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BRAIN ADAPTATION CAPACITY AND SIGHT RESTORATION

The MADVIS project carried out by CIMEC thanks to an ERC starting grant paves the way for a new generation of predictive researches

30 gennaio 2015
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by Olivier Collignon
Researcher of the Center for Mind/Brain Sciences (CIMeC) of the University of Trento.

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Evolution has endowed the brain with the remarkable ability to reorganize its circuits throughout life in response to experience. One of the most striking demonstrations of experience-dependent plasticity comes from studies of blind individuals showing that the occipital cortex (traditionally considered as purely visual) massively changes its functional tuning to support the processing of non-visual inputs. From a general point of view, these studies shed new light on the old ‘nature versus nurture’ debate on brain development: while the recruitment of occipital (visual) regions by non-visual inputs in blind individuals highlights the ability of the brain to remodel itself due to experience (nurture influence), the observation of specialized cognitive modules in the occipital cortex of the blinds, similar to those observed in the sighted, highlights the intrinsic constraints imposed to such plasticity (nature influence). Yet, the accumulated corpus of data leaves several essential questions unanswered MADVIS - Mapping the Deprived Visual System: Cracking function for prediction - wants to address.

These mechanisms of crossmodal plasticity, classically considered compensatory, inevitably raise crucial challenges for sight-restoration. How will the non-visual inputs interfere, coexist or disappear following the re-acquisition of vision? Addressing this issue is particularly timely now given the recent advent of sight-restoration techniques. The neglected relation between crossmodal plasticity and sight-recovery will represent the testing ground of MADVIS in order to gain important novel insights on how specific brain regions become, stay and change their functional tuning toward the processing of specific stimuli. The main goal of MADVIS is therefore to make a breakthrough on two fronts: (1) understanding how visual deprivation at different sensitive periods in development affects the functional organization and connectivity of the occipital cortex; and (2) use the fundamental knowledge derived from (1) to test and predict the outcome of sight restoration. Using a pioneering interdisciplinary approach that crosses the boundaries between cognitive neurosciences and ophthalmology, MADVIS will have a large impact on our understanding of how experience at different sensitive periods shapes the response properties of specific brain regions. Finally, MADVIS will eventually pave the way for a new generation of predictive surveys prior to sensory restoration.

 


Il progetto MADVIS del CIMEC finanziato con un ERC starting grant UE pone le basi per una nuova generazione di ricerche predittive

L’evoluzione ha dotato il cervello di una capacità ragguardevole di riorganizzare i propri circuiti, nel corso della vita, reagendo all’esperienza. Una delle dimostrazioni più impressionanti della plasticità basata sull'esperienza risulta da studi condotti sui individui non vedenti che dimostrano come la corteccia occipitale – tradizionalmente considerata come puramente visiva – modifichi sensibilmente la propria ottimizzazione funzionale per sostenere l'elaborazione di input non visivi. Da un punto di vista generale, questi studi hanno aperto nuove prospettive sull’annoso dibattito ‘nature versus nurture’ in merito allo sviluppo cerebrale: mentre l’intervento delle regioni (visive) occipitali attraverso input non-visivi in individui ciechi sottolinea la capacità del cervello di rimodellarsi in base all’esperienza (nurture influence), l’osservazione di moduli cognitivi specializzati nella corteccia occipitale di non-vedenti, simili a quelli osservati nei vedenti, mostra i limiti intrinsechi imposti a questa plasticità (nature influence). Tuttavia il corpus di dati raccolti lascia molte questioni essenziali aperte che il progetto MADVIS (Mappatura del sistema visivo deprivato: funzione di frammentazione per la predizione) intende affrontare. 

Questi meccanismi di plasticità crossmodale, generalmente considerata puramente compensatoria, pone inevitabilmente sfide cruciali per la ripresa della vista. Come potranno interferire, coesistere o scomparire gli input non-visivi, a seguito della riacquisizione della vista? Una questione particolarmente attuale oggi, considerando le recenti tecniche per il recupero della vista. La relazione fin qui trascurata tra la plasticità intra-modale e il recupero della vista sarà il terreno di prova del progetto, per ottenere significativi nuove informazioni relative a come determinate zone del cervello diventino, mantengano o modifichino la propria ottimizzazione funzionale, al fine dell'elaborazione di stimoli specifici. Obiettivo cardine del progetto è quindi una svolta su due fronti. Si tratta in primo luogo dicomprendere come la privazione visiva in diversi periodi sensibili dello sviluppo influisca sull'organizzazione funzionale e sull’attività della corteccia cerebrale. La conoscenza di questi aspetti fondamentali potrà essere poi utilizzata per testare e prevedere il risultato del recupero della vista. Usando un approccio interdisciplinare che integra le neuroscienze cognitive e l'oftalmologia, il progetto sarà in grado di contribuire sensibilmente ad una migliore comprensione di come l'esperienza, in diversi periodi sensibili, determini le proprietà di reazione di specifiche zone del cervello. Infine, cercando di rimediare al divario esistente tra la riorganizzazione intermodale e il recupero della vista, il progetto porrà le basi per una nuova generazione di ricerche predittive precedenti al recupero della vista. 

[Traduzione di Serena Beber]