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Title: Ganglion cell and optic nerve physiology in health and disease: the role of novel psychophysical and electrophysiological techniques
Other Titles: Fisiologia das células e do nervo óptico na saúde e na doença: o papel das novas metodologias psicofísicas e electrofisiológicas
Authors: Reis, Aldina Susana Aragônes da Conceição Pires 
Orientador: Castelo-Branco, Miguel de Sá e Sousa
Vaz, José Guilherme Fernandes da Cunha
Keywords: Células ganglionares da retina; Retina; Nervo óptico
Issue Date: 2012
Citation: REIS, Aldina Susana Aragônes da Conceição Pires - Ganglion cell and optic nerve physiology in health and disease: the role of novel psychophysical and electrophysiological techniques = Fisiologia das células e do nervo óptico na saúde e na doença: o papel das novas metodologias psicofísicas e electrofisiológicas [em linha]. Coimbra: [s.n], 2012. [Consult. em Dia Mês Ano]. Tese de doutoramento. Disponível em: http://hdl.handle.net/10316/21667
Abstract: As células ganglionares (CG) têm um papel preponderante no processamento da Visão, dadas as suas características estruturais e funcionais. As diferenças anatómicas destas células imprimem uma variedade de mosaicos e circuitos neuronais que estão na base de diferentes vias visuais. Esta especificidade começa na retina e estende-se até ao córtex visual através de vias retinocorticais paralelas, de acordo com as propriedades funcionais intrínsecas dos seus neurónios. As células do sistema parvocelular são pequenas (originando campos receptores pequenos) e especializadas no processamento da informação cromática (eixo vermelho-verde), apresentando alta resolução espacial e baixa resolução temporal, contrariamente às do sistema magnocelular, que são maiores (com campos receptores igualmente de maiores dimensões). A via magnocelular apresenta elevada sensibilidade ao contraste para estímulos dinâmicos de baixa frequência espacial. O sistema coniocelular é constituído por células biestratificadas, com propriedades espaciais e temporais intermédias comparativamente às das outras vias retinocorticais, sendo sensível ao contraste cromático no eixo azul-amarelo. Diferentes mecanismos de doença, intrinsecamente relacionados com patologias da retina e do nervo óptico, podem causar lesões ao nível da camada das CG, com impacto nas vias retinocorticais. Este trabalho teve como objectivo global investigar o impacto dos mecanismos de doença nas CG e no nervo óptico, nomeadamente em patologias que afectam tipicamente estas estruturas, sejam hereditárias (Atrofia Óptica Autossómica Dominante e Neuropatia Óptica Hereditária de Leber) ou adquiridas (Neuropatia Óptica Inflamatória-Desmielinizante / relacionada com Esclerose Múltipla), não só ao nível das CG, como também ao nível de via aferentes e eferentes (pré e pósganglionares, neste caso através de diferentes canais funcionais). Pretendeu-se, ainda, pesquisar a presença de disfunção neuronal retiniana “pura”, independente da ruptura da barreira hemato-retiniana e vasculopatia, em doentes diabéticos do tipo 1, sem retinopatia diabética (RD) ou com RD incial, em termos das vias paralelas retinocorticais. Por último, o objectivo final deste trabalho foi investigar o papel das novas metodologias psicofísicas e electrofisiológicas na caracterização funcional de doenças que afectam a retina interna. 24 Métodos Foram escolhidos métodos que incluíram estímulos preferencialmente selectivos para as vias parvo, conio e magnocelulares, de forma a possibilitar a comparação de mecanismos patofisiológicos, em diferentes populações, divididas em quatro linhas de investigação, de acordo com os objectivos globais do projecto: - Estudo 1: Amostra de 44 indivíduos com Esclerose Múltipla (EM), com (n=14) e sem (n=30) episódio prévio de Nevrite Óptica (NO) – modelo de neuropatia óptica adquirida. - Estudo 2: Amostra de 22 indivíduos de 13 famílias com Atrofia Óptica Autossómica Dominante (AOAD); mutação OPA1 – modelo de neuropatia óptica hereditária. - Estudo 3: Amostra de 17 indivíduos portadores assintomáticos de Neuropatia Óptica Hereditária de Leber (NOHL) associada à mutação DNAmt 11778G>A, provenientes do mesmo “pedigree” – modelo de neuropatia óptica hereditária, assintomática. - Estudo 4: Amostra de 42 indivíduos diabéticos do tipo 1 com acuidade visual preservada, sem retinopatia diabética (RD) – n=26, ou RD inicial (n=16) – modelo de lesão neuronal funcional da retina interna (não excluindo afecção da retina externa). Estes dados foram comparados com os dados obtidos em diferentes grupos de controlo, ajustados (em número e à idade) às características da amostra de doentes para cada linha de estudo. Os métodos psicofísicos englobaram a avaliação da sensibilidade ao contraste cromático parametrizado ao longo de diferentes eixos de cor (Cambridge Colour Test - vias parvo e coniocelulares) e da sensibilidade ao contraste acromático (para várias frequências espaciais - Metropsis Contrast Sensitivity Function Test, ou avaliação perimétrica da via magnocelular - Perimetria de Frequência Dupla). A Perimetria Estática Computorizada foi também utilizada nos estudos em que foi necessário obter uma comparação perimétrica “golden standard”. Foram também utilizados vários métodos electrofisiológicos, de acordo com os diferentes objectivos neurofisiológicos: as medidas relativas da função pré-ganglionar e ganglionar foram obtidas através do Electroretinograma Multifocal e do Electroretinograma Pattern, respectivamente. Os Potenciais Evocados Visuais, globais e 25 multifocais, foram medidos para registo do processamento retinocortical, para caracterização da lesão funcional ao nível pós-CG. Foram também registados potenciais evocados visuais de alta densidade, nas neuropatias ópticas hereditárias, com vista a investigar as diferenças entre as respostas corticais induzidas por estímulos preferencialmente selectivos para o desempenho dos sistemas parvo e magnocelulares, com o objectivo de separar os mecanismos patofisiológicos da visão central versus paracentral/periférica, baseados na hipótese de diferentes susceptibilidades lesionais. Para além dos métodos mencionados, foram ainda utilizados métodos de imagem, para caracterização funcional e para análise de correlação estrutura-função: Fotografia do Fundo Ocular, Angiografia Fluresceínica, avaliação da camada de fibras nervosas / espessura da retina (Tomógrafo de Coerência Óptica ou Analisador da Espessura da Retina). Estes foram aplicados diferentemente em cada grupo, de acordo com os objectivos específicos de cada estudo. Para o estudo da Diabetes, foi ainda utilizada a Fluorometria do Vítreo, para quantificação da barreira hemato-retiniana, crucial para a detecção de alterações vasculares subclínicas. Resultados e Discussão Sumariamente, na EM encontrámos evidência de lesão independente nas diferentes vias retinocorticais, mas apenas em doentes sem NO (grupo pré-neuropatia). O dano axonal encontrado neste grupo (através dos PEVs) deu consistência à corrente emergente que sugere existir dano axonal mesmo nos estadios pré-clínicos de NO, no processo fisiopatológico da EM. Ainda no mesmo grupo foi observada uma correlação significativa das medidas visuais funcionais com o estadio da EM, sugerindo que ocorrem diferentes mecanismos de lesão antes e após um episódio de NO. Nas neuropatias ópticas hereditárias, verificámos que as alterações estruturais e funcionais reflectem-se também ao nível pré-ganglionar. No caso da AOAD, estas alterações sugerem a existência de um mecanismo de lesão retrógrado, com impacto significativo na função visual, principalmente no desempenho do sistema parvocelular. Relativamente à NOHL (assintomática), as alterações pré-ganglionares não podem ser interpretadas como resultantes de um processo retrógado (dado que não foi encontrada evidência de disfunção das CG), mas sim derivadas de um mecanismo lesional independente. 26 Nos diabéticos do tipo 1, encontrámos alterações retinianas neuronais, nas vias gangionares magno, conio e parvocelulares, mesmo antes de evidência de ruptura da barreira hemato-retiniana ou início do processo vasculopático. Alterações neurofisiológicas evidenciadas pelos métodos electrofisiológicos sugerem ainda que estas alterações neuronais ocorrem também ao nível pré-CG. Os métodos psicofísicos e electrofisiológicos podem, assim, assumir um papel preponderante na detecção de alterações subclínicas e/ou pré-clínicas em doenças que afectam as vias paralelas ganglionares retinocorticais, e ainda na identificação de padrões patofisiológicos distintos, em diferentes mecanismos de doença, nas patologias da retina e do nervo óptico. Este trabalho deixa, ainda, em aberto um caminho para investigação e desenvolvimento em biomarcadores para a caracterização precoce e quantitativa do dano retrógrado ou anterógrado, em doenças que afectam, directa ou indirectamente, as CG e o nervo óptico.
Ganglion Cells (GC) are key players in vision processing due to their structural and functional characteristics. There are different structural types of GC, defining distinct mosaics and circuits organized to subserve different functional roles. This specificity starts at retinal level and continues up to the visual cortex across parallel retinocortical pathways, related to the functional tuning properties of their respective neurons. Cells within the parvocellular pathway are small (with small receptive fields) and specialized in colour processing (red-green axis), having high spatial resolution and low temporal resolution, while the cells of the magnocellular pathway are larger (with correspondingly large receptive fields). This pathway is highly sensitive to contrast of low spatial frequency dynamic stimuli. The koniocellular system has bistratified cells with intermediate spatial and temporal tuning properties as compared to the other retinocortical pathways, and is sensitive to contrast along the blue-yellow colour axis. GC damage can be caused by several intrinsic disease mechanisms related with retinal and/or optic nerve pathologies, with consequent impact on the retinocortical pathways. The global aim of this work was to investigate the impact of disease mechanisms in GC and optic nerve, namely in pathologies that typically affect these structures, namely inherited conditions (Autosomal Dominant Optic Atrophy and Leber Hereditary Optic Neuropathy) and acquired optic neuropaties (Inflammatory- Demyelinating Optic Neuropathy / Multiple Sclerosis-related), not only at the GC level, but also at post- and even pre-GC levels, across distinct functional channels. In addition, we also aimed to probe retinal neuronal dysfunction independently of breakdown of the blood-retinal barrier and vasculopathy in type 1 diabetic patients, with minimal or no diabetic retinopathy, across parallel retinocortical pathways. Finally, the last goal of this work was to investigate the role of novel psychophysical and electrophysiological methods in the functional characterization of diseases affecting the inner retina. 28 Methods We used functional methods that assess parvo-, konio- and magnocellular pathways in order to compare pathophysiological mechanisms of damage in different populations, divided into four research lines, according to the global aims of the project: - Study 1: Sample of 44 subjects with Multiple Sclerosis (MS), with (n=14) and without (n=30) a previous episode of Optic Neuritis (ON) (acquired optic neuropathy model). - Study 2: Sample of 22 subjects from 13 families with Autosomal Dominant Optic Atrophy (ADOA); OPA1 mutation (inherited optic neuropathy model). - Study 3: Sample of 17 asymptomatic carriers of Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON) associated to mtDNA 11778G>A mutation, from the same pedigree (asymptomatic inherited optic neuropathy model). - Study 4: Sample of 42 type 1 diabetic patients with preserved visual acuity, with no diabetic retinopathy (DR) – n=26, and with mild nonproliferative DR (n=16) (a model for neural impairment including the inner retina). These data were compared with those obtained in different control groups adjusted (in number and age) to the characteristics of the patients’ sample of each study line. The psychophysical methods included chromatic contrast sensitivity across different chromatic axes (Cambridge Colour Test - parvo/konio pathways) and achromatic contrast sensitivity testing (across multiple spatial frequencies - Metropsis Contrast Sensitivity Function Test, or perimetric evaluation for the magnocellular pathway - Frequency Doubling Technology). Automated Static Perimetry was also used in some of these studies in order to provide a golden standard perimetric comparison. Different electrophysiological methods were used according to distinct neurophysiological purposes: preganglionic and GC measures were assessed with Multifocal Electroretinogram (mfERG) and Pattern Electroretinogram (PERG), respectively. Global Pattern and Multifocal VEP (visual evoked potentials) were used to assess retinocortical processing, in order to characterize impairment at the post-GC level. High density visual evoked potentials were also recorded in hereditary optic neuropathies, in order to investigate the differences between cortical responses induced by parvo- and magnocellular biased stimuli, to identify separate pathophysiological mechanisms of impaired central versus paracentral/peripheral vision, based on the hypothesis of different susceptibility to damage. 29 Besides the above mentioned functional tools, we also used imaging methods, for structural characterization and establishment of structure-function correlation. These included Fundus Fotography, Fluorescein Angiography, retinal nerve fibre layer / global retinal thickness evaluation (Optical Coherence Tomography or Retinal Thickness Analyzer) which were applied differently in each group, according to the specific goals of each study. For the study of Diabetes we also used Vitreous Fluorometry for quantifying the blood-retinal barrier permeability, which is critical to define prevascular changes. Results and Discussion In sum, in MS we found evidence for independent damage of all retinocortical pathways only in patients with MS without ON (pre-neuropathy group). Axonal damage found in this group (evidenced by VEP) supported the emerging notion of axonal damage even in preclinical stages of ON/MS physiopathology. Again, only in the same group, significant correlation of functional measures with disease stage was observed, suggesting that distinct pathophysiological milestones are present before and after ON has occurred. In both hereditary optic neuropathies, we verify that structural changes and physiological impairment also occur at a pre-ganglionic level. These changes in ADOA patients suggest a retrograde damage mechanism with significant clinical impact on visual function, mainly in parvocellular-related tasks. In LHON carriers, we cannot conclude about the referred retrograde mechanism, since GC function is preserved. This suggests that independent changes may occur at the retinal outer layers in the absence of overt ganglion cell damage. In type 1 diabetic patients, we found evidence for retinal neuronal changes, in magno-, konio- and parvocellular GC pathways even before breakdown of the bloodretinal barrier or onset of vasculopathy. Neurophysiological changes as shown by electrophysiological measures suggest that neuronal changes also occur at pre-GC level. Psychophysical and electrophysiological methods can thus play an important role in detecting sub and/or pre clinical changes in diseases affecting GC parallel retinocortical pathways, and in identifying distinct pathophysiological patterns according to the retinal or optic nerve disease mechanisms. 30 This work also suggests a path for biomarker research and development in the characterization of quantitatively early and retrograde/anterograde impairment in diseases directly or indirectly affecting the GC and the optic nerve.
URI: http://hdl.handle.net/10316/21667
Rights: openAccess
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