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Come le informazioni visive viaggiano dalla retina al mesencefalo

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Credito: CC0 Pubblico Dominio

I ricercatori dell’Universitätsmedizin di Berlino e del Max Planck Institute for Biological Intelligence (attualmente in fase di istituzione) hanno rivelato le precise connessioni tra i neuroni sensoriali all’interno della retina e il collicolo superiore, una struttura nel mesencefalo. Le sonde Neuropixels sono uno sviluppo relativamente recente e rappresentano la prossima generazione di elettrodi. Densamente piene di punti di registrazione, le sonde Neuropixels vengono utilizzate per registrare l’attività delle cellule nervose e hanno facilitato queste recenti intuizioni sui circuiti neuronali. Scrivendo Comunicazioni sulla naturai ricercatori descrivono un principio fondamentale comune ai sistemi visivi di mammiferi e uccelli.

Due strutture cerebrali sono cruciali per l’elaborazione degli stimoli visivi: la corteccia visiva nella corteccia cerebrale primaria e il collicolo superiore, una struttura nel mesencefalo. La visione e l’elaborazione delle informazioni visive implicano processi altamente complessi. In termini semplificati, la corteccia visiva è responsabile della percezione visiva generale, mentre le strutture del mesencefalo evolutivamente più vecchio sono responsabili dei comportamenti riflessivi visivamente guidati.

I meccanismi ei principi coinvolti nell’elaborazione visiva all’interno della corteccia visiva sono ben noti. Il lavoro condotto da un team di ricercatori guidato dal Dr. Jens Kremkow ha contribuito alle nostre conoscenze in questo campo e, nel 2017, è culminato nella creazione di un Emmy Noether Junior Research Group presso il Charité’s Neuroscience Research Center (NWFZ). L’obiettivo principale del gruppo di ricerca è migliorare ulteriormente la nostra comprensione delle cellule nervose coinvolte nel sistema visivo. Rimangono molte domande senza risposta, inclusi i dettagli sul modo in cui le informazioni visive vengono elaborate nei collicoli superiori del mesencefalo.

Le cellule gangliari della retina, cellule sensoriali che si trovano all’interno della retina dell’occhio, rispondono a stimoli visivi esterni e inviano le informazioni ricevute al cervello. Le vie di segnalazione dirette assicurano che le informazioni visive ricevute dalle cellule nervose retiniche raggiungano anche il mesencefalo. “Ciò che era rimasto in gran parte sconosciuto fino ad ora è il modo in cui le cellule nervose nella retina e le cellule nervose nel mesencefalo sono collegate a livello funzionale. La mancanza di conoscenza riguardo al modo in cui i neuroni nei collicoli superiori elaborano gli input sinaptici era simile pronunciato”, afferma il dottor Kremkow, capo dello studio. “Questa informazione è fondamentale per comprendere i meccanismi coinvolti nell’elaborazione del mesencefalo”.

Finora, era impossibile misurare l’attività dei neuroni della retina e del mesencefalo collegati sinapticamente negli organismi viventi. Per la loro ricerca più recente, il team di ricerca ha sviluppato un metodo basato su misurazioni ottenute con elettrodi innovativi ad alta densità noti come sonde Neuropixels. Precisamente, le sonde Neuropixels sono minuscoli array di elettrodi lineari con circa un migliaio di siti di registrazione lungo un gambo stretto. Composti da 384 elettrodi per la registrazione simultanea dell’attività elettrica dei neuroni nel cervello, questi dispositivi sono diventati dei punti di svolta nel campo delle neuroscienze.

I ricercatori che lavorano alla Charité e al Max Planck Institute for Biological Intelligence hanno ora utilizzato questa nuova tecnologia per determinare le strutture del mesencefalo rilevanti nei topi (superior colliculi) e negli uccelli (optic tectum). Entrambe le strutture cerebrali hanno un’origine evolutiva comune e svolgono un ruolo importante nell’elaborazione visiva dei segnali di input retinici in entrambi i gruppi di animali. Il loro lavoro ha portato i ricercatori a una scoperta sorprendente.

“Di solito, questo tipo di registrazione elettrofisiologica misura i segnali elettrici dai potenziali d’azione che hanno origine nel soma, il corpo cellulare del neurone”, spiega il dottor Kremkow. “Nelle nostre registrazioni, tuttavia, abbiamo notato segnali il cui aspetto differiva da quello dei normali potenziali d’azione. Abbiamo continuato a indagare sulla causa di questo fenomeno e abbiamo scoperto che i segnali di ingresso nel mesencefalo erano causati da potenziali d’azione propagati all’interno degli alberi assonali ” (rami) delle cellule gangliari retiniche. I nostri risultati suggeriscono che la nuova tecnologia di array di elettroni può essere utilizzata per registrare i segnali elettrici provenienti dagli assoni, le proiezioni delle cellule nervose che trasmettono segnali neuronali. Questa è una scoperta completamente nuova”. In una prima mondiale, il team del dottor Kremkow è stato in grado di catturare simultaneamente l’attività delle cellule nervose nella retina e dei loro neuroni bersaglio sinapticamente collegati nel mesencefalo.

Finora, il cablaggio funzionale tra l’occhio e il mesencefalo era rimasto un’incognita. I ricercatori sono stati in grado di mostrare a livello unicellulare che l’organizzazione spaziale degli input delle cellule gangliari retiniche nel mesencefalo costituisce una rappresentazione molto precisa dell’input retinico originale.

“Le strutture del mesencefalo forniscono efficacemente una copia quasi uno a uno della struttura retinica”, afferma il dott. Kremkow. “Un’altra nuova scoperta per noi è stata che i neuroni nel mesencefalo ricevono un input sinaptico molto forte e specifico dalle cellule gangliari della retina, ma solo da un piccolo numero di questi neuroni sensoriali. Questi percorsi neurali consentono una connessione molto strutturata e funzionale tra i neuroni dell’occhio retina e le corrispondenti regioni del mesencefalo”.

Tra le altre cose, questa nuova intuizione migliorerà la nostra comprensione del fenomeno noto come vista cieca, che può essere osservato in individui che hanno subito danni alla corteccia visiva a causa di traumi o tumori. Incapaci di percezione cosciente, questi individui conservano una capacità residua di elaborare le informazioni visive, che si traduce in una percezione intuitiva di stimoli, contorni, movimenti e persino colori che sembra essere collegata al mesencefalo.

Per verificare se i principi inizialmente osservati nel modello murino potessero applicarsi anche ad altri vertebrati, e quindi se potessero essere di natura più generale, il dott. Kremkow e il suo team hanno lavorato a fianco di un team del Max Planck Institute for Biological Intelligence, dove un gruppo di ricerca Lise Meitner guidato dal Dr. Daniele Vallentin si concentra sui circuiti neuronali responsabili del coordinamento di movimenti precisi negli uccelli.

“Utilizzando gli stessi tipi di misurazioni, siamo stati in grado di dimostrare che nei fringuelli zebra, l’organizzazione spaziale dei tratti nervosi che collegano la retina e il mesencefalo segue un principio simile”, afferma il dott. Vallentin. “Questa scoperta è stata sorprendente, dato che gli uccelli hanno un’acuità visiva significativamente più alta e la distanza evolutiva tra uccelli e mammiferi è considerevole”.

Le osservazioni dei ricercatori suggeriscono che le cellule gangliari della retina sia nel tetto ottico che nei collicoli superiori mostrano un’organizzazione spaziale e un cablaggio funzionale simili. Le loro scoperte hanno portato i ricercatori a concludere che i principi scoperti devono essere cruciali per l’elaborazione visiva nel mesencefalo dei mammiferi. Questi principi possono anche essere di natura generale, applicandosi a tutti i cervelli dei vertebrati, compresi quelli degli umani.

Per quanto riguarda i piani futuri dei ricercatori, il dottor Kremkow afferma: “Ora che comprendiamo le connessioni funzionali, simili a mosaico tra le cellule gangliari della retina e i neuroni all’interno dei collicoli superiori, esploreremo ulteriormente il modo in cui i segnali sensoriali vengono elaborati nella visione sistema, in particolare nelle regioni del mesencefalo, e come contribuiscono al comportamento riflessivo visivamente guidato”. Il team vuole anche stabilire se il nuovo metodo potrebbe essere utilizzato in altre strutture e se potrebbe essere utilizzato per misurare l’attività assonale in altre parti del cervello. Se ciò dovesse rivelarsi possibile, si aprirebbe una vasta gamma di nuove opportunità per esplorare i meccanismi alla base del cervello.


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