Vista, scoperto un secondo sistema visivo nel cervello / View, discovered a second visual system in the brain

Segnalato dal Dott. Giuseppe 

Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

La scoperta di un nuovo sistema visivo nel cervello dei topi mette in discussione il modello comunemente accettato dell’elaborazione visiva e potrebbe spiegare la cosiddetta “visione cieca”. Lo studio su Science

La corteccia visiva, la regione cerebrale che consente di decifrare il rebus degli stimoli luminosi percepiti dagli occhi e trasformarli in immagini, è certamente l’area del cervello più studiata e meglio conosciuta. Eppure la vista sembra riservare ancora molte sorprese. È quello che suggerisce un nuovo studio condotto sui topi da ricercatori delle Università della California di San Diego e San Francisco che mette in discussione un aspetto fondamentale della percezione visiva e di conseguenza della vista. Nei topi la corteccia postrinale (POR), una regione del cervello in grado di percepire gli oggetti in movimento, non riceve le informazioni dalla corteccia visiva primaria, come comunemente si ritiene, ma da una regione del cervello filogeneticamente molto antica, chiamata collicolo superiore. Lo studio è stato pubblicato su Science.

Come funziona la vista

Prima di addentrarci nei dettagli dello studio un breve ripassino. La luce entra nell’occhio attraverso la pupilla e colpisce i fotorecettori posti sulla retina. A loro volta, i fotorecettori trasmettono questi segnali, lungo il nervo ottico, alla corteccia visiva. La corteccia visiva è composta da diverse aree: la corteccia visiva primaria, nota come corteccia striata o V1, e da aree visive di “ordine superiore”. Ciascuna di queste riceve e decodifica specifiche caratteristiche degli stimoli visivi, quali linee, forma, colore, movimento, distanza, ecc.

Secondo il modello comunemente accettato, le informazioni raccolte dai fotorecettori devono prima passare attraverso la corteccia visiva primaria, in grado di riconoscere elementi semplici, come linee o margini. Dalla corteccia visiva primaria poi i segnali vengono inviati in successione alle aree visive di “ordine superiore”, in grado di riconoscere caratteristiche più complesse, come forme, ombre, movimento e così via. Questo almeno quello che si sapeva finora sulla vista.

Una seconda corteccia visiva “primaria”

Il nuovo studio mette ora in discussione il modello gerarchico comunemente accettato. La ricerca mostra infatti che, nei topi, una regione nota come corteccia postrinale (POR), coinvolta nella percezione degli oggetti in movimento e finora ritenuta un’area visiva di ordine superiore, non dipende affatto dalle informazioni ricevute dalla corteccia V1. La POR riceve invece le informazioni dal collicolo superiore, un centro di elaborazione sensoriale molto antico dal punto di vista evolutivo che si trova alla base del cervello.

L’italiano Riccardo Beltramo, primo autore dell’articolo, ha registrato le risposte neurali agli stimoli visivi in movimento nella POR dei topi, dopo aver silenziato temporaneamente l’attività in V1 grazie ad una tecnica di optogenetica, che consente di attivare o inibire l’attività dei neuroni attraverso la luce. Con sorpresa, Beltramo ha trovato che i neuroni POR continuavano a rispondere agli stimoli in movimento anche in assenza di input da V1. “È stato assolutamente straordinario” ha detto Beltramo. “Abbiamo messo a tacere l’area visiva principale nella corteccia e le risposte nella POR non sono state influenzate. Questo è stato il primo grande momento di ‘wow’ che ci ha detto che eravamo in una situazione completamente inaspettata.”

Ma se le risposte della POR agli oggetti in movimento non provenivano da V1, a cosa erano dovute? “Doveva esserci – ha supposto Beltramo- un altro percorso che consentiva alle informazioni provenienti dalla retina di raggiungere la POR senza passare da V1.” Per identificare questo percorso parallelo, Beltramo ha iniettato nei topi un virus ingegnerizzato, che consente di individuare i neuroni collegati tra loro, e ha silenziato alternativamente V1 o il collicolo superiore. A differenza che nell’inattivazione di V1, quando veniva silenziato il collicolo superiore l’attività della POR scompariva completamente. Questo risultato dimostra il ruolo critico del collicolo superiore nell’abilità della POR di seguire oggetti in movimento, cosa che la corteccia visiva primaria ‘classica’ non è in grado di fare.

“È come se avessimo scoperto una seconda corteccia visiva primaria” ha detto Massimo Scanziani, autore senior dell’articolo. “Questa scoperta mette in discussione il concetto del sistema visivo della corteccia dei mammiferi come una gerarchia perfetta con la regione V1 come gatekeeper e solleva molte domande, ad esempio come questi due sistemi visivi paralleli si siano evoluti e come cooperino tra di loro”.

Vista ed evoluzione

Il collicolo superiore ancestrale (chiamato tetto ottico nei non mammiferi) è il principale centro di elaborazione sensoriale in animali con una piccola corteccia o che ne sono privi, come pesci, anfibi, lucertole e uccelli. Tale struttura è legata in particolare al riconoscimento di oggetti in movimento, si pensi all’abilità di una rana di vedere e catturare una mosca in volo o quella di un pesce di scappare alla vista di un predatore.

Il collicolo superiore si è conservato nei mammiferi anche dopo lo sviluppo della corteccia. Nei primati, essere umano compreso, la sua funzione è legata a forme rapide e inconsce di elaborazione visiva; come, ad esempio, quando saltiamo in preda allo spavento se vediamo un bastone che sembra un serpente o acchiappiamo automaticamente una palla che ci viene lanciata addosso.

“Ipotizziamo – ha detto Beltramo – che la POR possa essere una sorta di corteccia visiva ‘primitiva’, simile a quella di anfibi, rettili e uccelli, dedicata all’individuazione di oggetti in movimento, come una piccola preda vicina o un grande predatore in lontananza. Da questa prospettiva, forse lo sviluppo della V1 ha consentito di aggiungere a questa informazione una più precisa identificazione della natura e della posizione esatta dell’oggetto in movimento, consentendo di capire, ad esempio, se si trattava di un gustoso scarafaggio o di uno scorpione potenzialmente mortale”.

Sulla base di studi precedenti, il sistema collicolo superiore-POR potrebbe essere anche legato a risposte alla paura, all’attenzione spaziale e persino al riconoscimento facciale.

La “visione cieca”

Queste scoperte potrebbero avere implicazioni per un fenomeno noto come “visione cieca”, nel quale persone con un danno esteso alla corteccia visiva primaria V1 non possono vedere gli oggetti presenti nel loro campo visivo, ma se viene chiesto loro di prendere un oggetto lo fanno con notevole accuratezza. La visione cieca è probabilmente mediata da connessioni parallele che vanno dagli occhi ad altre regioni, integre, della corteccia cerebrale. Il nuovo studio suggerisce che la visione cieca possa coinvolgere proprio il sistema POR-collicolo superiore.

“Questa è una di quelle scoperte – ha concluso Scanziani- che solleva molte domande anziché fornire delle risposte, dal momento che pone questioni che prima nessuno sapeva di dover affrontare.” Saranno necessarie ulteriori ricerche per verificare se le risposte visive in aree simili alla POR dei topi nel cervello dei primati dipendano dall’input del collicolo superiore e se questi due sistemi paralleli interagiscono tra di loro.

ENGLISH

The discovery of a new visual system in the brain of mice calls into question the commonly accepted model of visual processing and could explain the so-called "blind vision". The study in Science

The visual cortex, the cerebral region that allows to decipher the puzzle of the light stimuli perceived by the eyes and transform them into images, is certainly the most studied and best known area of ​​the brain. Yet the view still seems to reserve many surprises. This is what suggests a new study conducted on mice by researchers at the University of California at San Diego and San Francisco that questions a fundamental aspect of visual perception and consequently of sight. In mice, the postrinal cortex (POR), a region of the brain that is able to perceive moving objects, does not receive information from the primary visual cortex, as is commonly believed, but from a very ancient phylogenetic brain region called the superior colliculus. The study was published in Science.

How the view works

Before going into the details of the study a brief review. The light enters the eye through the pupil and affects the photoreceptors placed on the retina. In turn, the photoreceptors transmit these signals along the optic nerve to the visual cortex. The visual cortex consists of several areas: the primary visual cortex, known as the striated cortex or V1, and from visual areas of "superior order". Each of these receives and decodes specific characteristics of visual stimuli, such as lines, shape, color, movement, distance, etc.

According to the commonly accepted model, the information collected by the photoreceptors must first pass through the primary visual cortex, capable of recognizing simple elements, such as lines or margins. From the primary visual cortex then the signals are sent in succession to the visual areas of "higher order", capable of recognizing more complex features, such as shapes, shadows, movement and so on. This at least what we knew so far about the sight.

A second "primary" visual cortex

The new study now questions the commonly accepted hierarchical model. The research shows that, in mice, a region known as postrinal cortex (POR), involved in the perception of moving objects and so far considered a visual area of ​​higher order, does not depend on the information received from cortex V1. ROP, on the other hand, receives information from the superior colliculus, a very ancient sensorial processing center that is at the base of the brain.

The Italian Riccardo Beltramo, the first author of the article, recorded the neural responses to visual stimuli moving in the POR of mice, after having temporarily silenced the activity in V1 thanks to an optogenetic technique, which allows to activate or inhibit the activity of neurons through light. Surprisingly, Beltramo found that POR neurons continued to respond to moving stimuli even in the absence of V1 input. "It was absolutely extraordinary," said Beltramo. "We have silenced the main visual area in the cortex and the responses in the ROP have not been affected. This was the first big moment of 'wow' that told us that we were in a completely unexpected situation. "

But if the POR's responses to moving objects did not come from V1, what were they due to? "There had to be - Beltramo supposed - another path that allowed information coming from the retina to reach the ROP without passing through V1." To identify this parallel path, Beltramo injected into the rats an engineered virus, which allows to identify the connected neurons between them, and has alternatively muted V1 or the superior colliculus. Unlike the inactivation of V1, when the superior collicol was silenced the POR activity completely disappeared. This result demonstrates the critical role of the superior colliculus in POR's ability to follow moving objects, which the 'classical' primary visual cortex is unable to do.

"It is as if we had discovered a second primary visual cortex" said Massimo Scanziani, senior author of the article. "This discovery questions the concept of the visual system of the mammalian cortex as a perfect hierarchy with the V1 region as a gatekeeper and raises many questions, for example how these two parallel visual systems have evolved and how they cooperate with each other".

View and evolution

The ancestral superior colliculus (called the optical roof in non-mammals) is the main sensory processing center in animals with a small bark or lacking in them, such as fish, amphibians, lizards and birds. This structure is linked in particular to the recognition of moving objects, think of the ability of a frog to see and capture a fly in flight or that of a fish to escape the sight of a predator.

The superior colliculus has been conserved in mammals even after the development of the cortex. In primates, including the human being, its function is linked to rapid and unconscious forms of visual processing; as, for example, when we jump in fear when we see a stick that looks like a snake or we automatically catch a ball that is thrown at us.

"Let us hypothesize - Beltramo said - that POR may be a sort of 'primitive' visual cortex, similar to that of amphibians, reptiles and birds, dedicated to the identification of moving objects, like a small neighboring prey or a large predator in distance. From this perspective, perhaps the development of V1 has allowed to add to this information a more precise identification of the nature and exact position of the moving object, allowing to understand, for example, if it was a tasty cockroach or a scorpion potentially deadly ".

Based on previous studies, the superior-POR colliculus system could also be linked to responses to fear, spatial attention and even facial recognition.

The "blind vision"

These findings could have implications for a phenomenon known as "blind vision", in which people with damage extended to the primary visual cortex V1 can not see objects in their field of vision, but if they are asked to take an object they do so with remarkable accuracy. The blind vision is probably mediated by parallel connections that go from the eyes to other, intact regions of the cerebral cortex. The new study suggests that blind vision may involve the superior POR-colliculus system.

"This is one of those discoveries - concluded Scanziani - which raises many questions rather than providing answers, since it raises questions that nobody knew beforehand to deal with." More research will be needed to verify if the visual responses in areas similar to the ROP. mice in the primate brain depend on the input of the superior colliculus and whether these two parallel systems interact with each other.

Da:

https://www.galileonet.it/2019/01/vista-sistema-visivo-cervello/