etina: unin miniatura

La rcervello

na quantità di informazioni molto piùia mai immaginato, inviando al cervellopresentazioni diverse di ogni scena

La retina elabora u

elevata di quanto si s

una decina di rap•

di FrankWerblin e Botond Roska

Diamo così per scontate le nostre i

re su come vediamo. Gli scienziati

ne visiva a una telecamera, in cui

di fotorecettori nella retina. Questi

ni in segnali elettrici per inviarli inf

ti. Ma gli esperimenti condotti di rei

inadeguata: in realtà la retina eseg

dell'occhio, per poi inviare una seri

Siamo giunti a questa sorprendent

dopo avere studiato la ret

che è molto simile a i

ma anche i nostri si

nnandre avevano F

tati simili. A quanto

funziona come ur

mezzaluna di nnatc

migrata verso la periferii

re un accesso più diretto al mondo. Co

a costruire le rappresentazioni che ir

lo? Che «aspetto» hanno queste rap

quando raggiungono i centri visivi del c

trasportano l'enorme ricchezza di dett

reale? Hanno già un significato genere

cervello ad analizzare una scena? Qu(

alcune delle domande a cui le nostre ri

dando una prima risposta.

Nel complesso abbiamo scoperto

nervose specializzate, o neuroni, degli

e conclusione

ma dei conigli,

quella umana,

:udi sulle sala-

godotto risul-

pare, la retina

la minuscola

.ria cerebrale

per consenti-

me fa la retina

wia al cervel-

presentazioni

ervello? Come

agli del mondo

ile, che aiuta il

aste sono solo

cerche stanno

che le cellule

strati profondi

incredibili capacità visive che raramente ci fermiamo a riflette-

hanno a lungo paragonato il nostro macchinario di elaborazio-

la lente dell'occhio focalizza la luce in ingresso su una schiera

rivelatori luminosi convertirebbero poi magicamente quei foto-

me — attraverso il nervo ottico — al cervello, dove sono elabora-

cente da noi e da altri ricercatori indicano che questa analogia è

;ue una quantità rilevante di pre-elaborazioni ancora all'interno

e di rappresentazioni parziali al cervello, che le interpreterà.

della retina proiettano ciò che potremmo immaginare

come una dozzina di «tracce» di una pellicola, ognu-

na delle quali è un'astrazione separata del mondo

visivo. Ogni traccia comprende una rappresentazione

primitiva di un solo aspetto della scena, che la retina

aggiorna di continuo e invia al cervello. Una traccia,

per esempio, contiene una specie di disegno, che evi-

denzia solo i margini degli oggetti; un'altra corrispon-

de al movimento, spesso in una direzione specifica;

alcune ancora trasmettono informazioni sulle ombre

o sulle aree più luminose. Le rappresentazioni con-

tenute in altre tracce ancora sono invece difficili da

inquadrare in una categoria precisa.

Ciascuna traccia è trasmessa dalla sua specifica

popolazione di fibre all'interno del nervo ottico verso

centri visivi superiori del cervello, dove si verificherà

un'elaborazione ancora più complessa. Per inciso,

l'architettura del sistema uditivo umano è simile:

ciascun nervo acustico trasporta informazioni su una

gamma molto limitata di tonalità, che poi sono com-

www.lescienze.it LE SCIENZE 73

STRATI DELLA RETINA

Corpo della cellulabipolare

Assone

Corpo della cellulaamacrina

Stratoplessiformeinterno

Giunzione

Dendrite

Corpo dellacellulagangliare

O CONNESSIONIINTERNE ALLO STRATO PLESSIFORME

Verso il nervo ottico

Apice del cono odel bastoncello

74 LE SCIENZE 46? /luglio 200? www.lescienze.it LE SCIENZE 75

2

5

binate dal cervello. Gli scienziati che studia-

no la corteccia visiva hanno dimostrato che

alcune caratteristiche — come il movimento,

il colore, la profondità e la forma — sono ela-

borate in regioni diverse, e che una lesione

in una determinata regione causa un deficit

nella percezione di una specifica caratteri-

stica. Ma la capacità del cervello di percepire

queste caratteristiche ha origine anzitutto

nei «filmati» inviati dalla retina.

Le illustrazioni delle pagine che seguono

descrivono le migliori spiegazioni che abbia-

mo individuato del modo in cui la retina crea

le surreali immagini elettriche che infor-

mano il cervello. Le nostre ricerche stanno

cominciando a fare un po' di chiarezza su

come viene costruito ciascun filmato, ma

non siamo ancora in grado di elaborare un

modello completo. I 12 filmati trasportano

tutta l'informazione che il cervello riceve-

rà per interpretare il mondo visivo, ma non

possiamo ancora dire nulla su come ven-

gono integrati. Forse i film sono solo indizi

elementari, una sorta di impalcatura su cui

poi il cervello costruisce il tutto. Questa ipo-

tesi non si discosta poi molto dal cosiddetto

«occhio della mente», che salda le parole di

un romanzo in un racconto dotato di senso.

Anche se le rappresentazioni della reti-

na catturano in modo completo gli elementi

visivi delle scene — come un tavolo da pran-

zo, una cascata o il volto di una persona che

parla — da esse sembrano mancare molti

elementi essenziali: non c'è nulla di ciò che

riguarda la sensazione, l'atteggiamento, la

trama superficiale o l'elemento centrale delle

scene. Forse questi tratti sono in qualche

modo intrinseci alle tracce dei filmati inter-

pretati dal cervello. O forse, avendo usato

la retina di coniglio, non abbiamo potuto

scoprire tutte le rappresentazioni che sareb-

bero catturate da una retina umana: imma-

gini, per così dire, «ad alta risoluzione», che

potrebbero riuscire a estrarre da una scena

proprietà come i sentimenti, attraverso

modalità ancora da scoprire.

È comunque chiaro che le rappresenta-

zioni della retina formano un linguaggio

visivo naturale. Comprendere quel linguag-

gio acquista oggi un significato speciale, se

pensiamo che scienziati di ogni angolo del

mondo stanno cercando di restituire la vista

alle persone non vedenti introducendo un

sensore artificiale, capace di rimpiazzare la

retina, proprio davanti al nervo ottico.

Le ricerche in questo campo hanno fatto

progressi, ma i risultati sono ancora prelimi-

nari, e la trasmissione è limitata a versioni

vaghe di configurazioni elementari o di colo-

ri. I trial clinici sull'uomo sono cominciati

al Doheny Eye Institute, della University of

Southern California, e altrettanto faranno fra

breve alla Wayne State University Medical

School. Il traguardo finale è probabilmente

lontano, ma il successo di questi esperi-

menti dipenderà in definitiva dalla capacità

di dare al cervello schemi di attività simili a

quelli normalmente generati dalla retina, che

incorporino il linguaggio naturale della visio-

ne. La sfida successiva sarà scoprire come

«connettere» ciascuna astrazione alle cor-

rispondenti fibre del nervo ottico.

Per realizzare protesi sensoriali efficaci

è necessaria una conoscenza dettagliata

del linguaggio naturale della visione che si

forma nella retina. Che al tempo stesso ci

consentirà di imparare molto di più sul modo

in cui l'occhio e il cervello agiscono di concer-

to, vedendo in modo più chiaro, sono ingan-

nati dalle illusioni ottiche, inseguono oggetti

in rapido movimento e completano i pezzi

mancanti di un'animazione sullo schermo di

un televisore, di un computer o di un cinema.

Ci auguriamo che la nostra descrizione del

potere di pre-elaborazione della retina sia un

passo in avanti in questa direzione. •

L'alfabeto della visione

I

I sorprendente comportamento dellaretina ha origine dalla sua complessaarchitettura. Una lunga storia di espe-

rimenti ha arricchito di dettagli fisiologi-ci il modello classico dei circuiti della re-tina, delineati la prima volta un secolo fadal grande anatomista spagnolo SantiagoRamon y Cajal, e da allora riproposto intutti i libri di testo.

La retina O consiste in una stratifica-zione di neuroni perfettamente organizza-ta O. Lo strato esterno, il più lontano dal-la lente, contiene i coni e i bastoncelli, cheassorbono la luce entrante trasformando-la in attività neuronale. Questi fotorecet-tori si connettono a dieci tipi diversi dineuroni, le cosiddette cellule bipolari, cheinviano lunghi prolungamenti - gli asso-ni - attraverso i quali i segnali sono tra-smessi allo strato «plessiforme interno»centrale. Questa striscia appare sotto for-ma di dieci distinti strati paralleli. L'asso-ne di ciascuna cellula bipolare invia i se-gnali solo ad alcuni strati.

Nella parte più interna dello strato ples-siforme O ci sono 12 tipi diversi di cellu-le gangliari (in viola). La maggior parte diessi invia delle ramificazioni, i dendriti, inuno strato distinto, dove questi ricevonoun segnale eccitatorio da un numero limi-tato di cellule bipolari (in verde). Le cellu-le gangliari inviano i flussi di filmati, cheil nervo ottico trasporterà verso regionidifferenti del cervello perché siano inter-pretati. Alcuni dendriti delle cellule gan-gliari si ramificano, coprendo un territo-rio esteso e ricevendo così un'informazio-ne diffusa; altri dendriti, invece, si ramifi-cano in territori più ristretti, concentran-dosi su un'informazione ad alta risoluzio-ne. Alcuni dendriti rispondono a un au-mento della frequenza di rilascio dei neu-rotrasmettitori (i messaggeri molecolari)da parte delle cellule bipolari, e altri a unariduzione della frequenza.

I segnali inviati dalle cellule bipola-ri a quelle gangliari all'interno di ciascu-no strato non bastano però a creare doz-zine di rappresentazioni filmate. I segnaliemessi dalle cellule bipolari sono modu-lati da una serie di piccoli neuroni, le co-siddette cellule amacrine (in grigio). Al-cune di queste cellule operano lateral-mente entro uno stesso strato, inibendola comunicazione tra cellule gangliari di-

stanti in quello stesso strato. Altre cellu-le amacrine inibiscono i segnali vertical-mente tra gli strati - e perciò tra differen-ti filmati - come se volessero istruire unostrato a non registrare ciò che sta già re-gistrando un altro. Così facendo, le cel-lule amacrine raccolgono ed emettonosegnali che coordinano le tracce dei fil-mati. Ricercatori come Heinz Wàssle, delMax-Planck-Institut fiir Hirnforschungdi Francoforte, Thomas Euler, del Max-Planck-Institut fiir medizinische F or-schung di Heidelberg, e Richard Mash-land, del Massachusetts General Hospital,hanno identificato almeno 27 diversi ti-pi di cellule amacrine.

Tutto ciò che vediamo nello spa-zio lo osserviamo nel tempo. An-che la registrazione di un pun-to nero immobile in uno spaziotridimensionale privo di colo-ri è un filmato: la retina infattilo vede in continuazione men-tre il tempo scorre. Molte celluledi ciascun tipo di cellula gangliarepopolano la retina, e l'insieme di cia-scun tipo trasmette un filmato distinto.Ma, a differenza di quelli proiettati nel-le sale cinematografiche, che sono gene-rati un fotogramma dopo l'altro, i filma-ti delle cellule gangliari sono flussi conti-nui di segnali.

Le interazioni tra cellule bipolari e cel-lule amacrine, che sono interpretate si-multaneamente da ciascun insieme dicellule gangliari, costituiscono i dati dicui disponiamo per interpretare il mon-do visivo. Mentre leggiamo, afferriamooggetti, riconosciamo volti e camminia-mo, le molteplici combinazioni di que-sti filmati sono gli unici indizi visivi ri-cevuti dal nostro cervello. Nel comples-so, essi formano un «linguaggio visivo»fondamentale, con le sue espressioni e lasua grammatica, che incorpora il lessiconeurale della visione. •

GLI AUTORI

FRANKWERBLIN e BOTOND ROSKA hanno sco-

perto gran parte dei circuiti funzionali della re-

tina nei primi anni novanta, lavorando all'Uni-

versità della California a Berkeley, dove Werblin

è tuttora professore di neuroscienze. Roska di-

rige invece un gruppo di ricerca al Friedrich Mie-

scher Institute di Basilea, in Svizzera, dove sta

sviluppando tecniche genetiche per l'identifica-

zione delle vie visive.

• La retina non si limita a trasmettere semplici segnali al cervello. Sorprendentemente,

essa estrae una dozzina di rappresentazioni distinte di una scena visiva, filmati

raffinati e fantasmatici realizzati da un numero relativamente esiguo di tipi diversi

di neuroni.

• II cervello si serve di queste astrazioni per costruire un mondo visivo molto

dettagliato e ricco di significati.

• Capire il «linguaggio visivo» trasportato da questi filmati consentirà di costruire

sensori artificiali che potrebbero restituire la vista ai non vedenti. Inoltre queste

conoscenze dovrebbero stimolare le ricerche su come l'occhio e il cervello vedono

chiaramente, ma possono anche essere ingannati.

Nervo ottico

Strato plessiforme r[interno

LCellule gangliari —E

‘41114111‘. Verso la lente

Coni e bastoncellinella parteposteriore della retina

Cellule bipolarie amacrine

Film lunghi un attimo

L

e nostre descrizioni della comples-sa attività della retina sono basatesugli esperimenti che abbiamo con-

dotto. Con una sottilissima pipetta di ve-tro registriamo che cosa succede nellesingole cellule gangliari. La micropipettainietta un colorante giallo che si diffon-de rapidamente in tutti i dendriti di unacellula gangliare, mostrandoci gli strati incui si inoltrano. La pipetta funziona an-che da elettrodo, misurando l'attività elet-trica della cellula e riflettendo la combi-nazione di segnali eccitatori prodotti dallecellule bipolari e di segnali inibitori gene-rati dalle cellule amacrine.

Per riuscire a farci un'idea dei filma-ti che le cellule gangliari inviano lungo ilnervo ottico abbiamo iniziato in manierapiuttosto semplice: registrando per primacosa il modo in cui una schiera lineare dicellule gangliari rappresentava un lampoquadrato di luce inviato direttamente su

RETINA (trasparente

Bastoncellie coni

Cellule bipolarie amacrine

una retina di coniglio O. Il lampo duravaun secondo ed era confinato a un quadra-to largo 600 micrometri. Di conseguen-za, il lampo colpiva una regione piccola eben definita della retina per una specificadurata di tempo.

Abbiamo registrato i segnali eccitatorie inibitori ricevuti da un particolare tipodi cellula gangliare nell'arco di questo pe-riodo, ripetendo la procedura per ognunodei 12 tipi di cellule. Ciascuno di essi ave-va una risposta esclusiva, e la gamma dirisposte era notevolmente varia. Nel dise-gno in basso (1), un quadrato rappresentaun secondo, e il colore indica l'ampiezzadella corrente in un tipo cellulare, correnteche fa da segnale.

L'aspetto interessante è che, nel casodel tipo di cellula qui illustrato, le cellu-le colpite dal lampo hanno risposto, masenza rimanere attive per tutto il tempo incui la luce brillava. Anzi, stranamente, al-cune delle cellule che si trovavano a unadistanza superiore a 600 micrometri si at-tivavano dopo la scomparsa del lampo,un comportamento che appare nel grafico

sotto forma di due macchie (in blu)

formatesi dopo un inter-vallo di un secon-

do. Sia purek4k,

(1‘Zi,

debolmente, si attivava anche una terzaarea, interna alla regione illuminata dallampo e vicina al segno dei due secondi.

Come dobbiamo interpretare questoschema? Se tutte le cellule stessero in-viando segnali per la durata dell'intero se-condo, la configurazione sarebbe «illumi-nata» per tutto il secondo, riempiendo ilquadrato corrispondente della nostra gri-glia O. In realtà il segnale in uscita è fil-trato. t ampio come il lampo, ma è tron-cato nel tempo, poiché dura un decimo disecondo e comincia circa un decimo disecondo dopo l'inizio del lampo.

Non solo c'era un leggero ritardo primadella risposta delle cellule gangliari, maevidentemente esse rispondevano solo peril tempo sufficiente a rilevare in che mo-do era cambiata la luce entrante: da scuraa chiara. Forse questo tipo di cellula gan-gliare rappresenta l'inizio dell'illumina-zione, ma non la sua presenza prolungata.La debole attivazione delle cellule rappre-sentata nelle due macchie isolate potrebbetrasmettere un tipo di segnale «off». La ter-za macchia blu, coincidente con i due se-condi, è una componente del segnale chenon sappiamo ancora interpretare.

Ciascuno di questi 12 insiemi diversi dicellule gangliari crea una lettura esclusi-

va, che accentua alcuni aspetti del mon-do visivo. Ma è bene ricordare che que-sto risultato deriva dall'eccitazione gene-rata dai neuroni bipolari e dall'inibizioneprodotta dalle cellule amacrine. Il risulta-to netto è una configurazione ridotta gra-dualmente del segnale finale in uscita. Idiagrammi in basso, 13, O e o mostranoi due segnali entranti e quello finale peruna cellula gangliare di tipo diversoda quella descritta in precedenza.

In questo modo, ciascun tipodi cellula gangliare invia al cer-vello, attraverso il nervo ottico,una rappresentazione spazio-temporale finale. Ogni rap-presentazione è un prodottounico, che nasce da una cop-pia di configurazioni: di ec-citazione la prima, di inibi-zione la seconda 0. Via viache scorre il tempo, i 12 tipidi cellule gangliari invianodi continuo 12 filmati al cer-vello (Per semplificare l'espe-rimento, ne abbiamo registra-ti solo sette). In risposta a unsemplice quadrato illuminato siverifica un'attività straordinaria-mente variabile. •

oc

Inibizione

ATTIVITÀ DI UN SECONDO TIPO DI CELLULA GANGLIARE

O Eccitazione operata O Inibizione operata

dalla cellula bipolare dalla cellula amacrina

Inizio

DICE- LULA tj TIPO

111111'--

ATTIVITÀ 04ANNGLIARE _, ATTESApOS IR '4

Adi•e sEGNALE i-

USCITA.'1~

9.11-~1

oc,o ^›

\ N

del lampo 1)11*11"

9 t

Finedel lampo

2Area dello stimolo

Segnale in uscita verso il cervello

Tempo (secondi)

Cellule gangliari

Verso il nervo ottico

(ampia 600 micrometri)

46? /luglio 200? www.lescienze.it LE SCIENZE 77

Lampo di luce

Intensità del segnale

Debole Forte

Elettrodo

PER APPROFONDIRE

FRIE D S.I., M NC H T.A. e WERBLIN F.S. Directional Selectivity is Formed at Multiple Levels by Lat-erally Offset Inhibition in the Rabbit Retina, in «Neuron», Vol. 46, n.1, pp. 117-127, 2005.

ROSKA B., MOLNAR A. e WERBLIN F.S., Parallel Processing in Retina! Ganglion Cells: How Inte-gration of Space-Time Pattems of Excitation and Inhibition Form the Spiking Output, in «Jour-nal of Neurophysiology»,Vol. 95, pp. 3810-3822, 2006.

I filmati creati dalla retina, compresi quelli del volto che parla, sono visibili sul sito

www.sciam.com/ontheweb.

1 secondo 4 secondi2 secondi

46? /luglio 200? www.lescienzeit

03'1

oo-

ci.w. PARLA OPERATE

DALLA CE(zuz

"6:44t,

Filtrare i volti

N

aturalmente il nostro obiettivo èimparare come ciascun insieme dicellule gangliari estrae il significato

dal mondo visivo. Poiché la retina è pro-gettata per gestire informazioni più inte-

ressanti di un flash di luce, ci siamochiesti che cosa accadrebbe quando

la retina assiste a una scena na-turale, per esempio una persona

che parla. Che cosa mostrereb-be ciascuna delle 12 rappre-sentazioni? Alcuni tratti sa-rebbero estratti da un filmma ignorati dagli altri?

A dispetto della spie-gazione apparentemen-te semplice di come abbia-mo catturato l'elaborazio-ne di un quadrato di luce, èincredibilmente complica-to connettere gli elettrodi a

una retina di coniglio in vivodurante un semplice lampo di

un secondo, e ancora peggionel corso di una scena naturale

della durata di un minuto.In quest'ultimo test abbiamo

programmato i dati dell'esperimen-to con il lampo di luce in un compu-

ter che simula il chip di una celebre reti-na artificiale, la Cellular Neural Network,sviluppata da Leon Chua, dell'Universi-tà della California a Berkeley, e da Tamas

Roska, dell'Accademia ungherese dellescienze a Budapest. Il sistema ha trasfor-mato il quadrato illuminato in una dozzi-na di configurazioni spazio-temporali dieccitazione e inibizione molto somiglian-ti alle configurazioni generate dalla reti-na biologica.

Abbiamo quindi presentato al chip del-la retina una scena naturale, in cui uno dinoi (Werblin) parlava per un minuto da-vanti a una videocamera. Il simulato-re, programmato per questo compito daDavid Balya, del Politecnico di Budapest,ha generato dati di filmati per sette del-le differenti rappresentazioni delle cellu-le gangliari O.

Per verificare che la simulazione delchip fosse accurata, abbiamo misurato lereazioni di diversi neuroni nella retina diconiglio in vivo al volto che parlava. È ri-sultato subito evidente che ciascuna popo-lazione di cellule gangliari si comportavacome un filtro, estraendo una rappresen-tazione spazio-temporale unica del mon-do, che inviava poi in un unico filmato.

Abbiamo colorato diversamente ciascunarappresentazione generata dal computerper distinguerle una dall'altra.

Un primo filtro (in arancione), peresempio, sembrava estrarre solo i margi-ni dei tratti del volto in movimento, mo-strandolo come uno schizzo disegnato;un altro filtro (in viola) accentuava le om-bre sotto gli occhi e il naso; un terzo filtro(in beige) generava zone luminose in luo-go di ombre o di contorni.

Ovviamente le nostre conclusioni sul-l'informazione che ciascuno dei 12 filtriaveva estrapolato potrebbero non esserecorrette. E purtroppo è impossibile rap-presentare accuratamente su una pagi-na stampata le configurazioni che abbia-mo registrato, perché scorrono in conti-nuazione come filmati, ma bisogna sot-tolineare che contengono molti intervallivuoti. Ciascun filmato entra in attività perpochi millisecondi ogni volta, altrimenti èscuro. In ogni caso, il nostro metodo di-mostra che ciascun filtro è sensibile a unaparticolare qualità dell'aspetto fisico e de

movimento del volto: ciascun tipo di cel-lula gangliare ha il suo modo esclusivo diraffigurare il mondo.

Colorare le rappresentazioni ci permet-te anche di seguire i contributi di ciascu-na popolazione di cellule gangliari finoalla rappresentazione finale, combinata,prodotta dalla sovrapposizione dei filma-ti. Abbiamo combinato i sette flussi in unfilmato campione. Quattro fotogrammi disituazioni differenti durante il discorso diun minuto di Werblin O danno l'idea dicome il suo volto si avvicini e si allonta-ni mentre le labbra si aprono e si chiudo-no, con alcune rappresentazioni che com-paiono e scompaiono, facendolo apparirecome una sorta di apparizione spettrale.Questo è ciò che la retina produce. Questoè ciò che il cervello riceve.

I nostri filmati - è bene ricordarlo -sono soltanto approssimazioni. Eppure cifanno chiaramente capire che quel tessu-to neurale spesso come un foglio di cartae collocato nella parte posteriore del no-stro occhio sta già analizzando il mon-do visivo in una dozzina di componen-ti discrete.

Queste componenti viaggiano, intatte eseparatamente, verso regioni cerebrali vi-sive distinte, alcune coscienti e altre no.La sfida per le neuroscienze sarà perciòquella di capire come il cervello interpre-ta questi pacchetti di informazioni in mo-do da generare una magnifica e continuavisione della realtà.

IRAPPRESENIZAZION I COMBINATE INVIATE AL CERVELLO

LE SCIENZE 7978 LE SCIENZE