La retina, un potente computer biologico

Capire come la retina trasforma le immagini in segnali potrebbe essere fondamentale per la medicina

Con lo sviluppo dell’apprendimento automatico e dell’intelligenza artificiale, le malattie degli occhi saranno presto descritte come un errore dei calcoli eseguiti dalla retina. Un team internazionale di scienziati ha affrontato questo aspetto attraverso una serie esperimenti che combinano genetica, strumenti virali e molecolari, circuiti di microelettrodi ad alta densità e modelli computazionali.

Il loro nuovo modello di retina può prevedere con alta precisione l’esito di un’alterazione, un passo importante verso un modello informatico della retina in grado di prevedere l’esito di qualsiasi malattia retinica, prima di essere costretti a subire un intervento o sperare siano presto pronti ausili altamente tecnologici.

La vista inizia nella retina, dove le cellule dei fotorecettori catturano la luce che cade sull’occhio e la trasducono in attività neuronale. Le cellule gangliari, i neuroni di uscita della retina, inviano i segnali visivi al cervello. Tuttavia, la retina è molto più di una semplice macchina fotografica con un cavo: tra i fotoricettori e le cellule gangliari, la retina contiene circuiti neuronali complessi, che elaborano i segnati in arrivo ed estrapolano importanti caratteristiche dell’immagine. I calcoli dei circuiti retinici determinano quasi 30 diverse rappresentazioni neuronali della scena visiva, trasmesse contemporaneamente al cervello. Pertanto, la retina si comporta come un potente dispositivo di calcolo, modellando la rappresentazione visiva in modo profondo.

Un gruppo di scienziati del Friedrich Miescher Institute (FMI), l’Istituto di Molecolare e Clinica Oftalmologia di Basilea (IOB), ETH di Zurigo e l’Ecole Normale Supérieure ha alterato uno specifico elemento del circuito retinico, osservando poi le cellule orizzontali, un elemento del circuito che fornisce l’inibizione del feedback alla prima sinapsi visiva, tra fotorecettori e cellule bipolari. Per esaminare gli effetti, ha usato matrici di microelettrodi ad alta densità e ha registrato i segnali elettrici di centinaia di cellule gangliari contemporaneamente. Sorprendentemente, l’alterazione ha causato una serie di cambiamenti nell’output della retina.

Successivamente Felix Franke, uno dei principali autori con Rava A. Silveira, ha costruito un modello computerizzato della retina. Questo ha simulato i diversi percorsi che il segnale può affrontare attraverso la retina e ha permesso al team di investigare se la nostra attuale comprensione dei circuiti retinici potesse spiegare gli effetti osservati durante gli esperimenti. Il team ha scoperto che il modello ha effettuato cinque previsioni sul ruolo delle cellule orizzontali che non avevano mai intuito dai dati.

“Siamo rimasti sorpresi nel vedere che il modello è andato oltre quello che avevamo in mente al momento della costruzione”, afferma Franke. “Tutte le previsioni aggiuntive si sono rivelate corrette quando abbiamo condotto ulteriori esperimenti per testarle.”