La vista è un senso straordinario che ci permette di percepire dettagli microscopici, come una zanzara sul nostro naso e oggetti distanti milioni di anni luce, come una galassia. Grazie alla nostra sensibilità alla luce, animali e esseri umani possono individuare prede, predatori e potenziali partner. La luce riflessa dagli oggetti ci offre un’immagine del mondo circostante, ma ciò che sembra un processo semplice nasconde in realtà un meccanismo estremamente complesso: replicare anche una minima parte delle capacità visive umane con sistemi artificiali si è rivelato un’impresa molto ardua.

La luce è un’onda elettromagnetica e viviamo immersi in un “oceano” di radiazioni che si propagano con lunghezze d’onda diverse. Quando queste onde incontrano un corpo, possono essere assorbite, diffuse, riflesse o deviate. Il sistema visivo sfrutta tali interazioni per ricavare informazioni sugli oggetti esterni, grazie a una molteplicità di trasformazioni neurali che iniziano già nella retina.

Nell’evoluzione dei vertebrati, la vista ha avuto un ruolo chiave: ha ampliato le modalità di comunicazione, permesso di prevedere traiettorie di oggetti in movimento, stimolato la fantasia e contribuito alla nascita delle arti visive. Non a caso, oltre un terzo della nostra corteccia cerebrale è dedicata all’elaborazione delle informazioni visive.

Il percorso di questa straordinaria capacità inizia nell’occhio. Posteriormente all’occhio si trova la retina, un sottile strato di cellule sensibili che converte la luce in segnali elettrici. Il resto dell’occhio funziona come una macchina fotografica: mette a fuoco immagini nitide sulla retina, regola automaticamente l’intensità luminosa e segue con precisione gli oggetti in movimento, mantenendo la superficie oculare pulita grazie a lacrime e palpebre.

La retina, però, non si limita a misurare la quantità di luce. Possiamo considerarla una parte del cervello posta all’interno dell’occhio, con due “sistemi” sovrapposti: uno ottimizzato per la visione crepuscolare (in bianco e nero), l’altro per la visione diurna e dei colori. In ogni condizione di luce, però, essa non trasmette semplici informazioni relative all’intensità luminosa, bensì rileva i contrasti e i cambiamenti locali di luminosità. Già a questo livello l’immagine è ampiamente rielaborata prima di essere inviata alle aree cerebrali successive.

Dalla retina, i segnali viaggiano lungo il nervo ottico fino a varie strutture cerebrali: alcune regolarizzano i ritmi circadiani in base al ciclo luce-buio, altre controllano la posizione e il movimento oculare. La prima vera “tappa” per l’elaborazione visiva è il nucleo genicolato laterale del talamo. Successivamente, le informazioni raggiungono la corteccia visiva, dove vengono finalmente interpretate e integrate nella memoria.

Le caratteristiche fisiche della luce

Il sistema visivo si affida alla luce per costruire un’immagine del mondo che ci circonda. Di seguito riassumiamo in modo sintetico le proprietà fondamentali della luce e le modalità con cui essa interagisce con l’ambiente, aspetti essenziali per comprendere come funziona la visione.

Cos'è la luce

Intorno a noi esiste un vasto spettro di radiazioni elettromagnetiche, generate da fonti molto diverse: antenne radio, telefoni cellulari, apparecchi a raggi X e, naturalmente, il Sole. Tra tutte queste, solo una porzione è visibile al nostro occhio: la luce. Possiamo pensare alla radiazione elettromagnetica come a un’onda di energia, caratterizzata da tre grandezze principali:

• Lunghezza d’onda – la distanza tra due creste successive dell’onda.
  
  

• Frequenza – il numero di oscillazioni che l’onda compie in un secondo.
  
  

• Ampiezza – la differenza di intensità tra un picco e un “avvallamento” dell’onda.
  
  

L’energia trasportata da queste onde è direttamente proporzionale alla loro frequenza: più alta è la frequenza (cioè più piccola la lunghezza d’onda), maggiore sarà l’energia trasmessa. Ad esempio, i raggi gamma e i raggi X (con lunghezze d’onda inferiori a 1 nm) sono estremamente energetici, mentre le onde radio o radar (con lunghezze d’onda superiori a 1 mm) hanno energie più basse.

Lo spettro visibile e la percezione del colore

Il nostro occhio riesce a captare solo le radiazioni comprese fra circa 400 nm e 700 nm. Isaac Newton, all’inizio del Settecento, dimostrò che la luce solare “bianca” è in realtà un miscuglio di tutte queste lunghezze d’onda, mentre una singola lunghezza d’onda pura corrisponde a uno dei colori dell’arcobaleno. I toni “caldi” (come rosso e arancione), associati a onde più lunghe, trasportano meno energia rispetto ai toni “freddi” (come blu e viola), che derivano da onde più corte e più ricche di energia. Infine, va ricordato che la nostra sensazione del colore è il risultato di un’elaborazione cerebrale: ciò che vediamo dipende anche dalle interpretazioni soggettive e dalle esperienze personali.

L’occhio umano è l’organo sensoriale deputato alla vista, ed è un esempio straordinario di specializzazione biologica. Si presenta come un organo pari e simmetrico, con una struttura complessa che ricorda, per certi aspetti funzionali, quella di una macchina fotografica. La rifrazione, ossia la deviazione dei raggi luminosi per effetto delle superfici trasparenti dell’occhio (cornea, umor acqueo, cristallino, umor vitreo), è ciò che permette di formare un’immagine nitida sulla retina. Il potere rifrattivo complessivo dell’occhio è di circa 60 diottrie, di cui circa 42 derivano dalla cornea e il resto dal cristallino.

Anatomia generale dell’occhio
L’occhio è un organo sferico dal diametro di circa 24 mm che contiene al suo interno tre distinti compartimenti:

1. Camera anteriore, tra cornea e iride, riempita di umor acqueo.
   
   

2. Camera posteriore, tra iride e cristallino, anch’essa con umor acqueo.
   
   

3. Cavità vitreale, tra cristallino e retina, riempita di umor vitreo gelatinoso.
   La parete esterna è formata da due tuniche: la sclera (parte bianca, resistente) e la cornea (porzione anteriore trasparente). Internamente, l’occhio è rivestito dalla retina, che riceve e trasduce la luce.
   
   

Anatomia dell’occhio in sezione
Attraverso una sezione sagittale si riconoscono (dall’esterno all’interno):

• Cornea, lente esterna principale.
  
  

• Camera anteriore con umor acqueo.
  
  

• Iride, disco coloreggiante con apertura centrale (pupilla) che regola la quantità di luce entrante.
  
  

• Cristallino, lente interna adattabile tramite il muscolo ciliare, consente l’accomodazione.
  
  

• Camera posteriore con umor acqueo.
  
  

• Umor vitreo, gel che mantiene la forma dell’occhio.
  
  

• Retina, strato fotosensibile a fondo dell’occhio, poggiato sull’epitelio pigmentato.

La retina è una parte fondamentale dell’occhio, dove avviene la trasformazione della luce in segnali elettrici. Questa funzione è svolta da due tipi di cellule specializzate: i coni e i bastoncelli. Detti anche fotorecettori, si trovano nello strato più esterno della retina, vicino all’epitelio pigmentato, e sono essenziali per la percezione visiva. Ogni fotorecettore è formato da quattro parti principali: il segmento esterno, il segmento interno, il corpo cellulare e la terminazione sinaptica. Il segmento esterno è composto da una serie di dischi ricchi di fotopigmenti, sostanze capaci di assorbire la luce. Nei bastoncelli, il pigmento principale è la rodopsina, mentre nei coni ci sono tre tipi di pigmenti diversi, ciascuno sensibile a un colore specifico: blu, verde o rosso. Il segmento interno contiene i mitocondri e produce l’energia necessaria per far funzionare la cellula. Il corpo cellulare ospita il nucleo, e la terminazione sinaptica consente lo scambio di informazioni con le altre cellule della retina.

Bastoncelli e coni: differenze e funzioni

I bastoncelli sono molto più numerosi dei coni e si trovano soprattutto nella periferia della retina. Sono estremamente sensibili alla luce e permettono di vedere in condizioni di scarsa illuminazione, ma non distinguono i colori. Questa capacità prende il nome di visione scotopica. I coni, invece, sono concentrati nella fovea, la zona centrale della retina, e permettono di vedere con nitidezza e a colori in ambienti ben illuminati: questa è la visione fotopica. Grazie alla presenza di tre tipi di coni, l’occhio umano è in grado di percepire una vasta gamma di colori, secondo il principio della visione tricromatica.

Il processo della fototrasduzione

La fototrasduzione è il meccanismo attraverso cui i fotorecettori convertono la luce in segnali elettrici. In assenza di luce, i canali ionici dei fotorecettori rimangono aperti grazie alla presenza di una molecola chiamata GMP ciclico (GMPc), permettendo l’ingresso di ioni sodio (Na⁺) e calcio (Ca²⁺). Questo fa sì che la cellula resti leggermente attiva (depolarizzata) e continui a rilasciare glutammato, un neurotrasmettitore.

Quando un fotone colpisce un bastoncello, il retinale (una molecola derivata dalla vitamina A) cambia forma. Questo cambiamento attiva una catena di reazioni: una proteina chiamata transducina attiva un enzima che abbassa la quantità di GMPc. Di conseguenza, i canali ionici si chiudono, la cellula si iperpolarizza (diventa cioè più negativa) e smette di rilasciare glutammato. Questa variazione viene trasmessa attraverso la retina fino al cervello, dove viene interpretata come informazione visiva.

Nei coni, il processo è simile, ma per attivarlo è necessaria una maggiore intensità luminosa. I coni reagiscono anche più rapidamente ai cambiamenti di luce e, grazie ai tre pigmenti diversi, permettono di distinguere i colori. Ciascun tipo di cono è sensibile a una diversa lunghezza d’onda della luce: circa 430 nm (blu), 530 nm (verde) e 560 nm (rosso).

Adattamento alla luce e al buio

Il nostro sistema visivo si adatta a diverse condizioni di luminosità. Quando si passa da un ambiente luminoso a uno buio, entra in azione l’adattamento al buio. Questo processo può richiedere fino a 30 minuti e comporta l’apertura della pupilla, la rigenerazione della rodopsina nei bastoncelli e un aumento della sensibilità alla luce. In queste condizioni, i bastoncelli diventano i principali responsabili della visione.

Quando invece si passa rapidamente da un ambiente buio a uno molto luminoso, si attiva l’adattamento alla luce. Inizialmente si può provare una sensazione di abbagliamento, ma in breve tempo i coni entrano in funzione, abbassando la sensibilità alla luce. A livello cellulare, la quantità di calcio nei fotorecettori cambia, contribuendo a regolare la risposta luminosa e a evitare la saturazione.

Tra queste due condizioni estreme esiste la visione mesopica, che si verifica in ambienti con luce intermedia, come durante il tramonto o in locali semi-illuminati. In questa situazione, sia i bastoncelli che i coni sono attivi. La sensibilità alla luce è buona, ma la percezione dei colori è ridotta rispetto alla visione fotopica.

L’occhio emmetrope

Un occhio è definito emmetrope quando, con i muscoli ciliari rilassati e il cristallino (la lente interna) appiattito, i raggi di luce paralleli provenienti da un oggetto distante vengono messi a fuoco direttamente sulla retina. La retina è lo strato di cellule fotosensibili che trasforma la luce in segnali nervosi. In un occhio emmetrope non serve alcuna accomodazione — ovvero la capacità del cristallino di modificare la sua curvatura per focalizzare oggetti a differenti distanze — per vedere nitidamente da lontano: basta un piccolo aumento di curvatura del cristallino per mettere a fuoco i vicini.

Ipermetropia

Nell’ipermetropia (o “vista lunga”), il bulbo oculare è troppo corto in direzione antero-posteriore. Senza accomodazione, i raggi paralleli si incontrano in un punto dietro la retina, e anche al massimo dell’accomodazione gli oggetti vicini restano sfocati perché il cristallino non riesce a incurvarsi abbastanza. Per risolvere questo errore refrattivo si usano lenti convesse (positive), la cui superficie bombata aumenta la rifrazione — la deviazione dei raggi di luce — spostando in avanti il punto di fuoco fin sulla retina.

Miopia

La miopia (o “vista corta”) si verifica quando il bulbo oculare è troppo lungo: i raggi paralleli convergono prima di raggiungere la retina e poi si divergono, provocando sulla retina un’immagine sfocata. In questo caso la rifrazione è eccessiva per la lunghezza del bulbo, perciò anche il massimo dell’accomodazione non migliora la visione da lontano. La correzione avviene tramite lenti concave (negative), che divergono i raggi in entrata e spostano il punto di convergenza più indietro, posizionandolo sulla retina.

Astigmatismo

L’astigmatismo è causato da una curvatura non uniforme della cornea (la parte trasparente anteriore dell’occhio che compie gran parte dell’attività rifrattiva). Se la curvatura sui meridiani orizzontale e verticale differisce, i raggi di luce vengono focalizzati in piani diversi, generando visione distorta o sfocata. La correzione si ottiene con lenti cilindriche o toriche, che hanno poteri rifrattivi differenti lungo gli assi, compensando l’irregolarità della cornea.

Presbiopia

Con l’avanzare dell’età, il cristallino subisce un processo di indurimento e perde elasticità, riducendo la capacità di accomodazione. Questa condizione, chiamata presbiopia (dal greco “occhio vecchio”), rende difficile mettere a fuoco da vicino (per esempio la lettura). Le prime soluzioni introdotte da Benjamin Franklin includevano occhiali con mezze lenti convesse per il vicino e, successivamente, lenti bifocali con la parte superiore per la visione da lontano e quella inferiore per la visione da vicino.

Tecniche di correzione chirurgica e non chirurgica

Oltre agli occhiali e alle lenti a contatto, oggi esistono diversi interventi chirurgici sulla cornea per modificare la sua rifrazione. Nella cheratotomia radiale si praticano incisioni sottili e radiali nella cornea periferica, appiattendola e riducendo la miopia. Con la cheratotomia fotorifrattiva (PRK) un laser vaporizza strati sottili della superficie corneale; nel LASIK, invece, si crea un sottile lembo corneale che viene sollevato per rimodellare la cornea dall’interno prima di riposizionarlo. Infine, esistono metodi non chirurgici basati su lenti a contatto rigide o anelli corneali in plastica, che alterano temporaneamente la forma della cornea per correggere gli errori di rifrazione senza ricorrere al bisturi.