Un GPS per la mente - Kataweb
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COGNIZIONE
Un GPS
per la mente
Come fa il cervello a organizzare percezioni, sensazioni e conoscenze? Secondo una
nuova teoria, crea mappe cognitive con gli stessi meccanismi con cui mappa lo spazio
di JAC O B L. S. B E L L M U N D e C H R I ST I A N F. D O E L L E R
A
bbiamo amici stretti e conoscenze mano una mappa dell’ambiente circo-
alla lontana; troviamo alcune idee stante. Così, se un topo percorre un sen-
terra terra e altre stiracchiate; gli tiero, nel suo ippocampo si attivano in
indizi suggeriscono una direzione oppu- successione, una dopo l’altra, le cellule
re un’altra; sperimentiamo picchi d’emo- corrispondenti al campo spaziale in cui
zione; toccato il fondo, possiamo solo ri- si trova l’animale in ciascun istante (si
emergere; e se le cose non vanno come veda il box a p. 82 ).
previsto, faremo un passo indietro. Nel 2005 May-Britt Moser ed Ed-
Il nostro linguaggio è costellato di me- vard Moser, dell’Università norvegese di
tafore spaziali che descrivono le nostre scienza e tecnologia a Trondheim, han-
esperienze. Sono chiare, e ognuno di noi no scoperto nella corteccia entorinale
ne coglie subito il senso. Ma perché sono un secondo tipo di cellule che codifica-
così efficaci? Davvero ci rappresentiamo no informazioni spaziali: le cellule a gri-
in mente i conoscenti alla lontana come glia (grid cell). Questi neuroni sono atti-
distanti, e un carattere espansivo come vi, oltre che in una specifica posizione
particolarmente voluminoso? nello spazio (come le cellule di posizione
In effetti, a quanto pare, il cervello or- dell’ippocampo), anche per molte altre
ganizza le esperienze e i ricordi usando posizioni diverse. Così una cellula a gri-
gli stessi circuiti neuronali con cui ela- glia si attiva nel cervello di un topo ogni
bora le rappresentazioni dello spazio. volta che l’animale si trova all’ingresso di
Questi circuiti includono, fra l’altro, par- un percorso; se il roditore percorre qual-
ti dell’ippocampo e dell’adiacente cor- che passo in avanti, quella cellula si am-
teccia entorinale, aree citate nei libri di mutolisce, per attivarsi di nuovo qualche
testo come sistemi di navigazione del centimetro più avanti. Qualunque sia la
corpo. Già nel 1971 il neuroscienziato direzione, i campi spaziali in cui si attiva
John O’Keefe, dello University College la cellula a griglia riemergono ripetuta-
di Londra, aveva scoperto nell’ippocam- mente a intervalli regolari. Su una map-
po dei topi cellule nervose che si attiva- pa, essi formano uno schema di triangoli
no ogni volta che il roditore si trova in equilateri, da cui emerge una fitta strut-
una determinata posizione nella stanza. tura a griglia. Ciascuna cellula ha quindi
Questi neuroni, le ormai celebri cellule una propria «griglia» di campi spaziali in
di posizione (place cell), comunicano co- cui si attiva, che rappresenta un sistema
stantemente ai roditori il punto in cui si di coordinate dell’ambiente.
maurusone/iStock
trovano. Questi due tipi cellulari formano – in-
Le diverse cellule di posizione si at- sieme ai neuroni che indicano l’orien-
tivano in punti specifici dello spazio, i tamento degli animali nel mondo cir-
campi spaziali, e nel loro insieme for- costante, a mo’ di bussola, e a quelli che
78 ottobre 2021
COGNIZIONE
È emerso che i neuroni del sistema di navigazione interno ceveva alcun premio. Mentre l’animale
sono flessibili: possono rappresentare una successione correva sul tappeto si misurava l’attività
di numerose cellule nervose dell’ippo-
di luoghi nello spazio o di note lungo una scala musicale campo. E in effetti i neuroni formavano
campi spaziali dedicati a istanti differen-
ti: ciascuna cellula era calibrata su un
dato momento dell’esecuzione. Mentre
registrano i confini spaziali – una re- Risultati simili sono emersi in perso- il topo attendeva sul posto correndo per
te coordinata; una sorta di GPS che per- ne il cui sguardo errava sullo schermo 16 secondi, cellule differenti dell’ippo-
mette ai roditori di spostarsi in modo mentre giacevano distese immobili nel- campo si attivavano in successione, co-
mirato e di trovare con sicurezza la stra- lo scanner per la risonanza magnetica. me se il tempo fosse un sentiero che at-
da in ambienti familiari. Nel 2014, per Evidentemente il sistema delle cellule a traversa lo spazio.
questa scoperta, John O’Keefe, May- griglia contribuisce, col semplice aiuto Anche i ricordi li sistemiamo nel-
Britt Moser ed Edvard Moser hanno ri- dei movimenti oculari, a elaborare il no- la mente in modo analogo. Poco tempo
cevuto il premio Nobel per la medicina. stro ambiente in forma di mappe visive. fa abbiamo scoperto infatti che la cor-
Anche i suoni sono rappresentati nei teccia entorinale umana codifica la lo-
L A ST R U T T U R A S PA Z I A L E cosiddetti spazi cognitivi. Lo ha scoper- ro successione temporale: eventi che ac-
DEL PENSIERO to nel 2017 il gruppo di Dmitriy Aronov, cadono in rapida successione occupano
allora alla Princeton University, nel New posizioni vicine nella mappa mentale.
Studi successivi hanno rivelato che Jersey, di nuovo nei topi. Il team ha in- Nel complesso, l’aspetto delle cose è
un sistema simile esiste anche nel cer- segnato ai roditori a spostare una pic- identificato da una particolare combi-
vello umano. Ma non è tutto. Come ha cola leva simile a un joystick, che face- nazione di caratteristiche: esistono au-
scoperto il nostro gruppo di ricerca al va partire un suono. Mentre gli animali to grandi e auto piccole, ma anche auto
Max-Planck-Institut für Kognitions- und tenevano premuta la leva, l’altezza del veloci e auto lente; il panino può essere
Neurowissenschaften, lo stesso circuito suono variava lentamente. Il compito croccante o gommoso, chiaro o scuro.
struttura in termini spaziali, oltre che la consisteva nel lasciare la presa non ap- Ogni caratteristica rappresenta una di-
nostra immagine dell’ambiente, anche pena si udiva un particolare suono ber- mensione lungo la quale si sviluppa uno
le nostre rappresentazioni e la nostra co- saglio. Se ci riuscivano, i topi ricevevano spazio cognitivo. Gli oggetti con carat-
noscenza. È quindi una parte elementa- un premio. teristiche simili risiedono molto vicini
re di molte forme del pensiero umano. Durante il test si misurava l’attività in questa mappa mentale; quelli con ca-
Ma come fanno le nostre percezioni e i neuronale nell’ippocampo e nella cor- ratteristiche molto diverse sono distan-
nostri pensieri ad assumere una struttu- teccia entorinale. Il risultato è stato sor- ti tra loro.
ra spaziale? Indizi importanti che le cel- prendente: nel tempo, alcune cellule Prendiamo per esempio animali diffe-
lule di posizione e le cellule a griglia non monitorate hanno preso a codificare la renti. Possiamo classificarli in base al pe-
si limitino a registrare la nostra posizio- sequenza di suoni ascoltata durante la NELLE MAPPE COGNITIVE, CONCETTI SIMILI PER UNA DATA so corporeo oppure alla velocità di corsa
CARATTERISTICA SONO VICINI LUNGO QUELLA DIMENSIONE
ne nello spazio derivano da studi sulla pressione della leva. Neuroni differen- o di volo. Ebbene, in una matrice bidi-
percezione visiva. L’attività delle cellu- ti dell’ippocampo rispondevano a fre- mensionale composta da queste carat-
le a griglia nella corteccia entorinale del- quenze distinte: così, durante la sequen- teristiche, una lumaca si troverebbe più
le scimmie è stata misurata con elettrodi za di suoni, cellule nervose differenti vicina a un riccio che a un elefante (si ve-
sottili mentre i primati facevano vagare si attivavano una dopo l’altra per breve da il box p. 82).
lo sguardo su alcune fotografie. È emer- tempo, per poi ammutolirsi. Ciascuna glia: avevano ripreso a codificare la posi- percepirla direttamente. Tuttavia il cer- I meccanismi fondamentali di que-
so lo stesso schema di attività a forma di formava, pertanto, un proprio «campo zione del topo nello scatolone. È emerso vello ricorre alle cellule di posizione e sto sistema di mappatura li hanno rive-
griglia che in origine aveva dato il nome spaziale» che rappresentava una data to- perciò che i neuroni del sistema di navi- alle cellule a griglia per mappare gli in- lati nel 2016, in uno studio pregevole,
G L I AU TO R I
a queste cellule. Per esempio, se la scim- nalità, anziché una posizione nello spa- gazione interno sono flessibili, e non so- tervalli temporali. Timothy Behrens e il suo team all’Uni-
mia guarda l’angolo in basso a sinistra zio. L’insieme delle cellule includeva i no destinati in esclusiva a elaborare con- Un esperimento analogo a quello sui Jacob L. S. Bellmund versità di Oxford, mostrando ai parte-
È neuroscienzato al Max-Planck-
dell’immagine si attiva una certa cellu- suoni dell’intera sequenza e mappava tenuti cartografici. suoni si è svolto come segue. Un topo si cipanti le sagome di uccelli con collo e
Institut für Kognitions- und
la a griglia; se lo sguardo vaga verso de- così il «percorso» verso il premio nello Né questi contenuti devono esse- muoveva in un labirinto a forma di otto; Neurowissenschaften di Lipsia. zampe di lunghezze differenti. Lo spazio
stra la cellula si ammutolisce, per atti- spazio cognitivo. re formati da stimoli evidenti. Studi più all’incrocio al centro, il roditore doveva cognitivo corrispondente era pertanto
varsi di nuovo poco dopo. Il punto è che, Quando poi gli animali erano libe- recenti indicano infatti che elaboria- sempre prendere, in alternativa, il ramo Christian F. Doeller definito in base alla lunghezza del collo
nel frattempo, l’animale non si è assolu- ri di gironzolare in una cassetta, alcune mo entro spazi cognitivi anche concet- sinistro oppure quello destro, per la qual È direttore del Dipartimento di e delle zampe. Oltre agli uccelli compa-
tamente mosso. Eppure, prima di que- cellule, che prima erano state addestra- ti astratti, come il tempo. Per questa di- cosa otteneva un premio. Prima di svol- psicologia in questo stesso istituto. riva anche un simbolo, come un albero
themacx/iStock
Il suo team studia i meccanismi del
sti studi si riteneva che l’attività delle cel- te allo «spazio sonoro», manifestavano mensione fondamentale della nostra tare, però, doveva correre per 16 secondi o una campana. Un uccello con un lungo
cervello umano che rendono possibile
lule a griglia dipendesse dai punti dello lo schema di attività caratteristico delle esperienza non disponiamo di un siste- su un tapis roulant, collocato nel punto il pensiero. collo e zampe corte doveva idealmente
spazio entro cui l’animale si spostava. cellule di posizione e delle cellule a gri- ma sensoriale, e quindi non possiamo dell’incrocio. In caso contrario, non ri- essere collegato all’albero, mentre uno
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COGNIZIONE
Un navigatore per il mondo della mente Spazi cognitivi
Studi recenti mostrano che il cervello usa i circuiti neurali delle cellule di
Cartografia neuronale posizione e delle cellule a griglia anche per organizzare il pensiero nei
Il cervello dei mammiferi elabora mappe mentali che rappresentano la geometria cosiddetti spazi cognitivi. Le caratteristiche di un oggetto, o di una percezione
spaziale del mondo esterno, disegnata da cellule nervose specializzate, le cui
Yousun Koh, da: Jen Christiansen/Scientific American gennaio 2016; Kiehn, O., Forssberg, H.: Scientific Background – The Brain’s Navigational Place And Grid Cell System. Illustrazioni: Mattias Karlen.
sensoriale, rappresentano una dimensione lungo cui si estende la mappa
attivazioni coordinate segnalano all’animale in quale luogo si è appena fermato. mentale. Contenuti con caratteristiche simili sono adiacenti, e contenuti con
caratteristiche diverse sono distanti. Corteccia
entorinale con
cellule a griglia
The Nobel Prize 2014 (Www.nobelprize.org/Prizes/Medicine/2014/Advanced-Information/). YOUSUN KOH, NACH: Jacob L. S. Bellmund e Christian F. Doeller. Cortesia «Gehirn & Geist»
Mappa cognitiva
bidimensionale Ippocampo
con gli animali con cellule di
Ippocampo con cellule di posizione ordinati in base
Il topo si sposta posizione
alla taglia e alla
lungo
Corteccia entorinale con cellule a griglia velocità di corsa
un percorso
o di volo.
Le cellule di posizione e a griglia
Peso corporeo
organizzano il pensiero
Cellule di posizione e cellule a griglia Luoghi dello
Ogni caratteristica nello spazio cognitivo
L’ippocampo contiene le cellule di posizione, spazio in cui si
è codificata da una specifica cellula di
che si attivano ogni volta che l’animale si attivano le cellule Cellule
posizione dell’ippocampo, come fossero le
trova in un particolare luogo nello spazio; di posizione Velocità di posizione
diverse posizioni lungo un sentiero. Nello
ogni posizione è rappresentata da una dell’ippocampo,
spazio cognitivo, una cellula a griglia della
specifica cellula. La vicina corteccia che codificano
corteccia entorinale si attiva in molti «luoghi»
entorinale contiene un altro tipo di cellule, le relative
diversi che – se collegati da linee – generano
le cellule a griglia, ciascuna delle quali caratteristiche
una struttura a griglia. Ciascun luogo equivale
si attiva in una serie di punti diversi dello Luoghi dello (ogni cerchio
pertanto a una determinata combinazione di
spazio; se si collegano tra loro questi punti, spazio in cui si rappresenta
Peso corporeo
caratteristiche.
per ogni cellula emerge una griglia di attiva una data una cellula).
triangoli equilateri collegati. cellula a griglia
Schema di attività
Le cellule a griglia nella corteccia entorinale Velocità di una singola
I lati dei triangoli di una cellula divengono più lunghi cellula a griglia
andando dall’alto (dorsale) al basso (ventrale) della corteccia
della corteccia entorinale. Nella parte più alta, una entorinale. Ogni
cellula a griglia si attiva di nuovo quando l’animale cerchio rappresenta
si è allontanato di circa 30-35 centimetri dal luogo uno dei luoghi nello
spazio cognitivo in
Peso corporeo
di attivazione precedente. Per i neuroni della parte
inferiore, invece, questa distanza è di alcuni metri. cui si attiva questa
A maglie strette A maglie larghe cellula.
Mappa mentale dell’ambiente
L’attività delle cellule a griglia genera Velocità
un sistema di coordinate dell’ambiente
circostante; le cellule di posizione registrano
invece la posizione dell’animale. Si crea così
una rappresentazione mentale dell’ambiente, Mappe mentali dei concetti
simile a una carta geografica. L’attività delle cellule a griglia e delle cellule di posizione genera
mappe mentali dei concetti, grazie alle quali organizziamo
nuove esperienze e possiamo applicare le nostre conoscenze
a situazioni nuove.
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COGNIZIONE
dal collo corto e zampe lunghe andava LETTURE
collegato alla campana. Theves S. e altri, The Hippocampus
I ricercatori hanno poi chiesto ai vo- Encodes Distances in Multidimensional
lontari di distendersi in uno scanner ce- Feature Space, in «Current Biology»,
rebrale, dove vedevano su un monitor Vol. 29, pp. 1226-1231, 2019.
un uccello le cui dimensioni variavano
Bellmund J.L.S. e altri, Mapping
lentamente. Ogni volta che la combina-
Sequence Structure in the Human
zione di lunghezza del collo e delle zam- Lateral Entorhinal Cortex, in «eLife»,
pe dell’animale corrispondeva a uno dei Vol. 8, 2019.
simboli collegati, i partecipanti doveva-
no premere un pulsante. Bellmund J.L.S. e altri, Navigating
Secondo la teoria della mappa men- Cognition: Spatial Codes for Human
Thinking, in «Science», Vol. 362, 2018.
tale, ogni combinazione di caratteristi-
che è collocata in un luogo particolare Nau M. e altri, Hexadirectional
nello spazio cognitivo. Pertanto nell’e- Coding of Visual Space in Human
sperimento le sequenze di immagini in Entorhinal Cortex, in «Nature
cui gli arti si dilatavano o si contraevano Neuroscience», Vol. 21, pp. 188-190,
corrispondevano a percorsi diversi lun- 2018.
go lo spazio cognitivo, determinati dai
Aronov D. e altri, Mapping of
rapporti che assumevano man mano la a Non-Spatial Dimension by the
lunghezza delle zampe e quella del collo Hippocampal-Entorhinal Circuit, in
e dalla direzione in cui si modificavano. «Nature», Vol. 543, pp. 719-722, 2017.
Durante i test i ricercatori misuravano
l’attività cerebrale dei volontari, analoga- Constantinescu A.O. e altri,
mente a come si fa negli studi sull’orien- Organizing Conceptual Knowledge
in Humans with a Gridlike Code, in
tamento, in cui i soggetti si orientano in IL SISTEMA DI CLASSIFICAZIONE TRAMITE SPAZI COGNITIVI CI PERMETTE
DI GENERALIZZARE LE COSE APPRESE E APPLICARLE A SITUAZIONI NUOVE «Science», Vol. 352, pp. 1464-1468,
un ambiente virtuale e variano regolar- 2016.
mente la direzione di marcia. E in effetti
la corteccia entorinale mostrava lo stes-
so schema di attività che ha nell’orienta-
mento in un ambiente reale. Il sistema
delle cellule a griglia aveva quindi crea- re quale nostro amico vorrebbe provare gre: per diverse caratteristiche somiglia più precocemente di quanto credessi- che condurci da A a B, possiamo consi-
to una mappa del nuovo spazio cogniti- più probabilmente il ristorante indiano infatti ai felini che già conosciamo, per mo. Insieme con Nikolai Axmacher e i derare i sintomi della demenza di Al-
vo. Il nostro team ha poi scoperto anche appena aperto in centro, rinomato per i esempio nella conformazione del corpo. suoi colleghi dell’Università della Ruhr zheimer da una nuova prospettiva. Se
che l’ippocampo rappresenta le distanze cibi esotici e speziati, e chi invece prefe- Così possiamo reagire in modo adeguato a Bochum, in Germania, abbiamo inda- è alterato il meccanismo stesso con cui
in questi spazi astratti. rirebbe una gustosa farinata in pizzeria. al leopardo e immaginare che, in natura, gato volontari giovani e sani, ma con fat- classifichiamo il nostro mondo interio-
Questi esperimenti indicano che le dovremmo stargli alla larga. tori di rischio ereditari per questa forma re, le conseguenze per noi saranno mol-
mappe mentali prodotte dalle cellule di L E N U OV E E S P E R I E N Z E Come sappiamo, il sistema di naviga- di demenza. In effetti, lo schema di atti- to più serie che il dimenticare ogni tanto
posizione e dalle cellule a griglia rap- zione interno è versatile e flessibile, ma vità delle loro cellule a griglia era molto gli occhiali: quel che si deteriora è il fon-
presentano un principio fondamenta- Questo sistema di classificazione assai vulnerabile. Già solo la vecchia- più debole di quello dei volontari di con- damento stesso del nostro pensiero.
le del pensiero umano: il nostro cervel- mentale ci permette anche di genera- ia sembra minare il sistema delle cellu- trollo privi di questo rischio genetico. Quando ci muoviamo nel mondo rea-
lo organizza in questo modo, oltre che lizzare le cose apprese e applicarle a si- le a griglia, come ha dimostrato un espe- La cosa è per certi versi preoccupan- le, lo facciamo in due o al massimo in tre
le percezioni dei sensi, anche i ricordi e tuazioni nuove. Per esempio, se un bim- rimento di Thomas Wolbers e del suo te, ma d’altro canto fa sperare che in fu- dimensioni. Ma il nostro pensiero non
la conoscenza in generale. Così possia- bo scopre che una mela rossa è deliziosa, team al Centro tedesco per le malat- turo queste ricerche possano aiutare a ha questo limite. Gli animali, per esem-
mo classificare le persone negli spazi co- ma un pompelmo ha un disgustoso sa- tie neurodegenerative di Magdeburgo, diagnosticare le demenze più precoce- pio, non sono classificabili solo in base al
gnitivi in base alle loro caratteristiche o Le mappe mentali prodotte pore amaro, in seguito tenderà ad assag- che hanno chiesto a giovani e anziani in mente. Del resto i test cognitivi classi- peso del corpo o alla velocità della corsa,
inclinazioni. Conosciamo individui che dalle cellule di posizione e giare una pesca rossa ma non un’aran- buone condizioni di salute di risolvere ci, che misurano per esempio le capacità ma anche alla lunghezza delle zampe, al-
amano il piccante e altri che prediligono cia, che nello spazio cognitivo si trova test di orientamento in uno scanner per mnemoniche dei pazienti, sono utilizza- la forma, alle preferenze alimentari, agli
i sapori delicati. Possiamo avere cono-
a griglia sono un principio otticamente più vicina al pompelmo che la risonanza magnetica funzionale. Eb- bili solo diversi anni dopo l’insorgenza habitat e a molte altre caratteristiche.
scenti che preferiscono i cibi della pro- fondamentale del pensiero alla mela. bene, negli anziani il tipico schema di at- della malattia. E nel frattempo le altera- Secondo la nostra nuova teoria del pen-
FabrikaCr/iStock
pria terra e altri appassionati di specia- umano: il cervello organizza Consideriamo invece diversi animali. tività a griglia nella corteccia entorinale zioni neurodegenerative del cervello so- siero, i processi mentali umani si basano
lità esotiche. In uno spazio cognitivo, le Pur non avendo mai visto un leopardo, era molto meno definito. no progredite, per lo più sottotraccia. su spazi multidimensionali. Come li rap-
persone che hanno gusti culinari simili così le percezioni dei sensi, nel nostro sistema di coordinate lo col- Anche la demenza da Alzheimer ha Da quando sappiamo che il sistema presentiamo nel cervello, lo stabiliranno
si trovano vicine. Così possiamo valuta- i ricordi e la conoscenza locheremmo vicino a un leone o una ti- tra le sue vittime il GPS cerebrale, e ben di navigazione del cervello fa molto più gli studi a venire. n
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