I neuroni non elaborano l'intera visione, ma solo le differenze con quella in memoria

18 December 2013

La compressione dei dati nel cervello: quando la corteccia visiva primaria elabora sequenze di immagini complete ed immagini con elementi mancanti (qui i contorni verticali) "sottrae" le immagini una dall'altra. In tal modo, il cervello calcola le differenze tra le immagini. In determinate circostanze, i neuroni trasmettono queste differenze di immagine (in basso), piuttosto che l'intera informazione vista (in alto a sinistra). (Credit: Ruhr-Universität Bochum)Gli scienziati avevano finora assunto che le informazioni fornite dal senso della vista fossero trasmesse quasi nella loro interezza dall'occhio alle aree cerebrali superiori, dove si genera la sensazione visiva.

"E' stata quindi una sorpresa scoprire che i volumi di dati sono notevolmente ridotti già nella corteccia visiva primaria, il collo di bottiglia che porta al cervello", dice il PD Dr. Dirk Jancke dell'Institute for Neural Computation della Ruhr-Universität (RUB).

"Avevamo assunto intuitivamente che il nostro sistema visivo generasse un flusso continuo di immagini, proprio come una videocamera. Tuttavia, ora abbiamo dimostrato che la corteccia visiva sopprime le informazioni ridondanti (doppie, già acquisite) e consente di risparmiare energia mediante la trasmissione frequente delle differenze di immagine".

Più o meno: due strategie di codifica del cervello

I ricercatori hanno registrato le risposte dei neuroni a delle sequenze di immagini naturali, per esempio paesaggi di vegetazione o edifici. Hanno creato due versioni delle immagini: una completa e una con alcuni elementi sistematicamente rimossi, in particolare contorni verticali o orizzontali.

Se il tempo che intercorre tra le singole immagini è breve, vale a dire 30 millisecondi, i neuroni rappresentano le informazioni dell'immagine completa. Le cose cambiano quando il tempo che intercorre tra le sequenze è più lungo di 100 millisecondi. In questo caso i neuroni rappresentano solo gli elementi nuovi o mancanti, cioè le differenze di immagine.

"Quando analizziamo una scena, gli occhi eseguono mini movimenti molto veloci, per registrarla nei minimi dettagli", spiega Nora Nortmann, dottorando dell'Istituto di Scienze Cognitive all'Università di Osnabrück e del gruppo di lavoro Optical Imaging della RUB. Le informazioni in merito a questi dettagli vengono inoltrate completamente e immediatamente dalla corteccia visiva primaria. "Se, invece, il tempo che intercorre tra i cambi di sguardo è più lungo, la corteccia codifica solo gli aspetti nelle immagini che sono cambiati", continua Nora Nortmann. Così, spiccano solo alcune sezioni di immagine e i punti di interesse sono più facili da individuare, come ipotizzano i ricercatori.

"Il nostro cervello guarda costantemente nel futuro"

Questo studio illustra come le attività dei neuroni visivi sono influenzate dagli eventi passati. "I neuroni formano una memoria a breve termine che incorpora stimoli costanti", spiega Dirk Jancke. Tuttavia, se qualcosa cambia bruscamente nell'immagine percepita, il cervello genera un tipo di messaggio di errore sulla base delle immagini precedentemente acquisite.

Questi segnali non riflettono lo stimolo attuale, ma il modo in cui esso si discosta dalle aspettative. I ricercatori hanno finora ipotizzato che questa cosiddetta codifica predittiva avvenga solo in aree cerebrali superiori. "Noi dimostriamo che il principio si applica anche alle prime fasi dell'elaborazione corticale", conclude Jancke. "Il nostro cervello guarda costantemente al futuro e confronta gli stimoli attuali con le aspettative che nascono sulla base delle situazioni passate".

Osservare l'attività del cervello in millisecondi

Per monitorare le dinamiche dell'attività neuronale nel cervello in millisecondi, gli scienziati hanno usato coloranti dipendenti dal voltaggio. Tali sostanze diventano fluorescenti quando i neuroni ricevono impulsi elettrici e si attivano.

Grazie ad un sistema di telecamere ad alta risoluzione e alla successiva analisi computerizzata, l'attività neuronale può essere misurata su una superficie di diversi millimetri quadrati. Il risultato è un film, preciso in termini temporali e spaziali, dei processi di trasmissione all'interno delle reti neuronali.

Fonte: Ruhr-University Bochum.

Riferimenti: N. Nortmann, S. Rekauzke, S. Onat, P. Konig, D. Jancke. Primary Visual Cortex Represents the Difference Between Past and Present. Cerebral Cortex, 2013; DOI: 10.1093/cercor/bht318

Pubblicato in aktuell.ruhr-uni-bochum.de (> English version) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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