Un nuovo studio della Yale School of Medicine (YSM) ha portato alla luce sorprendenti dettagli su come i nostri occhi elaborano ciò che vediamo.
Quando guardiamo qualcosa, il nostro sistema visivo scompone i diversi aspetti della scena, come colore, contrasto e movimento, ed elabora questi componenti separatamente. Questo processo è chiamato elaborazione visiva parallela ed è ciò che permette al nostro cervello di comprendere così rapidamente ciò che vediamo.
Questa separazione delle informazioni inizia nella retina e gli scienziati hanno sempre pensato che tale separazione si mantenesse durante tutto il percorso attraverso il sistema visivo. Tuttavia, in uno studio pubblicato su Neuron, i ricercatori hanno scoperto che i canali di informazione sono più integrati di quanto si credesse in precedenza. Questo potrebbe aiutare le cellule a elaborare segnali visivi deboli, come quelli provenienti da condizioni di scarsa illuminazione, affermano i ricercatori.
“Abbiamo scoperto che, sebbene i diversi canali possano fornire le proprie caratteristiche, sono anche interconnessi da circuiti elettrici sottostanti”, afferma Yao Xue, PhD, ricercatore post-dottorato presso il dipartimento di oftalmologia e scienze della visione della YSM e primo autore dello studio.
I segnali delle cellule bipolari nella retina
La visione inizia con i bastoncelli e i coni presenti nella nostra retina. Queste cellule specializzate rilevano la luce e trasmettono segnali a un tipo di neurone chiamato cellula bipolare. In queste cellule, le componenti visive come la notte, il giorno, il colore, la forma e il contrasto iniziano a separarsi in oltre una dozzina di canali paralleli.
Quando però i ricercatori hanno analizzato da vicino le sinapsi delle cellule bipolari – gli spazi in cui le cellule si incontrano e attraverso i quali si trasmettono i segnali – hanno scoperto che questi canali di informazione si intrecciano.
I neuroni hanno due tipi di sinapsi: chimiche ed elettriche. Nelle sinapsi chimiche, i neuroni rilasciano messaggeri chimici noti come neurotrasmettitori che si legano alla cellula ricevente. Le sinapsi elettriche, note anche come giunzioni comunicanti, facilitano la comunicazione tramite correnti elettriche. Le cellule bipolari comunicano principalmente attraverso sinapsi chimiche.
Un rilascio localizzato di neurotrasmettitori
I ricercatori hanno scoperto, tuttavia, che nelle retine di topo e umane studiate, le sinapsi elettriche integravano la maggior parte di questi canali di informazione apparentemente separati delle cellule bipolari. Quando gli scienziati hanno stimolato elettricamente una cellula bipolare, invece di osservare un rilascio localizzato di neurotrasmettitori all’interno del canale di quella cellula, hanno notato schemi di segnalazione simili a nuvole, suggerendo un’interazione tra i diversi tipi di cellule.
“Quando abbiamo stimolato una cellula bipolare, molte cellule bipolari hanno rilasciato neurotrasmettitori”, afferma Z. Jimmy Zhou, professore di oftalmologia e scienze della visione titolare della cattedra Marvin L. Sears e ricercatore principale.
Con loro sorpresa, hanno anche identificato un tipo di cellula bipolare, chiamata BC6, che guidava questa segnalazione. Queste cellule generavano segnali forti che viaggiavano attraverso i canali paralleli in modo gerarchico. “Si presumeva che i diversi tipi di cellule bipolari fossero più o meno autonomi”, afferma Zhou. “Ma abbiamo trovato un elemento comune a tutti questi tipi di cellule che crea questa rete con una gerarchia”.
Elaborare segnali visivi deboli
La presenza di canali paralleli distinti può aiutare le cellule bipolari a dividersi e a “conquistare” mentre elaborano diverse parti di un segnale visivo. Il collegamento di questi canali attraverso le sinapsi elettriche, d’altra parte, potrebbe aiutare le cellule a elaborare segnali visivi deboli, affermano i ricercatori.
“Se il segnale è già molto debole e viene suddiviso in diversi canali, non rimane molto da elaborare per ciascun canale”, afferma Seunghoon Lee, PhD, ricercatore presso il dipartimento di oftalmologia e scienze della visione della Yale School of Medicine (YSM) e coautore corrispondente dello studio. “L’integrazione è particolarmente utile per rilevare segnali a basso contrasto o segnali provenienti da oggetti molto piccoli”.
“E le cellule non cooperano in modo casuale”, aggiunge Xue. “C’è un coordinatore al loro interno, BC6, che le guida nel trasmettere i segnali al bersaglio a valle”.
Registrazione da cellule difficili da raggiungere
Per lo studio, i ricercatori hanno utilizzato diversi metodi per studiare i circuiti sinaptici delle cellule bipolari, tra cui l’imaging per osservare l’attività delle cellule e il modo in cui rilasciano e rispondono ai neurotrasmettitori, nonché la stimolazione dell’attività nelle cellule bipolari e la registrazione delle risposte nelle cellule riceventi.
Una delle difficoltà nello studio della trasmissione del segnale nelle cellule bipolari risiede nella loro posizione centrale nella retina. Studi precedenti avevano sezionato la retina in fette per accedere alle cellule, ma questo poteva alterare i circuiti sinaptici. Nel nuovo studio, tuttavia, i ricercatori sono stati in grado di applicare la tecnica del doppio patch-clamp su retine di topo completamente intatte. Questo metodo utilizza elettrodi per stimolare l’attività di diversi tipi di cellule bipolari e registra le risposte delle cellule riceventi.
“Nessun altro laboratorio al mondo è stato in grado di realizzare sistematicamente questo tipo di registrazioni”, afferma Zhou. “È un vero capolavoro del lavoro di tesi di dottorato di Yao Xue, che unisce un approccio innovativo a un’eccezionale competenza elettrofisiologica”.
Il team ha poi ripetuto l’esperimento su retine umane, ottenute dal dipartimento di neurofisiologia. Il programma di donazione di tessuti Legacy dell’atelogy. Questi sono i primi esperimenti di questo tipo condotti su una retina umana intatta, affermano i ricercatori della YSM.
Il potere della scienza guidata dalla curiosità
La retina è una componente cruciale del nostro sistema nervoso centrale. Studiare come la retina elabora i segnali visivi può anche aiutare gli scienziati a comprendere meglio altri circuiti neuronali e funzioni cerebrali, affermano i ricercatori. Inoltre, scoprire i meccanismi alla base del funzionamento della retina può aiutare i medici a capire quando si verifica un malfunzionamento, come nella degenerazione maculare, nel glaucoma e nella cecità notturna congenita.
Lo studio è anche un esempio di come la ricerca guidata dalla curiosità possa rivelare importanti meccanismi alla base del funzionamento del corpo. “I nostri esperimenti non sono partiti da un’ipotesi specifica, ma hanno rivelato un meccanismo di elaborazione fondamentale nel sistema visivo”, afferma Lee. “È un importante promemoria di quanto sia essenziale la ricerca guidata dalla curiosità per la scoperta.”
