funcional de un gen rojo o verde, de manera muy similar a los hombres ciegos para los colores. Pero en los primates del viejo mundo, monos de Africa y ancestros de los humanos, un gen primordial rojo y verde debe haberse duplicado y, entonces, divergido levemente en la secuencia, produciendo la separación de los receptores en tipos rojos y verdes.

En concordancia con este concepto, Nathans encontró que la secuencia de ADN de los genes para los receptores rojos y verdes, difería sólo en un 2 por ciento, evidenciando un origen común y una divergencia reciente.

Nathans no es ciego para los colores. Antes de usar su ADN, controló minuciosamente su visión para los colores para asegurarse que la misma era normal. Sin embargo, uno de sus descubrimientos iniciales presentó un misterio: entre el principio y el fin de su cromosoma X, no sólo había dos genes para los receptores rojos y verdes sino que también había una copia extra del gen para el receptor verde.

Y esta fue la explicación sobre la frecuencia de la ceguera para los colores que realizó. Debido a que las secuencias de ADN de los genes de los receptores rojos y verdes son muy parecidas y debido a que se alinean desde el principio al fin, es fácil que ocurran errores durante el desarrollo de los óvulos y de los espermatozoides, dado que el material genético es replicado e intercambiado entre los cromosomas.

Un cromosoma X, como en el caso de Nathans, puede recibir el gen extra de un receptor verde, por ejemplo, o tal vez hasta dos genes. Esto no es dañino. Pero, entonces, el otro cromosoma con el que está intercambiando pedazos de información genética es dejado con un solo gen del receptor rojo. El hombre que herede este cromosoma ligeramente truncado, será ciego al color, al ser privado de la información genética necesaria para hacer un receptor verde.

Más del 95 por ciento de todas las variaciones en la visión de los colores en humanos, compromete a los receptores rojos y verdes en los ojos de los hombres. Es muy raro para cualquiera, sea hombre o mujer, ser "ciego" al extremo azul del espectro. Nathans aportó una explicación genética para este fenómeno. Mostró que el gen que codifica para el receptor azul se ubica en el cromosoma 7, que se comparte por igual entre hombres y mujeres, y que este gen no tiene ningún vecino con una secuencia similar de ADN. La ceguera al color azul es causada por una mutación simple en este gen.

Juzgando un color

El ver un color implica hacer comparaciones. "Lo único que un cono individual puede hacer es capturar la luz y decir algo acerca de su intensidad", señala Nathans; "no dice nada acerca del color".

Para ver cualquier color, el cerebro debe comparar el estímulo entrante de diferentes clases de células de tipo cono, y luego debe hacer muchas otras comparaciones.

El rápido trabajo de juzgar un color comienza en la retina, la cual tiene tres capas de células. Las señales de los conos rojos y verdes de la primera capa son comparadas por las de células rojas y verdes "antagonistas", presentes en la segunda capa. Estas células "antagonistas" computan el balance entre la luz roja y verde que viene de una parte determinada del campo visual. Otras células antagonistas, entonces, comparan señales de los conos azules con las señales combinadas de los conos rojos y verdes.

En una escala más amplia, las comparaciones de las porciones vecinas de una imagen guían nuestra extraordinaria habilidad para ver los colores como constantes, en un mundo que está cambiando constantemente.

Nathans recuerda vívidamente las demostraciones de esta "constancia del color", hechas por el difunto Edwin Land, el inventor de la fotografía instantánea y fundador de la Corporación Polaroid. Land y sus colegas habían hecho un gran montaje de formas geométricas multicolores, llamado el "Mondrian", debido a su semejanza con los trabajos del pintor holandés Piet Mondrian. Usaron tres proyectores que emitían una luz que igualaba a la sensibilidad de la longitud de onda de los tres tipos de conos humanos. Con estos proyectores, la composición exacta de la longitud de onda reflejada desde cualquier parte del Mondrian, se podía controlar con precisión.

"Land señaló una porción en el Mondrian que parecía ser de color naranja, en el contexto de los colores que la rodeaban", recuerda Nathans. "Luego me dio un tubo, como un tubo de las toallas de papel, y me hizo mirar a esta porción en forma aislada. Y ya no era más anaranjada. Era de un color rojo perfecto".

Esta porción, en realidad, estaba pintada de color naranja, pero Land había emitido sobre ella una luz de onda larga de gran intensidad que provenía del extremo rojo del espectro; de esta forma, reflejaba una alta proporción de luz roja. Bajo circunstancias normales de observación, sin embargo, cuando esta porción estaba rodeada de los otros colores del Mondrian, Nathans todavía veía a la figura con su color verdadero, anaranjada.

De alguna manera, al comparar una porción de color con la región coloreada que la rodea, el cerebro es capaz de descontar la longitud de onda de la luz que la ilumina y reconstruir el color real de esa porción a la luz del día.

"La constancia del color es la propiedad más importante del sistema del color", expresa el neurobiólogo Semir Zeki, del Colegio Universitario, en Londres. El color sería una forma inadecuada de clasificar a los objetos, si los colores percibidos cambiaran bajo condiciones diferentes, señala. Pero el ojo no es una cámara. En cambio, la vía que va desde el ojo al cerebro constituye una clase de computadora—mucho más compleja y poderosa que cualquiera que los ingenieros humanos hayan construido—diseñada para construir una representación visual estable de la realidad.

La clave de la constancia del color es que no determinamos el color de un objeto aislado; más bien, el color del objeto se deriva de una comparación de las longitudes de onda reflejadas desde el objeto y de sus alrededores. A la luz rosada del amanecer, por ejemplo, un limón amarillo reflejaría más luz de onda larga y, por ello, podría parecer de color naranja; pero las hojas que tiene alrededor también reflejan más luz de longitud larga. El cerebro compara a las dos y anula los aumentos.

La teoría de la visión del color de Land, "Retinex", es un modelo matemático de este proceso de comparación; deja la pregunta abierta de dónde, en el camino entre la retina y la corteza, se logra la constancia del color. Esta cuestión sólo podría ser resuelta estudiando el cerebro mismo.

Trabajando con monos anestesiados en los 60, David Hubel y Torsten Wiesel, en la Facultad de Medicina de Harvard, habían mostrado que la corteza visual primaria (V1), una región del tamaño de una tarjeta de crédito en la parte posterior del cerebro, posee un sistema muy organizado de neuronas destinadas a analizar la orientación del contorno de un objeto. Pero en sus primeros estudios, encontraron pocas señales provenientes de las células sensibles al color. Luego, en 1973, Semir Zeki identificó un área separada, llamada V4, la cual estaba llena de células que descargaban activamente cuando eran expuestas a colores diferentes.

Unos años más tarde, Edwin Land visitó a Zeki en Londres. "Me hizo la demostración y quedé totalmente cautivado", dice Zeki. "En realidad, fui transformado. Así que usé su ilustración del Mondrian para estudiar células individuales presentes en el área V4".

De esta manera, Zeki descubrió que algunas de las células en el área V4, responden consistentemente al color real de la superficie de una porción del Mondrian, a pesar de las condiciones de iluminación. El cree que estas células son las que llevan a cabo la constancia del color.

Más recientemente, con la ayuda de escáneres PET, Zeki encontró un área, similar a la V4 de los monos en cuanto a su ubicación, que se activa específicamente en los humanos que miran la exposición de colores del Mondrian. Esta exposición de colores también estimula al área visual primaria y a un área que está junto a ella, el área V2.

Sin embargo, existe mucha controversia acerca de todos los aspectos de la vía del color más allá de la retina. Los investigadores no están de acuerdo sobre el rol exacto de las células en las áreas humanas V1 y V2, acerca de la importancia de V4, acerca de las semejanzas entre los cerebros de los monos y de los humanos.

Los científicos esperan los resultados de más experimentos en humanos para resolver estas cuestiones. Las nuevas técnicas de procesamiento de imágenes, que no son invasivas, y que pueden mostrar al cerebro en acción, podrían proporcionar respuestas claves. En unos pocos años, los investigadores esperan que estas técnicas revelen las vías precisas de los mensajes nerviosos que hacen posible que veamos la riqueza de los colores a nuestro alrededor.

Para obtener más información acerca de Jeremy Nathans y del estudio de la visión, vea 1997 Holiday Lectures.

Fuente: http://www.hhmi.org/senses-esp/b140.html