Vedere senza occhi

Il seguente saggio è ristampato con il permesso di The Conversation, una pubblicazione online che copre le ultime ricerche.

Noi umani siamo creature insolitamente visive. E quelli di noi dotati di vista normale sono abituati a pensare ai nostri occhi come vitali per sperimentare il mondo.

La visione è una forma avanzata di fotorecezione – cioè, la percezione della luce. Ma nella nostra vita quotidiana sperimentiamo anche altre forme più rudimentali di fotorecezione. Conosciamo tutti, per esempio, il piacere di percepire il sole caldo sulla nostra pelle, in questo caso usando il calore come sostituto della luce. Non sono necessari occhi e nemmeno speciali cellule fotorecettrici.

Ma gli scienziati hanno scoperto negli ultimi decenni che molti animali – compresi gli esseri umani – hanno molecole specializzate per rilevare la luce in luoghi inaspettati, al di fuori degli occhi. Questi “fotorecettori extraoculari” si trovano di solito nel sistema nervoso centrale o nella pelle, ma spesso anche in organi interni. Cosa fanno le molecole sensibili alla luce in luoghi diversi dagli occhi?

La visione dipende dal rilevamento della luce

Tutte le cellule visive identificate negli animali rilevano la luce utilizzando un’unica famiglia di proteine, chiamate opsine. Queste proteine afferrano una molecola sensibile alla luce – derivata dalla vitamina A – che cambia la sua struttura quando viene esposta alla luce. L’opsina a sua volta cambia la propria forma e accende i percorsi di segnalazione nelle cellule fotorecettrici che alla fine inviano un messaggio al cervello che la luce è stata rilevata.

La maggior parte della nostra visione cosciente deriva dai fotorecettori nella retina, lo strato sensibile alla luce sul retro del nostro bulbo oculare. Negli animali con la spina dorsale (vertebrati), le cellule che rilevano la luce per la visione hanno una forma vaga di bastoncelli o coni, da cui derivano i loro nomi familiari.

Sappiamo da un po’ che altri vertebrati hanno fotorecettori aggiuntivi nel loro cervello. Ma gli scienziati hanno pensato a lungo che bastoncelli e coni fossero praticamente tutta la storia della visione dei mammiferi. Così, la scoperta nei primi anni 2000 da parte del gruppo di David Berson alla Brown University di altre cellule in una retina di topo che rispondono alla luce è stata uno shock.

Ancora più strane sono state le scoperte associate in molti laboratori che dimostrano che queste cellule contengono una nuova classe di proteine opsiniche chiamate melanopsine, mai viste prima nei vertebrati (ma simili a quelle di molti invertebrati). Sembra che non siano coinvolte nella visione cosciente.

Non possiamo chiamarle extraoculari, dato che sono proprio lì nell’occhio. Invece sono spesso indicati come fotorecettori “non visivi”. Questo è il termine che i ricercatori usano per tutti i fotorecettori animali che non sono associati a percorsi di imaging nei sistemi nervosi.

Così ora sappiamo che ci sono fotorecettori non visivi negli occhi stessi in molti – forse la maggior parte – degli animali. Dove altro possiamo trovarli in tutto il corpo?

La caccia ai fotorecettori non negli occhi

In generale, identificare un potenziale fotorecettore extraoculare significa cercare le proteine che possono rilevare la luce, le opsine. L’avvento di tecnologie di genetica molecolare poco costose ed efficienti ha reso la ricerca delle opsine un’industria a domicilio nei laboratori di tutto il mondo.

Le cellule che contengono opsine sono probabilmente fotorecettori attivi, ma i ricercatori usano test fisiologici o comportamentali per confermarlo. Per esempio, possono cercare cambiamenti elettrici o cercare un cambiamento nell’attività di un animale quando espongono la cellula alla luce.

I fotorecettori che gli scienziati hanno trovato oltre gli occhi sono più comunemente situati nel sistema nervoso centrale. Quasi tutti gli animali ne hanno diversi tipi nel cervello e spesso anche nei nervi.

La pelle è dove vediamo la maggior parte degli altri recettori di luce, in particolare nelle cellule attive che cambiano colore o negli organi della pelle chiamati cromatofori. Questi sono le macchie nere, marroni o dai colori brillanti che molti pesci, granchi o rane sfoggiano. Raggiungono il loro massimo sviluppo nei cefalopodi: polpo, calamaro e seppia. Gli animali controllano attivamente il loro colore o modello per diverse ragioni, più spesso per mimetizzarsi (per abbinare il colore e il modello dello sfondo) o per produrre segnali luminosi e prominenti per aggredire o attirare un compagno.

Sorprendentemente, c’è una seconda classe di molecole sensibili alla luce oltre alle opsine, mai usate per la visione (per quanto ne sappiamo). Sono presenti in alcune strutture nervose, come il cervello o le antenne di alcuni insetti e anche nelle retine degli uccelli. Questi sono i criptocromi, ben chiamati perché le loro funzioni e metodi d’azione sono ancora poco conosciuti. I criptocromi sono stati originariamente scoperti nelle piante, dove controllano la crescita e i cambiamenti riproduttivi annuali.

Perché rilevare la luce al di fuori degli occhi?

Ora che sappiamo che questi fotorecettori possono essere trovati in tutto il corpo degli animali, cosa fanno in realtà? Ovviamente, la loro funzione dipende in parte dalla loro posizione.

Generalmente, regolano un comportamento mediato dalla luce che esiste al di sotto del livello di coscienza e che non richiede una conoscenza estremamente precisa della posizione di una sorgente luminosa nello spazio o nel tempo. Le funzioni tipiche includono la tempistica dei cicli giornalieri di allerta, sonno e veglia, umore, temperatura corporea e numerosi altri cicli interni che sono sincronizzati ai cambiamenti del giorno e della notte.

Gli orologi biologici che mantengono regolari cicli fisiologici – e causano i disagi del jet lag – sono quasi sempre controllati da questi fotorecettori. Questi rilevatori sono anche importanti per l’apertura e la chiusura della pupilla dell’occhio per aiutare ad adattarsi ai vari livelli di luce. I fotorecettori della pelle, come quelli dei pesci o dei polpi, spesso controllano il colore e le variazioni dei modelli.

In alcuni animali, hanno un compito molto diverso e piuttosto sorprendente: fornire la magnetorecezione, la capacità di rilevare il campo magnetico terrestre. Questa capacità si basa sui criptocromi, che apparentemente sono alla base dei meccanismi di orientamento magnetico in animali diversi come gli uccelli e gli scarafaggi.

Anche le persone hanno capacità di fotorecettori non visivi

Con la scoperta di cellule retiniche sensibili alla luce oltre ai bastoncelli e ai coni nelle retine dei mammiferi, è diventato ovvio che anche gli esseri umani devono usare vie non visive per il controllo del comportamento e delle funzioni. Uno studio congiunto britannico-americano, pubblicato nel 2007, ha scoperto che i pazienti che hanno perso tutti i bastoncelli e i coni a causa di disturbi genetici possono ancora avere ritmi giornalieri e pupille sensibili alla luce. Un paziente poteva persino riferire la sensazione di “luminosità” quando gli veniva mostrata una luce blu, che dovrebbe stimolare i fotorecettori retinici non a bastoncelli e non a coni.

Ricerche recenti con roditori alla Johns Hopkins University del gruppo di Samer Hattar suggeriscono che le vie non visive possono regolare l’umore, la capacità di apprendimento e persino la sensibilità della visione cosciente.

Infine, un’inaspettata scoperta recente nella ricerca guidata da Solomon Snyder e Dan Berkowitz, sempre alla Johns Hopkins University, ha scoperto che i vasi sanguigni nei topi contengono la melanopsina, l’opsina usata nella fotorecezione retinica non visiva. Hanno scoperto che questa proteina sensibile alla luce può regolare la contrazione e il rilassamento dei vasi sanguigni. Dal momento che gli esseri umani hanno probabilmente lo stesso sistema, questo potrebbe spiegare in parte l’aumento degli attacchi di cuore al mattino, che sono forse associati ai cambiamenti di pressione sanguigna che si verificano in quel momento.

Sappiamo che il rilevamento non visivo della luce è onnipresente e significativo nella vita degli animali. La ricerca futura continuerà a districare i suoi effetti sulla salute e il benessere umano.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l’articolo originale.