Ricerche

La neurologa Chrystal Reed MD/PhD del Cedars-Sinai lavora con un paziente nell'unità di monitoraggio dell'epilessia. Foto: Cedars-Sinai.

L'attività coordinata delle cellule cerebrali, come gli uccelli che volano in formazione, ci aiuta a comportarci in modo intelligente in nuove situazioni, secondo uno studio condotto da investigatori del Cedars-Sinai di Los Angeles / California. Il lavoro, pubblicato su Nature, è il primo a illuminare i processi neurologici noti come 'astrazione' e 'inferenza' nel cervello umano.

"L'astrazione ci consente di ignorare i dettagli irrilevanti e concentrarci sulle informazioni di cui abbiamo bisogno per agire, e l'inferenza è l'uso della conoscenza per fare ipotesi informate sul mondo che ci circonda", ha affermato Ueli Rutishauser PhD, professore di neuroscienze del Cedars-Sinai e autore senior dello studio. "Entrambe sono parti importanti della cognizione e dell'apprendimento".

Gli umani spesso usano insieme questi due processi cognitivi per imparare rapidamente e agire in modo appropriato in nuovi ambienti. Un esempio è un guidatore americano che noleggia un'auto a Londra per la prima volta.

"La guida inglese è sul lato destro dell'auto e sul lato sinistro della strada, l'opposto degli Stati Uniti", ha detto Rutishauser. "Per uno statunitense, guidare a Londra significa invertire molte delle regole che ha imparato e fare questo cambiamento mentale richiede astrazione per concentrarsi sulla conduzione del lato guida e fare inferenze per evitare di scontrarsi con il traffico in arrivo".

Nello studio, gli investigatori hanno lavorato con 17 pazienti ricoverati in ospedale che avevano avuto l'impianto chirurgico di elettrodi nel cervello come parte di una procedura per diagnosticare l'epilessia. In totale, i ricercatori hanno registrato lo sparo di migliaia di cellule cerebrali mentre i partecipanti svolgevano un'attività di inferenza al computer. Osservare l'attività di così tante cellule cerebrali richiedeva l'uso dell'intelligenza artificiale per estrarre le risposte rilevanti, consentendo di vedere il coordinamento tra i neuroni durante l'inferenza riuscita.

"Queste sono forme geometriche di alta dimensione che non possiamo immaginare o visualizzare su un monitor di computer", ha affermato Stefano Fusi PhD, ricercatore del Zuckerman Mind Brain Behaviouring Institute della Columbia University, coautore dello studio. "Ma possiamo usare tecniche matematiche per visualizzare le loro interpretazioni semplificate in 3D".

Durante le registrazioni, ai partecipanti sono state ripetutamente mostrate 4 immagini: una persona, una scimmia, un'auto e un'anguria. In risposta a ogni immagine, è stato chiesto loro di premere un pulsante sinistro o destro. Gli individui hanno quindi ricevuto un messaggio 'corretto' o 'errato'. Attraverso la ripetizione, i partecipanti alla fine hanno imparato la risposta corretta per ciascuna delle quattro immagini.

A quel punto, le regole del gioco sono state invertite senza che i partecipanti fossero informati e la risposta opposta per ogni immagine è stata considerata corretta. Dopo il cambio, alcuni partecipanti sono stati in grado di capire rapidamente la modifica della regola e inferire le risposte corrette senza ri-apprenderle, il che significa che hanno eseguito l'inferenza.

Gli investigatori hanno visto modelli geometrici straordinari nel cervello di quei partecipanti. Gruppi di neuroni stavano sparando insieme, proprio come gli uccelli che volavano in formazione o una folla di persone che iniziano spontaneamente un canto durante un evento sportivo. Il modo in cui i neuroni coordinavano la loro attività e codificavano le informazioni pertinenti indicava che i soggetti avevano acquisito la conoscenza concettuale necessaria per svolgere il compito. Gli investigatori non hanno visto tali schemi nel cervello dei partecipanti che non hanno avuto successo nell'uso dell'inferenza.

"Costruire la conoscenza concettuale è un aspetto importante dell'apprendimento", ha affermato Hristos Courellis PhD, ricercatore del Cedars-Sinai e primo autore dello studio. "Nel nostro studio, abbiamo identificato una base neurale di questo processo, che nella psicologia cognitiva è definita astrazione".

Alcuni soggetti inizialmente non erano in grado di trarre inferenza dall'esperienza solo con il compito. Per questi soggetti, gli investigatori hanno fornito istruzioni verbali che hanno permesso ai soggetti di inferire le risposte corrette.

"Una scoperta notevole è stata che nei partecipanti che hanno ricevuto istruzioni verbali sono emerse le stesse geometrie neurali di quelli la cui capacità di dedurre si basava sull'apprendimento esperienziale", ha affermato Adam Mamelak MD, direttore del programma di neurochirurgia funzionale e professore di neurochirurgia del Cedars-Sinai, coautore dello studio. "Questa scoperta cruciale mostra che l'input verbale può risultare in rappresentazioni neurali che altrimenti potrebbero richiedere molto tempo per essere imparate attraverso l'esperienza".

"Questo studio fornisce nuove intuizioni su come il nostro cervello ci consente di apprendere e svolgere compiti in modo flessibile e in risposta alle mutevoli condizioni ed esperienze", ha affermato Merav Sabri PhD, direttrice della BRAIN Initiative. "Queste intuizioni si basano sul corpo di conoscenze che un giorno potrebbero portarci verso interventi per le condizioni neurologiche e psichiatriche che coinvolgono deficit nella memoria e nel processo decisionale".

Una sorpresa per gli investigatori è stata la scoperta che questi particolari modelli di attività cerebrale sono emersi solo nell'ippocampo, una regione nel profondo del centro del cervello nota per essere cruciale per la formazione di nuovi ricordi a lungo termine.

"La scoperta amplia la nostra conoscenza del ruolo dell'ippocampo nell'apprendimento", ha detto Rutishauser. “Questa è la prima dimostrazione diretta del coinvolgimento dell'ippocampo umano nell'apprendimento della conoscenza astratta e del comportamento di inferenza. Molte condizioni neurologiche, tra cui l'Alzheimer, il disturbo ossessivo-compulsivo e la schizofrenia, influenzano questa regione del cervello e la nostra scoperta potrebbe aiutare a spiegare il processo decisionale alterato che vediamo in questi pazienti".