In che modo il cervello contestualizza le decisioni? Uno studio trova una regione cerebrale inaspettatamente al lavoro

Le nostre azioni sono il risultato di complessi meccanismi cerebrali

Il processo decisionale guida le nostre azioni in risposta ad uno stimolo proveniente dal mondo esterno. Ma come avviene questo meccanismo? Gli scienziati dello Zuckerman Institute della Columbia hanno scoperto un’importante area cerebrale coinvolta nel controllo e nella pianificazione nei modelli animali.

Prendere decisioni é una questione di testa

I meccanismi cerebrali sono sistemi talmente complessi che non possono essere semplicemente descritti come una semplice associazione tra richiesta, risposta sensoriale e motoria. Le funzioni cognitive infatti sfruttano processi contingenti e gerarchici tipici del processo decisionale e del controllo esecutivo.

Quando dobbiamo scegliere come reagire ad uno stimolo siamo portati a scegliere una strategia e non un’altra o decidere ancora se rimandare il comportamento ad un momento successivo. Questo perché le azioni umane si basano sulle informazioni acquisite in diversi contesti e tempi.

I meccanismi neurali che codificano e regolano le decisioni sono stati individuati principalmente nella corteccia parietale e prefrontale nei primati non umani.

Gli studi si sono concentrati in particolar modo su popolazioni di neuroni in grado di esprimere risposte su scale temporali e lunghi in funzioni come:

• la memoria di lavoro (Funahashi et al., 1989)
• la pianificazione (Cisek & Kalaska, 2005)
• l’attivazione comportamentale (Harvey et al., 2012)
• identificazione dello stimolo (Freedman & Assad, 2006)
• ragionamento (Gold & Shadlen, 2007)

La comprensione dei circuiti neurali ha suscitato maggiore interesse nelle cognizioni elementari nei topi per le quali abbondano gli strumenti genetici e virali per la manipolazione dei circuiti (Carandini & Churchland, 2013).

La sfida é quella di trovare patterns comportamentali dei modelli animali in grado di fornire maggiori indicazioni sulle funzioni cognitive di ordine superiore.

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Lo studio sui meccanismi cognitivi nei modelli animali

I meccanismi cognitivi permettono di codificare le informazioni sensoriali per poter produrre una risposta comportamentale. Per studiare questo processo la ricerca di Zhu et al. (2020) ha voluto analizzare la corrispondenza tra stimolazione olfattiva e risposta nei topi per comprendere come possano esistere reazioni diverse partendo dalle informazioni del contesto.

A tal proposito l’animale veniva esposto ad un campione di odori al quale segue un ordine specifico con un breve ritardo. Per poter ricevere una ricompensa il topo deve essere in grado di discriminare la risposta corretta tra odori di destra o di sinistra utilizzando la lingua. Il test sulla “corrispondenza ritardata a campione” prevede in che modo l’animale utilizzi le aree cerebrali deputate alla percezione degli odori per decidere verso quale direzione leccare.

La registrazione delle popolazioni di neuroni ha permesso di identificare le aree responsabili della codifica e dell’associazione match/non match. Secondo Svoboda et al. (2018) l’area della corteccia premotoria (ALM) é essenziale per guidare i comportamenti in cui uno stimolo sensoriale funge da istruzione (come l’odore del campione).

A tal proposito Michael Shadlen, PhD e co-autore dello studio, ha affermato:

“Osservare questo processo nell’area motoria del cervello dei topi ci avvicina alla comprensione della funzione cognitiva di cellule e circuiti cerebrali”.

Le decisioni frutto dei meccanismi cognitivi comportano quindi tre processi elementari:

• il mantenimento delle informazioni su scale temporali differenti prima di una risposta
• l’associazione delle stesse informazioni con risposte diverse
• l’associazione della stessa risposta ma con informazioni differenti

Il primo processo richiede pianificazione e memoria di lavoro (Fuster, 1973) mentre gli altri prevedono flessibilità e regolazione delle indicazioni dipendenti dal contesto verso output appropriati.

Lo stimolo target attiva quindi popolazioni di neuroni selettivi che svolgerebbero da modello standard in grado di riattivarsi successivamente (Amit & Brunel, 1997).

Il dottor Ashok Litwin-Kumar, PhD, ha aggiunto:

“Eravamo convinti che la regione del cervello olfattivo degli animali dovesse gestire da sola l’elaborazione del profumo e fornire informazioni utili all’ALM per poi guidare la risposta della lingua. I dati invece hanno confermato come il primo sia un indizio contestuale in grado di innescare l’ALM solo in risposta al secondo odore”.

Secondo questo modello l’ALM sarebbe di mantenere una rappresentazione persistente dell’odore del campione utile per guidare la decisione finale. Un meccanismo molto simile alle situazioni in cui un essere umano decide di muoversi a seconda del contesto in cui si ritrova utilizzando le informazioni già a sua disposizione.

Il Dr. Wu ha inoltre testato la possibile responsabilità di altre aree disattivando l’ALM poco prima che venisse emesso il secondo odore e riattivandolo in tempo per la risposta.

Secondo la previsione del dottor Shadlen questo cortocircuito non dovrebbe aver inficiato il mantenimento dell’informazione nel sistema olfattivo. I risultati hanno invece dimostrato come l’ALM sia fondamentale per decidere la corrispondere tra stimolo target e risposta spingendo gli studiosi a ripensare in modo significativo al funzionamento cerebrale.

In conclusione gli studi hanno fatto una scoperta controintuitiva nella quale un’area premotoria svolge un ruolo critico nel processo decisionale tra due stimoli sensoriali. L’obiettivo futuro non sarà solo quello di identificare le caratteristiche dello stimolo ma secondo quali criteri agiamo in determinate situazioni. Unire le conoscenze su neuroni, circuiti e comportamenti utilizzando i linguaggi della biologia e della matematica potrà aiutare gli studiosi a comprendere i meccanismi alla base di comportamenti nel mondo del lavoro, dell’educazione e delle relazioni.

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Fonti:

Amit D.J., Brunel N., (1997). Model of global spontaneous activity and local structured activity during delay periods in the cerebral cortex. Cereb. Cortex 7, 237–252.

Cisek P., Kalaska J.F., (2005). Neural correlates of reaching decisions in dorsal premotor cortex: Specification of multiple direction choices and final selection of action. Neuron 45, 801– 814.

The Zuckerman Institute at Columbia University. "How does the brain put decisions in context? Study finds unexpected brain region at work." ScienceDaily. ScienceDaily, 27 February 2020.