Dall'occhio al cervello: i ricercatori del Salk mappano le connessioni funzionali tra i neuroni della retina con risoluzione a livello di singola cellula

Ottobre 6, 2010

Dall'occhio al cervello: i ricercatori del Salk mappano le connessioni funzionali tra i neuroni della retina con risoluzione a livello di singola cellula

Ottobre 6, 2010

LA JOLLA, CA—Confrontando un input visivo chiaramente definito con l'output elettrico della retina, i ricercatori del Salk Institute for Biological Studies sono riusciti a tracciare per la prima volta il circuito neuronale che collega i singoli fotorecettori alle cellule gangliari della retina, i neuroni che trasportano i segnali visivi dall'occhio al cervello.

Le loro misurazioni, pubblicate nel numero del 7 ottobre 2010 della rivista Nature, non solo rivelano calcoli in un circuito neurale alla risoluzione elementare dei singoli neuroni, ma fanno anche luce sul codice neurale utilizzato dalla retina per trasmettere le informazioni sul colore al cervello.

"Nessuno ha mai visto l'intera trasformazione input-output eseguita da circuiti completi nella retina con una risoluzione a livello di singola cellula", afferma l'autore senior EJ Chichilnisky, Ph.D., professore associato presso i Laboratori di Neurobiologia dei Sistemi. "Riteniamo che questi dati ci consentiranno di comprendere più a fondo i calcoli neuronali nel sistema visivo e, in ultima analisi, potrebbero aiutarci a costruire impianti retinici migliori".

Uno degli elementi essenziali che ha reso possibili gli esperimenti è stato l'esclusivo sistema di registrazione neurale sviluppato da un team internazionale di fisici delle alte energie dell'Università della California, Santa Cruz; dell'AGH University of Science and Technology, Cracovia, Polonia; e dell'Università di Glasgow, Regno Unito. Questo sistema è in grado di registrare simultaneamente i minuscoli segnali elettrici generati da centinaia di neuroni retinici di uscita che trasmettono al cervello informazioni sul mondo visivo esterno. Queste registrazioni vengono effettuate ad alta velocità (oltre dieci milioni di campioni al secondo) e con un dettaglio spaziale fine, sufficiente a rilevare anche una popolazione localmente completa delle minuscole e densamente distanziate cellule di uscita note come cellule gangliari retiniche "nane".

Le cellule gangliari della retina sono classificate in base alle loro dimensioni, alle connessioni che formano e alla loro risposta agli stimoli visivi, che possono variare notevolmente. Nonostante le loro differenze, hanno tutte una cosa in comune: un lungo assone che si estende nel cervello e forma parte del nervo ottico.

L'elaborazione visiva inizia quando i fotoni che entrano nell'occhio colpiscono una o più delle 125 milioni di cellule nervose fotosensibili presenti nella retina. Questo primo strato di cellule, note come coni e bastoncelli, converte le informazioni in segnali elettrici e li invia a uno strato intermedio, che a sua volta trasmette i segnali ai circa 20 diversi tipi di cellule gangliari della retina.

In uno studio precedente, Chichilnisky e il suo team hanno scoperto che ogni tipo di cellule gangliari retiniche forma un reticolo continuo che ricopre lo spazio visivo e trasmette un'immagine visiva completa al cervello. Nello studio attuale, il ricercatore post-dottorato e co-autore principale Greg D. Field, Ph.D., e i suoi collaboratori hanno focalizzato l'attenzione sullo schema di connettività tra questi strati di cellule gangliari retiniche e l'intero reticolo dei recettori conici.

I ricercatori del Salk hanno registrato simultaneamente centinaia di cellule gangliari della retina e, in base alla densità e alle proprietà di risposta alla luce, hanno identificato cinque tipi di cellule: cellule nane ON e OFF, cellule parasole ON e OFF e piccole cellule bistratificate, che insieme rappresentano circa il 75 percento di tutte le cellule gangliari della retina.

Per risolvere la struttura fine dei campi recettivi – le piccole finestre di forma irregolare attraverso cui i neuroni della retina vedono il mondo – gli autori hanno utilizzato stimoli con pixel dieci volte più piccoli. "Invece di una regione diffusa di sensibilità alla luce, abbiamo rilevato isole punteggiate di sensibilità alla luce separate da regioni di nessuna sensibilità alla luce", spiega.

Combinate con le informazioni sulla sensibilità spettrale dei singoli coni, le mappe di queste isole punteggiate hanno permesso ai ricercatori non solo di ricreare l'intero mosaico dei coni presente nella retina, ma anche di stabilire quale cono fornisse informazioni a quale cellula gangliare della retina.

"Semplicemente stimolando le cellule di input e registrando ad alta densità le cellule di output, possiamo identificare tutte le singole cellule di input e output e scoprire chi è connesso a chi", afferma Chichilnisky.

Chichilnisky e il suo team hanno scoperto che popolazioni di cellule nane e parasole ON e OFF campionavano ciascuna l'intera popolazione di coni sensibili alla luce rossa o verde, con le cellule nane che campionavano questi coni in modo sorprendentemente non casuale. Solo le cellule nane OFF ricevevano frequentemente un forte input dai coni sensibili alla luce blu.

La ricerca è stata finanziata in parte dalla Helen Hay Whitney Foundation, dalla German Research Foundation, dai National Institutes of Health, dalla Chapman Foundation, dal Miller Institute for Basic Research in Science, dal Ministero polacco della scienza e dell'istruzione superiore, dal Burroughs Wellcome Trust, dalla McKnight Foundation, dalla National Science Foundation, dalla Sloan Foundation, dall'Engineering and Physical Sciences Research Council e dalla Royal Society of Edinburgh.

Tra i ricercatori che hanno contribuito al lavoro figurano il co-primo autore Jeffrey L. Gauthier, Ph.D., Martin Greschner, Timothy A. Machado, Lauren H. Jepson e Jonathon Shlens del Systems Neurobiology Laboratory del Salk Institute, i co-primi autori Alexander Sher e Alan Litke del Santa Cruz Institute for Particle Physics dell'Università della California, Santa Cruz, Deborah E. Gunning e Keith Mathieson del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Glasgow, Wladyslaw Dabrowski della Facoltà di Fisica e Informatica Applicata dell'AGH University of Science and Technology di Cracovia e Liam Paninski del Dipartimento di Statistica e Centro per le Neuroscienze Teoriche della Columbia University, New York.

Informazioni sul Salk Institute for Biological Studies:
Il Salk Institute for Biological Studies è uno dei più importanti istituti di ricerca di base al mondo, dove docenti di fama internazionale affrontano questioni fondamentali delle scienze della vita in un ambiente unico, collaborativo e creativo. Concentrati sia sulla scoperta che sulla formazione delle future generazioni di ricercatori, gli scienziati del Salk forniscono contributi innovativi alla nostra comprensione di cancro, invecchiamento, Alzheimer, diabete e malattie infettive, studiando neuroscienze, genetica, biologia cellulare e vegetale e discipline correlate.

I risultati conseguiti dal corpo docente sono stati riconosciuti con numerosi riconoscimenti, tra cui premi Nobel e l'iscrizione alla National Academy of Sciences. Fondato nel 1960 dal pioniere del vaccino contro la poliomielite Jonas Salk, l'Istituto è un'organizzazione indipendente senza scopo di lucro e un punto di riferimento architettonico.

Il Salk Institute celebra con orgoglio cinque decenni di eccellenza scientifica nella ricerca di base.