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Come il cervello rappresenta il mondo

Nel nostro cervello gli oggetti sono una rappresentazione di quanto percepiamo con vari sensi: un frutto non è solo il suo colore ma anche consistenza, odore. Come si fondono questi aspetti? Ne parliamo con il neuroscienziato Mathew Diamond

TRIESTE CITTÀ DELLA CONOSCENZA – Nel nostro cervello si crea una rappresentazione di tutti quegli oggetti che incrociamo continuamente nella vita quotidiana. Così un frutto non è solo il suo colore, forma o consistenza, né il profumo che emana quando è molto maturo; vista, tatto, olfatto, gusto, nella nostra mente il risultato è un unico concetto anche se i responsabili della sensazione sono recettori diversi, che agiscono in modo separato. Ma come si crea questa fusione e come funzionano i neuroni e le aree del cervello umano coinvolti nella “traduzione” delle esperienze sensoriali?

È uno dei filoni di ricerca del Tactile Perception and Learning Lab della SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) di Trieste, coordinato dal neuroscienziato Mathew Diamond, che ama riassumere questo lavoro di ricerca con un esempio che riguarda proprio un frutto. “Un esempio che mi piace fare è la banana: ha caratteristiche olfattive, visive e tattili ma il nostro concetto di banana comprende tutte le possibili modalità. Se noi indaghiamo nel nostro cervello chiedendoci ‘cosa è una banana?’ allora lei sarà la fusione di tutte le sue proprietà. Solo che nessuno ha ancora capito davvero come succede”.

Nome: Mathew Diamond
Luogo di nascita: Stati Uniti
Gruppo di ricerca: Tactile Perception and Learning Lab
Cosa amo di più del mio lavoro: Amo quel momento in cui per la prima volta comprendiamo un mistero scientifico, l’illuminazione su un problema che ci ha ossessionato per anni
La sfida principale del mio ambito di ricerca: Controllare la complessità data dai tanti fattori, riuscendo a isolare quello che ci interessa esaminare tenendo sotto controllo anche tutti gli altri

Di cosa si occupa il laboratorio di Tactile Perception and Learning?

Il nostro obiettivo è riuscire a comprendere e quantificare l’attività neuronale dentro il cervello che traduce un’esperienza sensoriale percettiva, ma anche la memoria di quella stessa esperienza. Quando proviamo una sensazione o la ricordiamo è grazie all’attività dei neuroni e noi stiamo cercando di capire di che attività si tratta, come identificarla e spiegare perché funziona come funziona.

Di recente avete pubblicato due studi sull’argomento – uno su Neuron e l’altro su Nature – nei quali fate luce sui meccanismi che ci permettono di combinare diversi segnali sensoriali e memorizzarli. Quali sono gli aspetti più innovativi del lavoro?

Di sicuro aver scoperto il contributo di una specifica parte della corteccia cerebrale, la corteccia parietale posteriore (CPP), che svolge compiti comportamentali sia di percezione che di cognizione. Il fatto che quest’unica area del cervello faccia due cose differenti è già di per sé una novità. Nel primo lavoro abbiamo scoperto come la CPP si trovi all’intersezione di altre regioni che sono collegate a una singola modalità percettiva – tattile, visiva, acustica… – e ricevono segnali da una famiglia unica di recettori. È proprio in questa intersezione che si crea una rappresentazione dell’oggetto, al di là delle modalità con le quali viene esplorato.

Nell’esperimento un gruppo di ratti poteva esplorare una griglia usando il tatto, la vista o entrambi i sensi. Se il ratto usa solo il tatto, attraverso le vibrisse, i neuroni rispondono in un modo. Ma se esplora usando solo la vista, quando la griglia si trova al di là di una barriera di plexiglas dunque non può toccarla, noi vediamo la stessa rappresentazione neuronale. I neuroni, dunque, codificano il mondo in un modo che non dipende dalla modalità percettive con le quali viene sperimentato. Così abbiamo anche scoperto che quando le due modalità vengono usate insieme la performance è superiore alla loro “semplice” somma. Grazie a un modello matematico chiamato inferenza bayesiana possiamo infatti sommarle e quantificare la performance, per poi confrontarla con il risultato effettivo ottenuto dai ratti: quest’ultimo è sempre superiore, il che significa che i neuroni producono una rappresentazione dell’oggetto – data dalle due modalità usate insieme – che è migliore.

Se questo era il primo, qual è il secondo ruolo della CPP?

Studiando gli stessi neuroni su altri topi, in un compito legato alla memoria a breve termine, abbiamo fatto loro confrontare due stimoli: sentivano due suoni uno dopo l’altro e dovevano dirci se il secondo era più forte del primo o meno. Gli animali svolgono benissimo questo compito, ma l’effetto di ogni prova influenza quella successiva. Mi spiego meglio: se il confronto tra i due stimoli fosse “perfetto”, terminata ogni prova il ratto dimenticherebbe quale dei due stimoli precedenti era più intenso e sarebbe così pronto per la nuova prova, pronto ad ascoltare due nuovi stimoli e valutarli. Ma il cervello non funziona così, perché il passato continua a esercitare un effetto sulla memoria attuale. In tempi molto brevi, parliamo di alcuni secondi, il primo stimolo sembra ai ratti via via più simile alla media di quelli sentiti in precedenza e produce errori. È come una sorta di interferenza, che in questo specifico caso non li aiuta ovviamente a stabilire quale dei due nuovi stimoli è più intenso. Questo effetto si chiama contraction bias ed è noto da almeno un secolo, sappiamo che la memoria si muove verso la media ma nessuno aveva individuato quale area del cervello ne fosse responsabile. Noi abbiamo bloccato l’attività della CPP e ci siamo subito resi conto che la performance dei ratti migliorava molto: il primo dei due stimoli veniva ricordato come era senza alcuna influenza da quelli precedenti. Finalmente abbiamo una buona idea di dove ha luogo il contraction bias.

Un meccanismo come questo sembra controproducente, perché nei nuovi compiti che ci troviamo davanti ci sarà sempre un’interferenza legata al passato. Ma se persiste probabilmente è anche utile in qualche circostanza?

In alcuni casi ha un effetto negativo sulla performance, ma in generale è un meccanismo adottato dal cervello perché spesso ci troviamo a dover ricordare qualcosa che ci sfugge. Così diventa utile avere, rispetto a quel ricordo o esperienza, un qualche stimolo. E lo stimolo migliore è il valore mediano. Se chiedo a qualcuno che temperatura c’era ieri a Trieste probabilmente se lo ricorda, se vado indietro di qualche giorno riesco ancora a ottenere una risposta abbastanza precisa, ma cosa accadrebbe se domandassi le temperature di marzo 2017? Probabilmente il mio interlocutore non saprebbe rispondere e l’opzione migliore in questo caso è proprio conoscere le tendenze, le medie stagionali, e rispondere con quel valore.

Il vostro modello di studio è il ratto, perché il loro sistema di vibrisse ha capacità tattili simili alla punta del dito di una mano: può spiegarci meglio questa somiglianza?

Il sistema è ovviamente diverso dal punto di vista fisico: toccando qualcosa con il dito noi abbiamo un contatto tra la pelle e l’oggetto, ma i recettori sono dispersi omogeneamente attraverso la pelle, sono un tappeto continuo. I ratti invece usano solo le vibrisse, che sono peli molto grossi e speciali perché hanno un controllo motorio, ovvero l’animale li può muovere. Alla base della vibrissa c’è un follicolo come nei nostri peli ed è ricchissimo di recettori tattili. I ratti sentono la vibrazione della vibrissa o la sua tensione e questo trasmette loro delle informazioni sull’oggetto.

📌 SAVE THE DATE: Venerdì 16 marzo a Trieste, in occasione della Brain Awareness Week, parleremo di percezione sensoriale dal tatto e dalla memoria fino a spazio e tempo, con Mathew Diamond e la neuroscienziata Domenica Bueti💡 L’appuntamento è alle ore 18 nello spazio di Trieste Città della Conoscenza, Stazione Centrale, Piazza della Libertà 8. Qui l’evento su Facebook; per ulteriori informazioni: info@triesteconoscenza.it

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Pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.    , crediti immagine Stefano Amadeo, SISSA

Eleonora Degano
Biologa di formazione, oggi giornalista e traduttrice freelance specializzata in zoologia, etologia e cognizione animale; collaboro soprattutto con l’edizione italiana di National Geographic e faccio parte della redazione di OggiScienza. Nel 2017 è uscito il mio primo libro «Animali. Abilità uniche e condivise tra le specie» pubblicato da Mondadori Università. Lo trovate qui ➡ http://amzn.to/2i2diPu

4 Commenti

  1. Parliamone un poco. Carissimo Studioso, la nostra mente apprende per immagini, o meglio per vignette, o – come è stato detto nel passato, da vari filosofi -, osserva ed apprende le “rappresentazioni del reale”. In particolare il bambino apprende “scattando delle fotografie”, cioè fissando gli occhi per 4 o 5 secondi su ciò che incontra davanti o su ciò che stimola l’apparato sensoriale, poi abbassa di volta in volta lo sguardo o si gira verso una figura parentale che lo sorveglia. Queste “fotografie”, più o meno sfocate, rimangono nella mente del bambino e via via, nel corso degli anni, restano nei ricordi ed aggregano altri particolari, soprattutto quando vengono rinforzate dal ripetersi di nuove esposizioni del bambino ad immagini visive o sensoriali similari. Il soggetto apprende anche attraverso altri sensi (gusto, olfatto, tatto, udito) gli altri aspetti della realtà, sempre in maniera molto sintetica. Intanto comincia a selezionare e ricordare mentalmente ciò che gli procura piacere e cerca di evitare ciò che produce dolore o noia. Il bambino già dalla nascita è dotato di notevole capacità mnemonica e fissa i ricordi in relazione al desiderio di sopravvivenza: per vivere, istintivamente si sforza di ricordare tutto ciò che dona benessere sensoriale. Lentamente comincia ad apprezzare il giusto calore, la giusta illuminazione e la compagnia della mamma, del padre e tutti quelli che gli fanno vezzi e ciance. Ma nel cervello, rispetto alla mente, avvengono fenomeni d’altra natura per fissare le immagini e le rappresentazioni sensoriali: dobbiamo parlare di memoria fisica, quindi di memoria chimica e di memoria di flussi elettrici, di variazioni di precorsi di flussi elettrici nella mappa neuronale. Personalmente spingo l’immaginazione e faccio l’esempio della fotografia di un diagramma del flusso sonoro di una canzone: parimenti un’immagine “mentale” nel cervello crea probabilmente un diagramma elettrico che potrebbe ora, solo in minima parte, essere rilevato, ma certamente nel prossimo futuro potrà essere individuato e “fotografato”. Le difficoltà odierne nascono dalla voglia fantastica di voler individuare nel cervello, attraverso strumenti, le parole od addirittura le idee. Ritengo invece più semplice dedicare la ricerca all’individuazione di diagrammi elettrici corrispondenti alle parole ed alle idee. In ogni caso c’è ancora molta strada da percorrere nell’elettrologia e più in particolare nell’elettrochimica.

  2. Che la CPP svolga compiti comportamentali sia di percezione che di cognizione, faccia più cose differenti e si trovi all’intersezione di altre regioni che sono collegate a una singola modalità percettiva, è cosa risaputa e evidente da tempo. Insistere su questo filone di ricerca, anche se gli argomenti vengono continuamente approfonditi, mi sembra che stia portando le neuroscienze cognitive ad un periodo di stallo, una specie di vicolo cieco dal quale si può uscire solo in retromarcia; ho l’impressione anche che i neuroscienziati stiano cercando di indagare il funzionamento del cervello partendo dalla “fine del problema” invece che dall’inizio.
    Bisognerebbe prima capire con precisione, cosa è il Sistema Nervoso e perché si è formato; se è nata prima la fibrocellula o il neurone, e soprattutto vedere il rapporto che c’è tra SN, cellula, e DNA , capire come questo riesca a dirigere l’assemblaggio del SN, differenziando e collocando specifiche cellule.
    Il SN a partire dalla sua nascita dovrebbe avere la tendenza a collegare tutte le cellule fra di loro,non solo quelle nervose, ma indirettamente anche quelle di tutto l’organismo, collaborando con il DNA nel suo assemblaggio; questa spinta innata iniziale si dovrebbe concretizzare e concludere nella formazione della corteccia cerebrale, dove al suo interno ogni singola cellula di un sistema sensoriale è in grado di interagire più o meno direttamente con tutte le altre.Ed è proprio la sofisticata organizzazione corticale ottenuta dalla fusione di una quindicina di matrici al suo interno appartenenti ad altre aree corticali e centri subcorticali, che, a livello sensoriale, permette l’interazione e la condivisione del “tutto con tutto” tra tutti i sistemi sensoriali.
    Per capire come funzioni il cervello e si percepisca la coscienza bisogna “semplicemente“, prima capire, come si forma il sistema nervoso e come durante la sua maturazione le varie aree corticali si organizzano per processare le afferenze sensoriali e poter così svolgere le funzioni assegnate loro, dell’apprendimento e della memoria.

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