Riassunto:
Quando gli esseri umani vedono il mondo, non si limitano a presentare direttamente i segnali ricevuti dai loro occhi. Le informazioni visive vengono elaborate da più aree del cervello con funzioni diverse e queste aree devono scambiarsi continuamente informazioni per formare alla fine un risultato di percezione relativamente unificato. Un nuovo studio condotto da ricercatori del Cold Spring Harbor Laboratory, dell'Università di Cambridge e dell'University College di Londra ha scoperto che il cervello può gradualmente formare un'interpretazione coerente delle stesse informazioni in diverse aree visive attraverso un meccanismo neurale simile al "raggiungimento del consenso".
Questo studio pubblicato su "Nature Neuroscience" ha utilizzato i topi come soggetti sperimentali, concentrandosi sulla corteccia visiva primaria V1 e sull'area visiva mediale laterale LM. Entrambe le aree appartengono alla corteccia visiva del cervello, ma le informazioni che sono responsabili dell'elaborazione sono diverse e tra le due esistono connessioni neurali bidirezionali, quindi non si tratta semplicemente di una trasmissione unidirezionale di informazioni da un'area all'altra.
I ricercatori hanno scoperto che quando i modelli di attività neurale nelle due aree, V1 e LM, erano coerenti tra loro, l'attività durava più a lungo; mentre quando le due aree producevano modelli di attività contrastanti, le differenze svanivano rapidamente in meno di un secondo. Ciò significa che diverse aree del cervello potrebbero non elaborare le informazioni in modo indipendente, ma potrebbero interagire tra loro per indebolire gradualmente le informazioni incoerenti pur mantenendo modelli di attività neurale reciprocamente riconosciuti.
Il team di ricerca chiama questo meccanismo "costruzione del consenso". Questo meccanismo può aiutare il cervello a integrare i dati provenienti da diverse aree neurali e diversi canali di informazione per formare una percezione complessiva coerente.
I ricercatori utilizzano le illusioni ottiche come esempio per spiegare questo problema. Quando una persona vede un oggetto sfocato in un ambiente buio, può riconoscerlo immediatamente come un volto; un'arancia può essere vista brevemente come una mela sotto certe luci e angolazioni. Il sistema visivo non si trova di fronte ad un insieme di informazioni sempre chiare e del tutto coerenti, ma richiede un coordinamento costante tra le diverse interpretazioni. Per studiare questo processo di coordinazione, i ricercatori hanno addestrato i topi a discriminare tra due modelli visivi inclinati ad angoli opposti e poi hanno premiato i topi per uno solo dei modelli. Durante l'esperimento, i ricercatori hanno spento brevemente l'attività neurale in V1 o LM mentre registravano i cambiamenti nell'altra area visiva dopo aver perso l'input dall'area del partner.
Con questi dati sperimentali, i ricercatori hanno ulteriormente creato un modello di rete neurale artificiale che rappresenta il circuito neurale tra V1 e LM. Il modello è in grado di simulare l’attività in due regioni del cervello sotto diversi stimoli visivi e testare come la connessione tra le due regioni influisce sulla durata dell’attività neurale quando vengono interferiti neuroni specifici.
I ricercatori hanno infine scoperto che la connessione bidirezionale tra V1 e LM può modificare dinamicamente lo stato di attività neurale delle due regioni. Quando i due partiti avranno modelli di attività simili, i segnali rilevanti saranno sostenuti; quando i modelli di attività delle due parti sono incoerenti, i segnali di conflitto si indeboliscono rapidamente.
Per costruire un modello più accurato, i ricercatori hanno analizzato i dati sull'attività neurale di 7 topi, inclusi 194 neuroni V1 e 228 neuroni LM. Il gruppo di ricerca ha utilizzato questi dati per costruire modelli di circuiti della regione del cervello e prevedere i cambiamenti di attività in diverse condizioni di stimolazione e intervento neurale.
I ricercatori ritengono che questo meccanismo possa spiegare un problema neuroscientifico di vecchia data: diverse aree del cervello sono altamente specializzate e ciascuna riceve ed elabora diversi tipi di informazioni, ma ciò che le persone alla fine ottengono è una visione del mondo unificata e coerente.
In altre parole, il cervello non unisce semplicemente i risultati di più regioni cerebrali, ma può consentire a diverse regioni di "negoziare" gradualmente una spiegazione comune attraverso un continuo feedback bidirezionale tra le regioni cerebrali. Piuttosto che dire che una regione del cervello ha in definitiva il potere decisionale assoluto, è meglio dire che più regioni del cervello continuano a influenzarsi a vicenda e alla fine formano uno stato comune relativamente stabile.
Tuttavia, questo studio ha osservato finora solo due aree cerebrali visive e i soggetti sperimentali erano topi. Pertanto, i ricercatori non possono dimostrare direttamente che il cervello umano utilizzi lo stesso meccanismo. L'esperimento ha anche testato la discriminazione dei topi tra diversi modelli visivi obliqui, piuttosto che le complesse illusioni visive nella vita quotidiana degli esseri umani.
Il gruppo di ricerca spera poi di determinare ulteriormente se la "costruzione del consenso" esiste in una gamma più ampia di aree della corteccia cerebrale. Se questo meccanismo non si applica solo a V1 e LM, ma funziona in generale anche tra altre aree del cervello, allora potrebbe diventare un importante quadro teorico per spiegare come il cervello integra informazioni complesse.
I ricercatori sono particolarmente preoccupati per i conflitti di informazione tra i diversi sensi. Ad esempio, quando una persona vede un oggetto muoversi in una direzione che non è coerente con l’informazione fornita da un suono che sente, come fa il cervello a decidere a quale informazione credere alla fine? Resta da studiare ulteriormente se anche i sistemi visivi, uditivi e altri sistemi sensoriali siano coordinati attraverso meccanismi neurali simili.
Se questo meccanismo di costruzione del consenso si rivelasse diffuso nella corteccia cerebrale, potrebbe anche aiutare gli scienziati a comprendere alcune situazioni in cui i sistemi neurali non riescono a fornire una spiegazione unificata. Quando diverse regioni del cervello non riescono a coordinare efficacemente le informazioni, possono verificarsi anomalie nella percezione e nella cognizione.
Questa ricerca potrebbe anche fornire nuove idee per l'intelligenza artificiale. I moderni sistemi di intelligenza artificiale sono spesso costituiti da più moduli specializzati che lavorano insieme e modelli o moduli diversi a volte producono risultati diversi o addirittura contraddittori per lo stesso input. I ricercatori ritengono che il meccanismo del cervello che conserva informazioni reciprocamente coerenti e indebolisce rapidamente le informazioni contrastanti potrebbe ispirare i sistemi di intelligenza artificiale a progettare metodi di coordinamento delle informazioni più efficaci in futuro.
La scoperta principale di questo studio non è che il cervello abbia un'unica area responsabile del "giudizio", ma che diverse aree cerebrali continuano a interagire tra loro attraverso connessioni bidirezionali, riducendo gradualmente le differenze nella dimensione temporale e rafforzando modelli di attività comuni, consentendo al sistema nervoso altamente specializzato di formare alla fine un risultato di percezione relativamente unificato.
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