La organizzazione funzionale delle cellule nella retina è plasmata dall'ambiente naturale panoramico.

7 aprile 2023   funzionalità

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di Ingrid Fadelli, Medical Xpress

I modelli neuroscientifici esistenti del sistema visivo suggeriscono che rappresenti il mondo visivo come farebbe una fotocamera, codificando le posizioni degli oggetti in modo simile. L'ambiente circostante di un animale, tuttavia, cambia costantemente, e questi cambiamenti potrebbero influire anche l'elaborazione delle informazioni visive.

Ricercatori dell'Istituto di Scienza e Tecnologia in Austria e del LMU in Germania hanno recentemente raccolto prove a supporto di questa ipotesi dimostrando che l'organizzazione dei neuroni nella retina del topo è influenzata dalle statistiche visive panoramiche (cioè a vista ampia), come le non uniformità nei livelli di luce. I loro risultati, pubblicati su Nature Neuroscience, potrebbero contribuire significativamente alla comprensione attuale del sistema visivo e della sua evoluzione.

'Una caratteristica chiave di ogni organismo vivente è adattarsi al suo ambiente per sopravvivere', ha detto Maximillian Jösch, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Medical Xpress. 'Tali adattamenti dovrebbero verificarsi anche nei calcoli effettuati dal cervello, ad esempio per estrarre informazioni rilevanti e ignorare quelle meno critiche. Ci siamo messi alla prova per testare questa idea sfruttando i cambiamenti visivi più evidenti osservati sistematicamente in natura: il gradiente di intensità luminosa e i livelli di contrasto dal suolo al cielo, per chiederci se il sistema visivo del mouse si è evoluto per considerare questi vincoli.'

Per esaminare l'organizzazione dello spazio sensoriale che attiva ogni neurone nella retina del topo (campi recettivi) in relazione alle scene che i topi stanno osservando, Jösch e i suoi colleghi hanno sviluppato una nuova tecnica di imaging ottico. Questa tecnica consente loro di misurare e monitorare contemporaneamente l'attività di migliaia di neuroni in una singola retina.

'Il nostro metodo ottico funziona nel seguente modo: quando un neurone della retina è attivo, inviando impulsi elettrici al cervello, gli ioni fluiscono all'interno della cellula, ad esempio il calcio', ha spiegato Jösch. 'Possiamo visualizzare quell'attività aggiungendo un indicatore fluorescente in ogni neurone. Quando il calcio entra, la fluorescenza cambia. Questi cambiamenti di fluorescenza possono essere registrati con una sensibile telecamera, e con questo, possiamo dedurre come il neurone risponde a diversi stimoli visivi in tutta la retina.'

I ricercatori hanno condotto i loro esperimenti su retina di topi estratti. Come quella della maggior parte dei mammiferi, la retina del topo non include la piccola area nota come fovea, una piccola depressione nella retina che consente a esseri umani e altri primati di vedere ad alta definizione. La fovea, che rappresenta meno dell'1% dell'intera retina umana, è nota per svolgere un ruolo chiave nelle percezioni visive di cui gli esseri umani sono più consapevoli. La restante quota dell'99% della retina umana contribuisce anche alle percezioni visive, molte delle quali sembrano essere processi inconsci. Pertanto, da una prospettiva antropocentrica, questo studio si concentra sulle elaborazioni che avvengono in quest'ultima quota dell'99%.

Jösch e i suoi colleghi hanno scoperto che i calcoli effettuati dai neuroni nella retina dei topi cambiavano a seconda delle statistiche visive panoramiche di quella parte della retina che normalmente vedeva durante il giorno. Ciò supporta la loro ipotesi iniziale secondo cui il sistema visivo non è intrinsecamente omogeneo, ma è adattato all'ambiente esterno.

'Per nostra sorpresa, abbiamo scoperto che i neuroni retinici sono più inclini a informare il resto del cervello quando un cambiamento di stimolo è imprevisto', ha detto Jösch. 'E, soprattutto, l'imprevisto dipende dal punto in cui il neurone guarda, se il cielo o il terreno. Così, i circuiti della retina hanno adattato sistematicamente le loro proprietà dal campo visivo inferiore a quello superiore per rappresentare il mondo in modo più efficiente.'

In generale, i risultati ottenuti da questo team di ricercatori suggeriscono che la struttura panoramica delle scene naturali influenza l'organizzazione di diverse strategie di elaborazione in diverse regioni della retina. Ciò amplia i modelli precedenti del sistema visivo, evidenziandone la natura adattiva e dinamica.

'We usually assume that the visual system is homogenous, or in other words, that the visual world is represented like a camera, measuring each position similarly,' Jösch added. 'However, our natural surroundings are not similar; they systematically change from ground to sky. Thus, a system that evolved to live in nature should consider this. Our results indicate that living organisms' visual system has adapted to cope with natural constraints to improve the efficiency of their neuronal code.'

In the future, the recent work by Jösch and his colleagues could inspire other teams to further examine how panoramic statistics or other visual elements shape cell organization in the retina to refine our understanding of vision in general.

'We are now exploring how similar adaptations change when changing the context, for example, when adapting to different light levels occurring during the day or at night,' Jösch added.

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