Caratteristiche morfologiche della retina nei Cetacei

Le caratteristiche strutturali dell’occhio dei Cetacei sono state in passato oggetto di studio. Tuttavia, i dati relativi alla stratigrafia della retina ed alle caratteristiche morfologiche dei neuroni gangliari in essa presenti sono piuttosto ridotti; per questo motivo, l’obiettivo della presente ricerca è stato quello di studiare, mediante metodiche di immunoistochimica, l’uso della microscopia ottica e di opportuni software di analisi immagine, le caratteristiche morfologiche della retina e delle cellule gangliari in essa presenti in differenti specie di Cetacei. Per la presente ricerca sono stati utilizzate come specie di riferimento i seguenti Delfinidi: tursiope (Tursiops truncatus) e stenella striata (Stenella coeruleoalba). Le analisi sulle sezioni interessano l’area, la densità dei neuroni gangliari, la stratigrafia della retina e l’analisi morfometrica degli strati e dei neuroni. I risultati ottenuti indicano come la retina del tursiope e della stenella striata, nonostante un'organizzazione di base assai simile a quella degli altri Mammiferi, mostri caratteristiche qualitative sue proprie. Gli strati retinici sono quelli che si osservano in tutti i Mammiferi e lo spessore totale della retina è, nel tursiope (101,23 µm ) e nella stenella striata (108.35 µm ), pressochè simile ai Mammiferi terrestri (110-220 µm). Nell'ambito della retina, lo strato che presento lo spesso medio maggiore è quello dei granuli interni (SNE); tale dato non coincide con quanto osservato in altri Mammiferi. I neuroni gangliari presenti nella retina di tursiope e stenella striata mostrano, analogamente a quanto osservato in altri Cetacei, una bassa densità cellulare. Nel tursiope e nella stenella striata le aree a maggiore densità cellulare presentano neuroni multipolari di dimensioni minori rispetto a quelle con bassa densità. Questo dato potrebbe indicare una "cellularità" (quantità di superficie occupata da cellule) costante nei differenti distretti retinici. I neuroni gangliari presenti nella retina di tursiope e stenella striata sono disposti in un unico strato, come osservato in numerosi altri Cetacei, ma differisce da quanto osservato nel capodoglio (Physeter macrocephalus) dove tali cellule si dispongono in strati multipli. Neuroni gangliari di grandi dimensioni sono stati osservati sia nel tursiope che nella stenella striata. Tale dato coincide con quanto osservato in altri Odontoceti ed in alcuni Misticeti. Allo stato attuale non è ancora stato dato un chiaro significato funzionale alle cellule gangliari giganti. Un possibile ruolo potrebbe essere quello di condurre, in animali di grossa mole, l'impulso nervoso molto velocemente, grazie alla presenza di un assone provvisto di un diametro notevole. Tale interpretazione non è da tutti accettata in quanto Mammiferi terrestri di grandi dimensioni non presentano nella loro retina neuroni gangliari giganti.

Analisi di cross-correlazione di profili recettori di cellule semplici in V1

In questa tesi viene presentata un’analisi dettagliata sulla struttura di profili recettori di neuroni coinvolti nell’elaborazione visiva, con particolare attenzione per le cellule appartenenti alla corteccia visiva primaria (V1). Dopo aver illustrato brevemente il percorso effettuato dall’informazione visiva, costituito da retina, nucleo genicolato laterale e V1, vengono descritte la struttura e le principali caratteristiche di profili recettori dei neuroni appartenenti ad ognuno di questi livelli di elaborazione. Per modellare i profili recettori di cellule corticali in V1 si è deciso di utilizzare filtri bidimensionali realizzati mediante funzioni di Gabor nel dominio spaziale. Questo modello ha, infatti, il grande vantaggio di possedere alcune tra le maggiori proprietà dei profili recettori di neuroni appartenenti a V1: struttura del profilo recettore nello spazio (x,y), selettività in orientazione e in frequenza spaziale, indipendenza dalla fase dello stimolo. Viene successivamente presentato il concetto di campo di associazione visivo, mediante il quale sono determinate le caratteristiche principali (posizione spaziale ed orientazione) che diversi oggetti devono possedere per essere percepiti non come unità singole, ma come un unico elemento. I campi di associazione possono essere modellati mediante l’utilizzo del sistema di equazioni differenziali proposto da Citti-Sarti, le cui soluzioni sono curve integrali adatte a ricostruire la struttura dei campi di associazione, come proposti da Field, Hayes ed Hess. Diverse ipotesi sono state presentate su come cellule appartenenti a V1 siano in grado di realizzare simili campi di associazione, ed in particolare, da dove queste possano prendere le informazioni necessarie per farlo. Una di queste è quella sostenuta dai dati di Bosking et al., secondo i quali le connessioni intracorticali più fitte sono quelle tra neuroni non adiacenti tra loro, i cui profili recettori sono co-orientati (con la stessa orientazione preferenziale) e co-assiali (disposti lungo un asse del campo visivo che corrisponde all’orientazione preferenziale). L’analisi effettuata in questa tesi ha come obbiettivo proprio quello di ottenere informazioni utili su come cellule corticali siano legate alla fenomenologia dei campi di associazione. Come già detto, un filtro di Gabor bidimensionale può essere considerato un buon modello per profili recettori di questo tipo di cellule e quindi è possibile definirlo in maniera astratta come l’unità fondamentale nel processo di elaborazione visiva. Per questo motivo viene effettuata un’analisi di cross-correlazione tra un filtro di Gabor con una determinata orientazione e una famiglia di filtri di Gabor aventi n orientazioni. I risultati ottenuti sono stati trattati utilizzando la tecnica di soppressione dei non massimi, in modo da estrarre per ogni punto dell’immagine l’orientazione per la quale si ottiene la risposta massima. Successivamente, dai dati è stato possibile calcolare delle curve integrali simili a quelle ottenute dal modello differenziale proposto da Citti-Sarti. I risultati ottenuti da questa analisi si sono rivelati utili per comprendere più nel dettaglio i processi di elaborazione dei neuroni corticali, ed in particolare, per capire in che modo le informazioni necessarie per la realizzazione di strutture complesse ed articolate come quelle dei campi di associazione, siano già contenute intrinsecamente all’interno di ogni cellula corticale, unità fondamentale dell’elaborazione visiva.

Geometria della visione

La visione è il processo cerebrale mediante il quale l'organismo umano riesce a estrarre informazioni dal dato visivo proveniente dalla retina. Tentare di imitare questo comportamento mediante un elaboratore elettronico, il cosiddetto problema della visione, è una delle maggiori sfide del XXI secolo. In questo contesto lo scopo della tesi è dare una descrizione degli strumenti matematici che permettono di modellizzare la visione stereoscopica ed esporre le condizioni sotto le quali sia possibile effettuare una ricostruzione 3D ambientale a partire da due immagini della stessa scena nell'ipotesi di assenza di errore.

Tecnologie biomediche per lo studio e la riabilitazione della funzionalita retinica in condizioni fisiopatologiche

L’occhio è l’organo di senso responsabile della visione. Uno strumento ottico il cui principio di funzionamento è paragonabile a quanto avviene in una macchina fotografica. Secondo l’Organizzazione mondiale della sanità (WHO 2010) sulla Terra vivono 285 milioni di persone con handicap visivo grave: 39 milioni sono i ciechi e 246 milioni sono gli ipovedenti. Si evince pertanto la necessità di tecnologie in grado di ripristinare la funzionalità retinica nelle differenti condizioni fisiopatologiche che ne causano la compromissione. In quest’ottica, scopo di questa tesi è stato quello di passare in rassegna le principali tipologie di sistemi tecnologici volti alla diagnosi e alla terapia delle fisiopatologie retiniche. La ricerca di soluzioni bioingegneristiche per il recupero della funzionalità della retina in condizioni fisiopatologiche, coinvolge differenti aree di studio, come la medicina, la biologia, le neuroscienze, l’elettronica, la chimica dei materiali. In particolare, sono stati descritti i principali impianti retinali tra cui l’impianto di tipo epiretinale e subretinale, corticale e del nervo ottico. Tra gli impianti che ad oggi hanno ricevuto la certificazione dell’Unione Europea vi sono il sistema epiretinale Argus II (Second Sight Medical Products) e il dispositivo subretinale Alpha IMS (Retina Implant AG). Lo stato dell’arte delle retine artificiali, basate sulla tecnologia inorganica, trova tuttavia limitazioni legate principalmente a: necessità di un’alimentazione esterna, biocompatibilità a lungo termine, complessità dei processi di fabbricazione, la difficoltà dell’intervento chirurgico, il numero di elettrodi, le dimensioni e la geometria, l’elevata impedenza, la produzione di calore. Approcci bioingegneristici alternativi avanzano nel campo d’indagine della visione artificiale. Fra le prospettive di frontiera, sono attualmente in fase di studio le tecnologie optogenetiche, il cui scopo è la fotoattivazione di neuroni compromessi. Inoltre, vengono annoverate le tecnologie innovative che sfruttano le proprietà meccaniche, optoelettroniche e di biocompatibilità delle molecole di materiali organici polimerici. L’integrazione di funzioni fotoniche nell’elettronica organica offre nuove possibilità al campo dell’optoelettronica, che sfrutta le proprietà ottiche e elettroniche dei semiconduttori organici per la progettazione di dispositivi ed applicazioni optoelettronici nel settore dell’imaging e del rilevamento biomedico. La combinazione di tecnologie di tipo organico ed organico potrebbe aprire in prospettiva la strada alla realizzazione di dispositivi retinici ed impianti di nuova generazione.