Uno studio in realtà virtuale condotto su pesci zebra mostra come l’ambiente circostante influenzi lo sviluppo biologico dell’occhio.

L’ambiente in cui vivono i giovani pesci zebra influenza sia la forma che l’attività elettrica dei neuroni nell’occhio, con conseguenti ripercussioni sul comportamento successivo.

I neuroscienziati del King’s College di Londra hanno studiato i pesci nei primi cinque giorni di vita per indagare se le caratteristiche visive dell’ambiente in cui crescono influenzino lo sviluppo delle cellule oculari. Lo studio, pubblicato sulla rivista Neuron , ha scoperto che i pesci che crescono circondati da strisce orizzontali sviluppano neuroni con forme e risposte diverse rispetto ai pesci che crescono circondati da strisce verticali.

Utilizzando un test comportamentale in realtà virtuale, sviluppato in collaborazione con l’Università di Costanza, i ricercatori hanno dimostrato che queste differenze strutturali e funzionali nei neuroni influenzano il comportamento dei pesci. I pesci zebra hanno una preferenza innata a nuotare verso strisce parallele all’orientamento del loro corpo. Lo studio ha utilizzato la realtà virtuale per testare l’intensità di questa preferenza e ha scoperto che questo istinto è notevolmente ridotto nei pesci che crescono in un ambiente a strisce orizzontali, mentre viene mantenuto da quelli che crescono circondati da linee verticali.

La plasticità raggiunge la retina

Questa è la prima volta che una ricerca ha dimostrato come ambienti diversi influenzino la forma complessiva dei neuroni nell’occhio e che ciò si ripercuota sul comportamento successivo. Tali cambiamenti sono stati osservati nella retina, una struttura situata nella parte posteriore dell’occhio responsabile del rilevamento della luce e dell’elaborazione visiva di base.

“Siamo rimasti estremamente sorpresi ed entusiasti di aver riscontrato una plasticità basata sull’esperienza a questo livello in un organo sensoriale primario come la retina“, commenta Robert Hindges, autore senior dello studio e professore di neurobiologia dello sviluppo presso l’Institute of Psychiatry, Psychology & Neuroscience (IoPPN) del King’s College di Londra.

“Né gli esseri umani né i pesci nascono con occhi e cervello completamente sviluppati. Molti neuroni sono fisicamente presenti, ma verranno ulteriormente perfezionati – attraverso un processo noto come plasticità – prima dell’età adulta. Tradizionalmente, la retina è stata considerata come un ‘hardware’, e si pensava che il suo perfezionamento avvenisse principalmente all’interno di aree del cervello altamente adattabili, come la corteccia cerebrale.”

Questa ricerca si aggiunge a un crescente numero di prove che dimostrano come la retina pre-elabori la scena visiva prima di trasmetterla al resto del cervello per un’ulteriore elaborazione. È il primo studio a dimostrare che questa pre-elaborazione dipende dall’ambiente visivo in cui si sviluppano la retina e il pesce.

Crescere tra le strisce

Per capire se l’ambiente potesse influenzare lo sviluppo dell’occhio, i ricercatori hanno collocato dei pesci in ambienti a strisce, orizzontali o verticali, durante i primi cinque giorni di vita. Le strisce sono caratteristiche visive molto evidenti che tutti gli animali utilizzano per comprendere ciò che stanno guardando.

“Le persone utilizzano effettivamente elementi orizzontali e verticali per dare un senso a immagini più complesse come i volti, dove il naso è una linea verticale marcata e le sopracciglia una linea orizzontale ben definita”, spiega Hindges.

Metà dei pesci è cresciuta in un mondo pieno di strisce orizzontali. L’altra metà ha vissuto in un mondo con sole linee verticali. Utilizzando un microscopio per visualizzare i neuroni nella retina, i ricercatori hanno scoperto che i due gruppi di pesci presentavano neuroni di forma diversa nella retina. Anche l’attività neurale inviata dall’occhio al resto del cervello nella retina era influenzata dalle strisce che i pesci avevano visto nei primi giorni di vita.

“Questo studio ha un notevole potenziale nel suggerire che i luoghi in cui cresciamo influenzano il modo in cui vediamo il mondo”, commenta Hindges. “Ciò è in linea con gli studi condotti sugli esseri umani, che hanno dimostrato come le persone cresciute in ambienti visivi diversi percepiscano le illusioni ottiche in modo differente. Ciò che non si sapeva è che questi cambiamenti sono almeno in parte determinati da modifiche nella fase più precoce dell’elaborazione visiva: nella retina.”

Cambiamenti comportamentali nella realtà virtuale

Gli scienziati hanno verificato se questi cambiamenti nella retina influenzassero il comportamento dei pesci dopo cinque giorni. Questo test comportamentale ha sfruttato la preferenza innata del pesce zebra di volgersi verso le strisce parallele al corpo, che si basa sulla capacità di distinguere tra diversi orientamenti delle strisce.

Utilizzando un sistema di realtà virtuale che traccia i movimenti in tempo reale, ai pesci è stata data la possibilità di scegliere se girarsi verso strisce parallele o perpendicolari a loro. I pesci zebra cresciuti in un ambiente con strisce orizzontali non hanno mostrato questa preferenza innata per le strisce parallele, comportandosi come se avessero maggiori difficoltà a distinguere tra strisce orizzontali e verticali, mentre i pesci cresciuti in un ambiente con strisce verticali hanno mantenuto questa preferenza.

“Volevamo esplorare come questi cambiamenti che avvengono nell’occhio possano influenzare il comportamento effettivo dei pesci”, spiega la dottoressa Phoebe Reynolds, prima autrice dello studio, che ha condotto la ricerca nell’ambito del suo dottorato di ricerca al King’s College. “Per fare ciò, abbiamo sviluppato un nuovo test comportamentale in realtà virtuale in cui i pesci possono mostrare una preferenza per linee di determinati orientamenti. Questo ci ha permesso di verificare se le loro preferenze innate fossero influenzate dall’ambiente in cui erano stati allevati.”

“La progettazione del sistema di tracciamento e dei paradigmi comportamentali è stata ispirata dalle nostre osservazioni sui cambiamenti strutturali e funzionali della retina. Non era affatto chiaro se queste caratteristiche avrebbero influenzato anche la capacità di distinguere i pattern a strisce durante il comportamento. Siamo rimasti quindi molto sorpresi dal fatto che le condizioni in cui gli animali venivano allevati avessero effettivamente un impatto significativo sulle prestazioni”, afferma Armin Bahl del Centro per lo Studio Avanzato del Comportamento Collettivo dell’Università di Costanza, che ha guidato gli esperimenti comportamentali in questo studio.

Isolare il ruolo dell’occhio

Grazie a una manipolazione genetica , i ricercatori sono riusciti a isolare il contributo della plasticità retinica a questo comportamento. In assenza dell’influenza della plasticità retinica, i pesci provenienti da entrambi gli ambienti si comportavano allo stesso modo, dimostrando che i cambiamenti nella biologia dell’occhio sono alla base del loro comportamento.

Punti salienti

•L’allevamento di pesci zebra in diversi ambienti visivi induce plasticità retinica

•Le strisce orientate inducono cambiamenti morfologici distinti nelle cellule amacrine di tipo II

•L’output retinico selettivo per l’orientamento viene modificato in base all’esperienza visiva.

•La plasticità retinica influenza il comportamento degli animali nei test dipendenti dall’orientamento.

Riepilogo

La nostra interazione con l’ambiente modella il modo in cui il nostro cervello elabora le informazioni sensoriali e guida il comportamento adattivo. Questa plasticità consente aggiustamenti cerebrali in risposta a specifiche esperienze sensoriali. Sebbene la plasticità sia stata costantemente rilevata negli stimoli visivi, esistono solo dati limitati sulla sua estensione nell’organo sensoriale primario, la retina. In questo studio, dimostriamo che la retina del pesce zebra presenta trasformazioni plastiche in risposta alle alterazioni dell’ambiente visivo durante lo sviluppo. Dimostriamo che le cellule amacrine selettive per l’orientamento subiscono profondi cambiamenti morfologici in animali precedentemente esposti a diversi ambienti visivi. Inoltre, scopriamo che l’output retinico funzionale selettivo per l’orientamento è alterato, in modo coerente con l’ambiente visivo in cui gli animali vengono allevati, e che questi cambiamenti sono persistenti. Infine, dimostriamo che l’esposizione precoce a diversi ambienti visivi modifica la preferenza di risposta visuomotoria degli animali per specifici pattern orientati. I nostri risultati svelano una forma di plasticità degli organi sensoriali durante lo sviluppo, con conseguenze strutturali, funzionali e comportamentali a lungo termine.

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