Apprendimento: il cervello non è poi così flessibile
Mentre impariamo qualcosa l'attività dei nostri neuroni è meno flessibile del previsto e vincolata a ciò che sappiamo già fare
RICERCA – Uno dei motivi per cui perfezionare le proprie abilità richiede in genere molto tempo potrebbe essere che, quando cerchiamo di migliorare, l’attività del nostro cervello è vincolata a quello che già sappiamo fare. A dirlo è una ricerca pubblicata su Nature Neuroscience, che descrive il meccanismo neurale alla base dell’apprendimento e rivela come l’attività dei neuroni abbia più limiti di quanto immaginato finora.
Per imparare servono una buona dose di volontà e impegno, e non solo. Durante l’apprendimento i neuroni si riorganizzano, modificando il loro pattern di attività in modo da permetterci di acquisire nuove competenze o migliorare quelle che già abbiamo. Tutto quello che sappiamo fare, da parlare una lingua straniera a eccellere nello sport, dipende infatti dall’attività coordinata di gruppi di neuroni.
Anche se durante l’apprendimento i neuroni possono riorganizzarsi in molti modi diversi, Steven Chase e Byron Yu, che conducono le loro ricerche sul cervello alla Carnegie Mellon University, in Pennsylvania, e hanno diretto l’esperimento appena pubblicato, si sono concentrati solo su quelli da cui potevano prevedere la strategia neurale alla base del processo di apprendimento valutato nel loro studio. Registrando l’attività dei neuroni della corteccia motoria di tre scimmie mentre svolgevano un test che metteva alla prova le loro abilità visivo-motorie, i ricercatori hanno ipotizzato che, in termini di apprendimento, i neuroni avrebbero potuto riorganizzarsi seguendo meccanismi di riallineamento (realignment), ridimensionamento (rescaling) o riassociazione (reassociation).
Per capire quale fosse la strategia adottata dagli animali, gli scienziati hanno messo a punto un disegno sperimentale interessante. Per prima cosa hanno addestrato le scimmie a svolgere il test servendosi di un’interfaccia computer-cervello (brain-computer interface, BCI): per svolgere correttamente il compito, le scimmie dovevano muovere un cursore dal centro dello schermo verso un bersaglio laterale (per esempio dal centro verso sinistra). Ma invece di muoverlo con la mano, lo spostavano col pensiero. Nelle BCI l’attività del cervello viene trasmessa, attraverso una serie di elettrodi, a una periferica esterna, che traduce il linguaggio dei neuroni in un movimento (in questo caso lo spostamento del cursore da un punto all’altro dello schermo). Una volta che le scimmie avevano imparato ad associare un pattern di attività neurale a un movimento del cursore, Chase e Yu hanno alzato il livello di difficoltà del test, perturbando questa associazione. Per riuscire a colpire il bersaglio, le scimmie dovevano trovare la giusta combinazione fra pattern di attività neurale e spostamento del cursore nelle nuove condizioni, riuscendoci in un tempo relativamente breve (circa due ore).
“Nel nostro esperimento abbiamo usato un’interfaccia computer-cervello per creare un collegamento diretto fra l’attività dei neuroni e lo spostamento del cursore sullo schermo”, ha spiegato Steven Chase, alludendo a una delle sfide maggiori che deve affrontare chi studia le basi neurali dell’apprendimento. In questo modo Chase e colleghi sono riusciti a “mappare” le combinazioni di neuroni attivi per muovere il cursore verso destra o verso sinistra. “All’inizio abbiamo impostato una mappatura intuitiva, di modo che i neuroni attivi quando l’animale pensava “sinistra” finivano per spostare il cursore a sinistra, e così via”, ha proseguito Chase. “Quindi abbiamo distrutto queste relazioni, così che la combinazione di neuroni che fino a quel momento muoveva il cursore a sinistra, ora non lo faceva più, anzi poteva muoverlo verso l’alto o addirittura non lo muoveva affatto”.
Con una serie di analisi successive i ricercatori hanno scoperto che la strategia che meglio spiegava le nuove combinazioni apprese dalle scimmie era quella della riassociazione: i pattern di attività neurale già presenti al momento della perturbazione venivano riutilizzati per spostare il cursore in direzioni diverse da quelle precedenti. In altre parole, piuttosto che rimodulare l’attività complessiva dei neuroni creando nuovi pattern o modulare soltanto l’attività dei neuroni perturbati, le scimmie avevano adottato la soluzione meno ottimale in termini di performance, vincolandosi agli schemi preesistenti nel loro repertorio neurale.
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