È una classica illusione visiva: due punti grigi appaiono su uno sfondo costituito da una sfumatura dal grigio chiaro al nero. Sebbene i due punti siano identici, appaiono molto diversi in base alla posizione in cui sono posizionati sullo sfondo. Gli scienziati che studiano il cervello hanno cercato di capire il meccanismo alla base di questa illusione, noto come contrasto simultaneo di luminosità, da oltre 100 anni. Uno studio condotto dal MIT ora suggerisce che questo fenomeno si basa sulla stima della luminosità che ha luogo prima che le informazioni visive raggiungano la corteccia visiva del cervello, possibilmente all’interno della retina. Tutti questi esperimenti del MIT puntano alla conclusione che si tratta di un fenomeno di basso livello. I risultati aiutano a rispondere alla domanda su quale sia il meccanismo alla base di questo fondamentale processo di stima della luminosità, che è un elemento fondamentale di molti altri tipi di analisi visive. Come parte della loro indagine, i ricercatori hanno studiato i bambini ciechi in India e hanno scoperto che erano sensibili a questa illusione quasi immediatamente dopo che la loro vista era iniziata dopo l’intervento chirurgico, offrendo ulteriori prove che le stime di luminosità sono probabilmente basate su semplici circuiti neurali che non lo fanno richiedere la creazione di qualsiasi esperienza visiva precedente. Quando guardiamo un’immagine, il nostro cervello percepisce una certa luminosità in ogni posizione dell’immagine. Sorprendentemente, tuttavia, le nostre percezioni della luminosità non sono sempre proporzionali alla quantità di luce che emana dalle regioni dell’immagine. Invece, la nostra percezione è il prodotto del colore reale dell’oggetto e della quantità di luce che brilla su di esso. Potresti avere un pezzo di stoffa davvero scuro sotto un riflettore luminoso e la quantità di luce che ottieni da essa potrebbe essere la stessa, o addirittura maggiore, della quantità di luce proveniente da un pezzo di carta bianca in penombra. Al cervello viene presentata la sfida di capire quanto una superficie sia chiara o scura in base alla quantità di energia che sta ricevendo. In sostanza, il cervello deve capire i due numeri che sono stati moltiplicati (livello di illuminazione e oscurità superficiale) per produrre l’unico numero che sta ricevendo (energia in entrata) – un compito apparentemente impossibile poiché infinitamente molte coppie di numeri possono produrre tutti lo stesso prodotto.
Alcuni scienziati, tra cui il fisico tedesco del XIX secolo Hermann von Helmholtz, uno dei primi pionieri degli studi sulla visione, hanno suggerito che la stima della luminosità è un processo di “alto livello”. Cioè, il cervello stima la luminosità in base a una comprensione di alto livello delle condizioni di illuminazione, delle forme e delle ombre nell’ambiente che sta vedendo. Molte attività visive, come l’identificazione di volti o oggetti, si basano sulle nostre precedenti esperienze o aspettative su ciò che stiamo vedendo. Tuttavia, gli esperimenti effettuati dai ricercatori in questo studio suggeriscono che, nel caso della stima della luminosità, l’elaborazione ad alto livello non ha un ruolo significativo. Nella loro prima serie di esperimenti, i ricercatori hanno creato l’immagine di un cubo che sembrava essere illuminato da un lato, con una faccia che sembrava un po’ più luminosa dell’altra.

In realtà, usando un trucco intelligente che i pittori ceramisti cinesi conoscevano oltre 800 anni fa, il viso che sembrava più luminoso aveva in realtà una luminosità inferiore rispetto al viso che sembrava più scuro. In questo setting, i ricercatori hanno scoperto che quando identici punti grigi erano posizionati sulle due facce del cubo, il punto che era sul viso che sembrava essere in ombra appariva in realtà più scuro di un punto identico posto su una faccia che riceveva più luce. Questo è l’opposto di ciò che accade nei display a contrasto simultaneo standard, in cui un punto su uno sfondo scuro appare più luminoso di un punto su uno sfondo chiaro. Questo risultato è in contrasto con l’idea che l’analisi di alto livello delle condizioni di illuminazione contribuisca alla stima della luminosità. La seconda serie di esperimenti è stata progettata per localizzare i processi di stima della luminosità. Si basava sul fatto curioso che la visione unificata del mondo che sperimentiamo, costruita fondendo immagini dai due occhi, è accompagnata da una perdita quasi completa di informazioni sull’occhio di origine. Non sappiamo quali fossero le immagini originali e da quale occhio provenissero; siamo solo consapevoli della visione unita (a volte chiamata immagine “ciclopica”, dal mostro con un occhio solo Ciclope della mitologia greca). Tuttavia, usando immagini appositamente progettate e occhiali stereo, i ricercatori hanno scoperto che la stima della luminosità non aveva bisogno di attendere fino a quando le informazioni provenienti dai due occhi fossero state unite; era già successo a quel punto. Questa scoperta suggerisce che la stima della luminosità avviene molto presto, prima che le informazioni provenienti da ciascun occhio vengano combinate in un flusso visivo. La combinazione si verifica in una parte della corteccia cerebrale chiamata V1 (così chiamata perché rappresenta il primo stadio dell’elaborazione visiva nella corteccia). Ciò pone un forte vincolo sulla posizione dell’elaborazione; i ricercatori ipotizzano che molto probabilmente il calcolo della luminosità abbia luogo nella retina. L’implicazione dei risultati delle prime due serie di studi è stata che se la stima della luminosità è in realtà un processo di basso livello e il circuito si trova già nella retina, allora forse questa è una dispensazione innata. Questo è qualcosa che il sistema visivo viene preparato a fare, fin dalla nascita. I ricercatori sono stati in grado di esplorare questa ipotesi studiando i bambini ciechi che avevano recentemente ripristinato la vista. Il team ha un progetto in India chiamato Project Prakash, la cui missione è curare i bambini che soffrono di forme prevenibili di cecità come la cataratta congenita. Molti dei bambini trattati continuano a partecipare a studi scientifici sullo sviluppo visivo, sebbene il trattamento non dipenda da tale partecipazione. La previsione era che se la stima della luminosità è davvero un meccanismo innato, subito dopo la vista è iniziata nei bambini che erano congenitamente ciechi, dovrebbero cadere in preda all’illusione del contrasto simultaneo. Questo è esattamente ciò che i ricercatori hanno scoperto, in uno studio su nove bambini a cui è stata rimossa chirurgicamente la cataratta tra gli 8 e i 17 anni. Tutti i bambini erano suscettibili all’illusione, in test effettuati da 24 a 48 ore dopo che le loro bende chirurgiche erano rimosso. In uno studio del 2015, il team ha dimostrato che anche i bambini ipovedenti sono immediatamente sensibili a due altre illusioni visive, note come Müller-Lyer e Ponzo, che implicano il giudicare la lunghezza delle linee in base a segnali visivi. Ciò che è emerso da quel lavoro sembra anche essere coerente con il risultato che emerge dagli studi sulla luminosità. Cioè, molti dei fenomeni che siamo così rapidi ad attribuire a processi inferenziali di alto livello potrebbero in realtà essere istanziati in alcuni meccanismi circuitali molto semplici del cervello che sono intrinsecamente disponibili. Questi risultati stanno contribuendo alla ricerca di come i nostri sistemi nervosi risolvano la complessa sfida di percepire e comprendere il mondo che ci circonda.

Daniele Corbo

Bibliografia: “Mechanisms underlying simultaneous brightness contrast: Early and innate”. by Pawan Sinha et al. Vision Research

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