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 Cervello usa mappe spaziali per idee e ricordi
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Inserito il - 22/01/2019 : 10:15:22  Mostra Profilo  Rispondi Quotando
Il cervello usa mappe spaziali anche per idee e ricordi

19 gennaio 2019

Una serie crescente di dati suggerisce che il cervello codifica le conoscenze astratte nello stesso modo in cui rappresenta le posizioni nello spazio che ci circonda e in cui ci muoviamo. Alcuni sperano addirittura che da questa linea di ricerca possa emergere una teoria della cognizione universale, mentre per altri c'è ancora da lavorare per consolidare le conoscenze acquisite

di Jordana Cepelewicz/QuantaMagazine

Noi esseri umani abbiamo sempre sperimentato una strana - e stranamente profonda - connessione tra i mondi mentali e fisici che abitiamo, specialmente quando si tratta di memoria.

Siamo bravi a ricordare i punti di riferimento e gli ambienti, e se associamo un luogo ai nostri ricordi, aggrapparsi a essi diventa più facile. Per ricordare lunghi discorsi, gli antichi oratori greci e romani immaginavano di vagare attraverso “palazzi della memoria” pieni di ricordi. I campioni delle moderne gare di memoria usano ancora oggi questa tecnica per “collocare” lunghe liste di numeri, nomi e altre informazioni.

Come diceva il filosofo Immanuel Kant, il concetto di spazio è il principio organizzativo con cui percepiamo e interpretiamo il mondo, anche in modo astratto. “Il nostro linguaggio è pieno di metafore spaziali utili al ragionamento e alla memoria in generale”, ha detto Kim Stachenfeld, neuroscienziato della DeepMind, un’azienda britannica di intelligenza artificiale.

Negli ultimi decenni, la ricerca ha dimostrato che almeno per due delle nostre facoltà, memoria e navigazione, queste metafore possono avere una base fisica cerebrale.

Una piccola struttura a forma di cavalluccio marino, l’ippocampo, è essenziale per entrambe queste funzioni, e diversi dati suggeriscono che alla loro base possa esserci lo stesso schema di codifica: una forma di rappresentazione basata su una griglia.

Altri dati recenti hanno indotto alcuni ricercatori a ipotizzare che questo stesso schema di codifica possa aiutarci a navigare in altri tipi di informazioni, tra cui immagini, suoni e concetti astratti. Le proposte più ardite suggeriscono addirittura che questi codici a griglia potrebbero essere la chiave per capire come il cervello elabora tutti i dettagli della conoscenza generale, della percezione e della memoria.

Amnesia ed esagoni

Il primo settembre 1953, Henry Molaison, un uomo di 27 anni che il mondo avrebbe conosciuto come “Paziente H.M.”, andò sotto i ferri nel tentativo rischioso, e sperimentale, di curare un caso di epilessia molto debilitante. Un neurochirurgo rimosse l’ippocampo e i tessuti circostanti dal profondo del cervello di H.M., alleviando alcuni dei suoi attacchi, ma lasciandogli inavvertitamente un’amnesia permanente. Fino alla sua morte, più di mezzo secolo dopo, H.M. non riuscì più a codificare nuovi ricordi: né quello che aveva mangiato a colazione, né i titoli delle ultime notizie, né l’identità dello sconosciuto a cui era stato presentato pochi minuti prima.

La storia di H.M., sebbene tragica, ha rivoluzionato la comprensione del ruolo dell’ippocampo nel modo in cui il cervello organizza la memoria.

Anni dopo ci fu un’altra rivoluzione incentrata sull’ippocampo, che è valsa un premio Nobel ai suoi autori: la scoperta, a distanza di decenni, di due particolari tipi di cellule la cui funzione chiarì che l’ippocampo ha un ruolo chiave non solo per la memoria, ma anche per le capacità di navigazione e per la rappresentazione degli spazi bidimensionali.

La prima di queste scoperte risale al 1971, quando i ricercatori provarono l’esistenza di “cellule di posizione”, che si attivano per indicare la propria posizione attuale.

John O’Keefe, un neuroscienziato dello University College di Londra, e i suoi colleghi monitorarono l’attività cerebrale di ratti che potevano muoversi liberamente in un grande recinto e osservarono che alcuni dei loro neuroni si attivavano solo quando l’animale si trovava in parti specifiche della gabbia. Alcuni neuroni diventavano attivi quando il ratto si annusava intorno, per esempio, nell’angolo nord-est del suo recinto, ma per il resto rimanevano silenti; altri si attivavano al centro della gabbia. In altre parole, le cellule codificavano un senso della posizione (“tu sei qui”) e tutte insieme creavano una mappa dell’intero spazio. (Quando il ratto veniva collocato in una gabbia o un ambiente diversi, queste cellule di posizione erano “rimappate”, codificando posizioni locali diverse.)

Quelle scoperte hanno ispirato l’idea che l’ippocampo potesse creare e memorizzare “mappe cognitive” (un’idea avanzata per la prima volta dallo psicologo Edward Tolman negli anni quaranta per spiegare come i ratti riescano a trovare nei labirinti nuove scorciatoie per ottenere ricompense) oltre a quelle spaziali.

Come minimo, l’ippocampo sembrava un luogo promettente per iniziare a cercare indizi di tali mappe.

Successivamente, questi lavori hanno portato una coppia di scienziati della Norwegian University of Science and Technology, May-Britt Moser ed Edvard Moser, a interessarsi della corteccia entorinale, situata proprio accanto all’ippocampo. La regione fornisce importanti input all’ippocampo - ed è anche una delle prime aree del cervello a deteriorarsi nella malattia di Alzheimer, che colpisce sia la navigazione che la memoria. Lì, i ricercatori hanno trovato quelle che hanno chiamato cellule griglia, che gli esperti ora pensano che possano essere il candidato più convincente a “mappatore cognitivo”.

A differenza delle cellule di posizione, le cellule griglia non rappresentano luoghi particolari, ma formano un sistema di coordinate che è indipendente dalla posizione. (Come risultato, sono popolarmente note come cellule GPS.) Ogni cellula griglia si attiva in posizioni regolarmente distanziate, che formano un modello esagonale.

Immaginate che il pavimento della vostra camera da letto sia piastrellato con esagoni regolari, tutti della stessa dimensione, e che ogni esagono sia diviso in sei triangoli equilateri. Mentre attraversate la stanza, una delle vostre cellule griglia si accende ogni volta che raggiungete un vertice di uno qualsiasi di questi triangoli.

Diverse serie di cellule griglia formano griglie diverse: griglie con esagoni più o meno grandi, griglie orientate in altre direzioni, griglie sfalsate l’una rispetto all’altra. Insieme, le cellule griglia mappano ogni posizione spaziale in un ambiente, e ogni particolare posizione è rappresentata da una combinazione unica di schemi di attività delle cellule griglia.

Il singolo punto in cui le varie griglie si sovrappongono dice al cervello dove deve essere il corpo.

Questo tipo di rete a griglia, o codice, costruisce un senso di spazio più intrinseco di quello delle cellule di posizione. Mentre le cellule di posizione offrono un buon strumento di navigazione dove ci sono punti di riferimento e altri luoghi significativi che forniscono informazioni spaziali, le cellule griglia garantiscono uno strumento di navigazione in assenza di simili indicazioni esterne.

In effetti, i ricercatori pensano che le cellule griglia stano responsabili di ciò che è noto come integrazione del percorso, il processo grazie al quale una persona può tenere traccia di dove si trova nello spazio - quanto ha viaggiato da qualche punto di partenza, e in quale direzione - mentre, per esempio, è bendata.

“Il codice a griglia potrebbe quindi essere una sorta di sistema metrico o di coordinate”, spiega Jacob Bellmund, neuroscienziato cognitivo che lavora al Max Planck Institut di Lipsia e al Kavli Institute for Systems Neuroscience, in Norvegia. “Con questo tipo di codice è possibile misurare le distanze”. Inoltre, grazie al modo in cui funziona, questo schema di codifica può rappresentare in modo unico ed efficiente un sacco di informazioni.

E non solo: poiché il reticolo della griglia è basato su relazioni relative, potrebbe, almeno in teoria, non solo rappresentare molte informazioni, ma anche molti tipi diversi di informazioni. “Ciò che cattura la cellula a griglia è un’istantanea dinamica della soluzione fisica più stabile”, dice György Buzsáki, neuroscienziato alla New York University’s School of Medicine: “l’esagono”. Forse la natura è arrivata a questa soluzione per consentire al cervello di rappresentare, utilizzando le cellule griglia, qualsiasi relazione strutturata, dalle mappe dei significati delle parole alle mappe dei piani futuri.

Un ruolo in espansione per le cellule griglia

“Abbiamo pensato a come il macchinario dell’ippocampo e della corteccia entorinale potrebbe avere uno scopo più generale”, ha detto Stachenfeld. “È un’idea molto potente avere una rappresentazione generale [cellula griglia] di struttura, e applicarla rapidamente alle nuove situazioni”. Questo, a sua volta, permetterebbe di “comportarsi in modo più efficiente, di imparare molto più velocemente”.

Dal momento che i ricercatori di solito non possono effettuare misurazioni dirette di singoli neuroni nei soggetti durante i test, bisogna rendere più intelligente la metodologia adottata. Nel 2010, per esempio, i neuroscienziati hanno scoperto che un tipo di segnale da cercare nelle scansioni con risonanza magnetica funzionale (fMRI) del cervello poteva essere usato come firma indiretta dell’attività delle cellule griglia. Questo segnale “esadirezionale” emerge nei soggetti che navigano in un ambiente virtuale. Come si è scoperto, caratterizza anche altri compiti, alcuni spaziali, altri meno.

Uno dei primi esempi è venuto da un comportamento a metà strada tra i due: la navigazione dello spazio visivo. Quando delle scimmie, con la testa fissa in una posizione, hanno seguito immagini solo con gli occhi, i ricercatori hanno trovato traccia dell’attività delle cellule griglia nella corteccia entorinale. Un lavoro più recente su esseri umani ha scoperto la stessa firma esadirezionale, e alcuni esperimenti hanno anche individuato altre proprietà più dirette del codice a griglia già osservate nei compiti di navigazione fisica.

Principi simili possono anche indirizzare il modo in cui il cervello codifica il tempo. Si è già scoperto che l’ippocampo contiene cellule di posizione che in certe situazioni si comportano anche come “cellule del tempo”, attivandosi per indicare istanti temporali successivi (invece che posizioni successive nello spazio). I ratti dovevano attraversare un labirinto, una cui sezione richiedeva che corressero sul posto su una ruota o su un tapis roulant, per un numero predeterminato di secondi prima di poter proseguire in avanti. Durante l’intervallo in cui i ratti correvano sul posto, la loro posizione reale rimaneva costante, ma nel loro ippocampo le cellule si attivavano per tracciare la progressione temporale: alcuni neuroni erano attivi per i secondi iniziali, altri per i successivi e così via. La scoperta “inserisce nell’equazione il tempo come dimensione diversa”, ha detto Bellmund.

Più di recente, alcuni lavori pubblicati su “Nature” la scorsa estate hanno evidenziato l’esistenza di un sistema di codifica che rappresenta in modo unico il tempo nel contesto di memorie o esperienze. Un gruppo di ricercatori, guidati dai Moser, ha scoperto uno schema di codifica per il tempo che si estende su più scale, dai secondi alle ore.

Anche se non è stato ancora tracciato un collegamento esplicito tra l’organizzazione temporale e le cellule griglia, gli scienziati hanno rilevato indizi di una connessione: nei ratti che corrono sul tapis roulant, per esempio, le cellule griglia segnalano il tempo trascorso.

L’anno scorso, un gruppo di scienziati della Princeton University ha aggiunto un’altra potenziale dimensione al mix: il suono. I ricercatori hanno monitorato l’attività cerebrale nei ratti che spingevano una piccola leva per cambiare la frequenza di un suono emesso in modo che corrispondesse a quello che avevano sentito in precedenza. Le loro osservazioni hanno suggerito che i ratti potrebbero navigare mentalmente attraverso uno “spazio acustico” nella loro mente per trovare il suono desiderato.

Un esperimento effettuato nel 2016, forse il più stuzzicante di tutti, ha introdotto un contesto molto più astratto per il comportamento delle cellule griglia.

I ricercatori diretti da Timothy Behrens, neuroscienziato computazionale dell’Università di Oxford, hanno fatto osservare su uno schermo ad alcune persone la silhouette di un uccello le cui lunghezze del collo, delle zampe o di entrambi venivano allungate e compresse. Nelle scansioni fMRI, in diverse aree del cervello è emerso il segnale esadirezionale, che variava proprio come se i soggetti del test stessero navigando in uno “spazio aviario” bidimensionale, dove un asse indicava la lunghezza del collo, l’altro la lunghezza delle gambe.

La scoperta ha suggerito che il cervello elabora le traiettorie attraverso spazi fisici e spazi concettuali allo stesso modo. Ora, ricercatori come Behrens, Bellmund e il neuroscienziato Christian Doeller propongono che tutte le conoscenze possano essere mappate in questo modo, in termini di caratteristiche di interesse, e che oggetti diversi, esperienze diverse e ricordi diversi possano essere organizzati e rintracciati con il codice a griglia.

“Quali siano le dimensioni che può mappare sembra arbitrario”, osserva Bellmund. “La cosa interessante è che sembra così generale in tutti gli ambiti, ma anche che il meccanismo sia preservato”.

Questo lavoro, ha aggiunto Thomas Wolbers, neuroscienziato cognitivo del German Center for Neurodegenerative Diseases, mette in discussione l’idea secondo cui le cellule griglia costituiscano semplicemente “un puro segnale di localizzazione” cablato e specializzato. “Finora avevamo visto all’opera questo sistema solo nello spazio perché avevamo guardato solo ai compiti e ai paradigmi della navigazione”, ha detto. “Ma potrebbe essere onnipresente.”

Il potere dell’analogia

Un’area che ha visto alcuni risultati preliminari molto suggestivi è il comportamento sociale. Pensiamo sempre alla società in termini spaziali: ci sono scale sociali da salire, reti da costruire ed espandere, persone che consideriamo “vicine” o “lontane”. Ora, alcuni gruppi di ricerca stanno sondando le relazioni sociali per verificare l’evidenza del codice a griglia.

Uno studio recente ha costruito uno spazio bidimensionale, come nell’esperimento con gli uccelli: le persone giocavano a in videogame, interagendo con i vari personaggi in modi che potevano cambiare il loro livello di potere o di affiliazione. I ricercatori hanno scoperto che l’ippocampo sembrava tracciare le posizioni dei personaggi in quello spazio, in relazione al soggetto del test. Anche se l’esperimento non ha determinato se l’ippocampo stesse mappando e navigando l’informazione sociale in modo reticolare, Matthew Schafer, uno specializzando alla Icahn School of Medicine del Monte Sinai che sta lavorando al progetto, si aspetta di trovare il caratteristico segnale esadirezionale. (Attualmente Schafer e altri stanno studiando come quella navigazione potrebbe essere disturbata o comunque influenzata in persone con condizioni come il disturbo dello spettro autistico.)

Queste idee potrebbero rendere utile la ricerca di indizi nascosti anche in altri tipi di metafore spaziali: dopo tutto, potrebbe esserci il contributo anche di neuroni differenti dalle cellule di posizione e dalle cellule griglia. Ci sono cellule di direzione della testa che si attivano quando un animale punta la testa in una particolare direzione, e cellule che indicano la velocità con cui ci si muove nello spazio, e anche cellule di confine che rappresentano la posizione di pareti o altri confini ambientali.

Lo studio di questi neuroni in contesti più astratti potrebbe dare nuovi spunti di riflessione. Per esempio, l’attività delle cellule di confine è stata osservata non solo per i confini di uno spazio fisico, ma anche per quelli tra eventi separati in una sequenza temporale. Questi neuroni potrebbero avere un ruolo anche nella formazione di confini tra concetti, nella creazione cerebrale di domini di conoscenza distinti? O ancora, le cellule di direzione della testa potrebbero aiutare a orientarsi in un determinato argomento? Il potenziale di simili analogie è enorme.

Lo stesso vale per una migliore comprensione delle malattie e di altri stati. Wolber studia l’invecchiamento, in un articolo pubblicato di recente con i colleghi ha esaminato come cambia il codice a griglia della navigazione spaziale nelle persone anziane. Gli scienziati hanno scoperto che il segnale diventa meno stabile, e che la griglia fluttua tra diverse direzioni d’orientamento; inoltre, le persone con griglie meno stabili erano anche assai meno abili nel tenere traccia della loro posizione relativa quando erano bendate e condotte lungo un percorso circolare. Wolbers suggerisce che se il codice a griglia è usato per elaborare molti tipi di informazioni e memorie, è possibile che una malattia che destabilizzi il sistema della griglia spaziale possa avere un effetto più generale sulla stabilità della memoria e di altre aree della cognizione.

Tuttavia, “in questa fase - ha avvertito - i dati disponibili sono scarsi. Dobbiamo essere cauti.”

Kate Jeffery, neuroscienziata comportamentale dell’University College di Londra, è d’accordo. Certo, il cervello potrebbe usare un sistema comune per codificare sia la conoscenza spaziale sia quella non spaziale, quando quest’ultima può essere rappresentata come variabile continua su una scala bidimensionale. Ma è anche possibile che alcuni compiti cognitivi siano così complicati e innaturali che per affrontarli il cervello è costretto a fare affidamento su un analogo spaziale come a una stampella. Forse gli esperimenti sulla frequenza del suono e gli uccelli “stirati” hanno colto questa caratteristica, ha detto Jeffery.


Un quadro unificante

Per rafforzare ulteriormente l’idea dell’ampia applicazione del codice a griglia, quindi, i ricercatori sperano prima di tutto di capire in che modo queste cellule possono lavorare in più di due dimensioni, considerato che le conoscenze di livello superiore tendono a coinvolgere ben più di semplici coppie di qualità, come lunghezza del collo e lunghezza delle gambe, o potenza e affiliazione. Per sondare questo aspetto si stanno studiando i pipistrelli in volo, che navigano in tre dimensioni, non in due.

Alcuni ricercatori si lanciano in affermazioni ancora più audaci. Jeff Hawkins, fondatore di Numenta, un’azienda di intelligenza delle macchine, guida un gruppo che sta lavorando all’applicazione del codice a griglia non solo alla spiegazione delle funzioni legate alla memoria nell’ippocampo, ma per capire l’intera neocorteccia e, quindi, per spiegare tutta la cognizione, e come viene modellato ogni aspetto del mondo che ci circonda. Secondo la sua “teoria dell’intelligenza dei mille cervelli”, ha detto, “la corteccia non si limita a elaborare input sensoriali, ma li elabora e li applica a un luogo”. La prima volta che gli è venuta l’idea e ha pensato a quanto le cellule griglia potessero facilitarla, ricorda, “sono saltato sulla sedia, ero così eccitato”.

Immaginate di chiudere gli occhi e di avvolgere le mani attorno a un oggetto non identificato: per esempio, una tazza di caffè. Hawkins sostiene che il cervello prende informazioni sulla posizione di ogni pezzetto di pelle che tocca la superficie della tazza, rispetto alla tazza stessa, proprio come il codice a griglia permette di conoscere la posizione del proprio corpo nello spazio, rispetto alla stanza in cui ci si trova. Ogni pezzetto di pelle genera un modello indipendente di quello che potrebbe essere toccato; tutti questi modelli sono poi incrociati per concludere che l’oggetto è effettivamente una tazza di caffè.

Hawkins pensa che la stessa logica si possa applicare a qualsiasi cosa in un contesto strutturato. “Tutto quello che facciamo - pianificazione, matematica, fisica, linguaggio - si baserebbe sullo stesso principio”, ha detto. “Penso che ci troviamo in corrispondenza di una cuspide, e che all’improvviso avremo un nuovo paradigma per capire come funziona il cervello.”

L’ipotesi ha suscitato interesse tra gli altri ricercatori, che però rimangono scettici sull’idea che verranno trovate cellule griglia al di fuori delle immediate vicinanze dell’ippocampo, e dicono che Hawkins e il suo gruppo devono fare ancora molta strada per dimostrare la potenza del loro modello.

Tuttavia, il modello fornisce un buon punto di partenza per pensare a come migliorare l’intelligenza artificiale. Se la struttura a griglia è davvero generale, potrebbe essere imitata per costruire macchine molto più flessibili, creative, generali e potenti.

Il settore sta appena iniziando a confrontarsi con queste nozioni. Per ora, i ricercatori continuano a sondare l’attività dell’ippocampo in una serie di contesti diversi, nella speranza di unificare finalmente una volta per tutte la sua memoria e le sue funzioni di navigazione. “Quando idee concettuali e cognitive iniziano a connettersi in modo effettivo con i dati neurali di basso livello - ha detto Stachenfeld - è davvero gratificante.”

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(L'originale di questo articolo è stato pubblicato il 14 gennaio 2019 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)
https://www.quantamagazine.org/the-brain-maps-out-ideas-and-memories-like-spaces-20190114/?mc_cid=cd6e6f6b03&mc_eid=06c7d3ce83


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