Uno sguardo di sfuggita e l’occhio si trasforma in un computer

Il senior author David Burr spiega i risultati dello studio condotto da Cnr-In e Università di Firenze, pubblicato su Nature Communications, che ha analizzato il comportamento dei neuroni della corteccia cerebrale nella visione periferica
Particolare di un occhio - Archivio fotografico 123rf.com - Riproduzione riservata
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Guardare con la coda dell’occhio? Roba da computer. È quanto emerge dallo studio congiunto tra i ricercatori dell’Istituto di neuroscienze del Consiglio nazionale delle ricerche di Pisa (Cnr-In) e quelli dell’Università di Firenze. Pubblicata su Nature Communications e incentrata sui meccanismi della visione periferica dell’occhio, la ricerca ha dimostrato come i neuroni della corteccia cerebrale elaborino la visione seguendo le regole di elaborazione delle informazioni proprie del funzionamento di un computer.

Lo studio, che ha come primo autore il ricercatore Cnr-In Guido Marco Cicchini e come senior author David Charles Burr, del Dipartimento Unifi di Neuroscienze, Psicologia, Area del Farmaco e Salute del Bambino (Neurofarba), rivela una strategia dinamica nella gestione delle immagini visive, che ha evidenti benefici nel cervello e potrebbe avere ricadute anche nel mondo della visione robotica ed artificiale.

“Si tratta di un traguardo importante, perché capire il funzionamento dei processi di visione e lettura, nonché il modo con cui il cervello utilizza le informazioni contestuali per comprendere l’ambiente circostante, può offrire spunti decisivi in molti campi. In primis nel fronteggiare le criticità legate alla dislessia” spiega Burr, ricercatore di fama mondiale sui temi della percezione, come testimoniano i due Grant ERC ricevuti nel corso della sua carriera.

Come mai, nonostante la scarsa risoluzione, riusciamo a vedere e usare bene le immagini catturate dalla coda dell’occhio?

“La visione periferica non garantisce la stessa affidabilità e risoluzione della visione centrale, perché i recettori retinici non sono distribuiti omogeneamente: sono più abbondanti nella zona della retina che intercetta le immagini centrali, mentre sono più radi per le immagini periferiche. Eppure, guardare con la coda dell’occhio, benché non particolarmente comodo, permette comunque di riconoscere volti e oggetti. Lo abbiamo dimostrato sfruttando un fenomeno visivo conosciuto come crowdling (affollamento): abbiamo notato, infatti, che nella visione periferica il cervello opera una continua ricostruzione dell’immagine visiva riempiendola con i segnali più affidabili e attenuando quelli più incerti”.

Come siete arrivati a capirlo?

“Abbiamo sottoposto alcuni soggetti alla visione di un disegno ovale in periferia chiedendo se quell’ovale fosse orizzontale. Lo stesso disegno veniva inoltre affiancato da altri disegni. Ebbene, se l’ovale era disegnato in maniera molto sottile, quasi una retta, la risposta dipendeva unicamente dall’oggetto. Se gli ovali invece avevano una forma tendente alla circonferenza, e quindi il loro orientamento non era ben definito, la risposta incorporava le immagini a latere dell’ovale stesso. L’occhio eseguiva quest’azione seguendo delle regole di elaborazione dell’informazione proprie del funzionamento di un computer. Per usare una metafora, in un sistema di videosorveglianza con più telecamere che inquadrano l’ingresso di un palazzo ho la scelta di quale sorgente di informazione usare. Se una telecamera temporaneamente invia delle immagini di scarsa qualità, devo ricorrere alle altre. I neuroni della corteccia visiva valutano costantemente la qualità dell’informazione e compensano la scarsa qualità di alcune parti del campo visivo proiettandovi quelle adiacenti e più affidabili”.

Il vostro studio è la tappa più recente delle ricerche condotte nell’ambito di GenPercept, progetto di cui è coordinatore dal 2019 e per il quale ha ricevuto un ERC Advanced Grant del valore di 2 milioni e 500mila euro. Di cosa si tratta?

“GenPercept analizza la percezione della realtà, intesa come combinazione tra aspettative, modelli apriori del mondo ed esperienza sensoriale. Il focus del progetto consiste appunto nel mettere in dubbio l’idea che la percezione del mondo esterno sia una fedele e istantanea copia di quanto rilevato dalla vista e dall’udito. Le ricerche stanno proseguendo molto bene, benché abbiano risentito in parte delle difficoltà causate dall’emergenza pandemica. GenPercept si è avvalso della collaborazione tra Unifi, Università di Pisa, Cnr di Pisa e Fondazione Stella Maris di Matera, tracciando la rotta per attuali e future collaborazioni. Ne è riprova il workshop “Human and Robots: how action shapes vision”, organizzato recentemente a Pisa: un’occasione per discutere in merito alle possibili applicazioni dello studio sulla visione periferica nel campo della robotica”.

Quello del 2019 non è stato il primo ERC Grant: già nel 2009 per il progetto STANIB (Space, Time and Number in the Brain) aveva ricevuto un finanziamento dal Consiglio Europeo della Ricerca, sempre di 2 milioni e 500mila euro, quando gli Erc si chiamavano Ideas.

“La ricerca ha indagato il modo in cui il cervello umano percepisce spazio, tempo e numerosità degli oggetti per costruire la mappa visiva del mondo, considerandoli insieme e non come dimensioni indipendenti e separate. Il finanziamento, inoltre, ha permesso la creazione del Pisa Vision Lab: centro di ricerca dove collaborano ricercatori e staff delle Università di Firenze e Pisa, l’Istituto di Neuroscienze del CNR e la Fondazione Stella Maris di Pisa. Entrambi i progetti, infine, hanno dimostrato un valore che supera i risultati scientifici conseguiti. Oltre a creare un forte legame tra le realtà coinvolte, hanno permesso la formazione di molti giovani ricercatori che sono cresciuti professionalmente e sono diventati a loro volta protagonisti di ricerche in Italia e all’estero. A loro il compito di portare avanti il lavoro di ricerca condotto da GenPercept”.


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