Come i nostri cervelli immaginano realtà alternative

Come i nostri cervelli immaginano realtà alternative

Sei sulla strada del lavoro, quando la tua mente va avanti alla lezione che hai programmato di tenere nel pomeriggio. Riesci a provare i tuoi discorsi mentre ti avvicini all'ufficio, preparandoti per le domande che i tuoi colleghi potrebbero porre. Più tardi, mentre elimini la posta in arrivo, rimugini le opzioni per il pranzo mentre scorri all'infinito.

Questi sono solo alcuni esempi di come ogni azione che intraprendiamo nel mondo reale porti con sé anche l'azione alternativa nascosta che immaginavamo di intraprendere. Sono stati investiti notevoli sforzi di ricerca per comprendere come e perché il nostro processo decisionale attivo, ma nuove linee di evidenza ci dicono che il tempo che trascorriamo in realtà alternative serve anche a un importante scopo neurologico.

Molte parti del cervello lavorano insieme per costruire le nostre mappe mentali, ma i principali attori della navigazione spaziale sono i ippocampo, la sede della memoria nel cervello e la corteccia entorinale, che riposa adiacente al ippocampo e inoltra le informazioni generate lì ad aree di elaborazione più elevate.

Già nel 1948, fu proposto che i roditori si affidassero a diversi segnali ambientali per generare mappe per premiare i compiti di apprendimento del labirinto. Tuttavia, la natura di questa mappa e le cellule che l'hanno generata sono rimaste un mistero. Trenta anni dopo, i ricercatori hanno osservato che specifiche cellule ippocampali nei ratti sparano più frequentemente quando entrano in luoghi specifici. Sorprendentemente, i modelli di attivazione di queste reti di cellule sono stabili nel tempo, anche in assenza di segnali presenti alla loro attivazione iniziale. La scoperta di queste "cellule del luogo" descritte in modo descrittivo ha spianato la strada a un interrogatorio più preciso delle basi neurobiologiche del pathfinding.

Quando sono state scoperte le celle dei luoghi, la loro funzione proposta era quella di creare una mappa topografica one-to-one di un dato spazio. Lungo il percorso dal mondo fisico al cervello, la maggior parte delle nostre rappresentazioni sensoriali mostrano ciò che è noto organizzazione topografica. Immagina di salire in macchina e partire per parti sconosciute. Potresti fare affidamento sulla navigazione satellitare, sul GPS o su una mappa cartacea per guidarti a destinazione. Proprio come ogni punto sulla mappa corrisponde a un punto di riferimento specifico durante il viaggio, posiziona le celle ancorate a punti di riferimento specifici nell'ambiente per orientarti nello spazio.

La nostra topografia spaziale interna è più sofisticata, con cellule ippocampali che codificano rappresentazioni di stimoli, segnali o ricompense particolari nel contesto di come si comporta l'animale all'interno di quegli spazi. Ad esempio, immagina di arrivare all'aeroporto in un paese sconosciuto. Potresti avere una conoscenza generale del concetto di aeroporto, insieme a punti di riferimento visivi familiari, che ti ancorano in questo nuovo spazio. Alcune di queste informazioni sono biografiche, attingendo ai tuoi ricordi unici di altri aeroporti.

A seconda che queste esperienze siano state positive o negative, il significato emotivo di questi spazi contribuirà anche alla tua mappa personale, e tutti questi fattori si combinano per creare l'esperienza dello spazio che è molto più ricca di un semplice insieme di punti di riferimento.


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"Posiziona le cellule ancorarsi a punti di riferimento specifici nell'ambiente per orientarti nello spazio."

Studi più recenti sui primati hanno rivelato che le cellule dell'ippocampo operano in modo leggermente diverso nei cervelli dei primati rispetto ai cervelli di roditori, attivando in risposta a una serie di stimoli diversi che non sono strettamente legati alla posizione. Il lavoro in corso su topi, primati e umani ha anche stabilito che l'ippocampo non è un attore solitario. Entra nella corteccia entorinale, che trasmette informazioni sensoriali all'ippocampo e funge da ponte alla neocorteccia, dove vengono emessi molti dei nostri più sofisticati comandi cognitivi e motori.

I ricercatori hanno recentemente descritto a rete di cellule all'interno della corteccia entorinale denominate "cellule della griglia", che codificano il tuo movimento rispetto al tuo ambiente, aggiungendo un pezzo critico al puzzle della cella del posto quando si tratta di strategie di navigazione più ampie. Le reti a griglia possono tracciare più precisamente la direzione e le distanze tra gli oggetti in uno spazio, sulla base di segnali di movimento interni piuttosto che di input sensoriali dallo spazio stesso. Questi sistemi lavorano insieme per rappresentare dinamicamente gli spazi in modi che possono essere modificati dall'esperienza, incorporando in modo flessibile nuove informazioni ma consentendo anche a questi spazi di diventare familiari nel tempo.

Ma una volta che abbiamo in mente una rappresentazione di uno spazio, come possiamo decidere come interagire con esso? Ciò richiede un processo decisionale attivo e il carburante per la decisione è la ricompensa. È qui che gli attributi non spaziali dei neuroni che compongono i nostri sistemi di navigazione diventano particolarmente importanti. I ricercatori hanno scoperto, attraverso gli studi sui roditori, che il valore di ricompensa percepito o il significato di determinati oggetti in un ambiente possono spostare i modelli di fuoco delle cellule più pesantemente nella loro direzione. Un valore di ricompensa previsto più elevato associato a una data svolta o posizione in un labirinto sarebbe quindi prevedere il movimento in quella direzione. E i percorsi non scelti?

Di recente, un team di ricercatori dell'UCSF misurato il fuoco delle cellule posto ippocampale nei ratti mentre completavano le attività di navigazione spaziale. I topi sono stati collocati in un labirinto e la loro attività neurale è stata ripresa in tempo reale mentre sceglievano tra percorsi che divergevano in un punto di scelta. In questo modo, i ricercatori sono stati in grado di assegnare modelli unici di attivazione delle cellule del posto che corrispondevano a ciascun braccio del labirinto dopo che il ratto aveva fatto una scelta e ha proceduto a percorrerlo.

Sorprendentemente, quando il ratto si avvicinò al punto di scelta, ciascuna delle serie di cellule del posto che rappresentavano entrambi i bracci del labirinto sparò rapidamente in alternanza, lanciando i dadi su entrambi i possibili futuri prima che fosse fatta la scelta. Ciò significa che non solo il percorso che l'animale percorre alla fine in tempo reale, ma il possibile percorso alternativo, sono rappresentati ugualmente nello spazio neurale, fornendo una spiegazione meccanicistica per le rappresentazioni mentali del futuro.

"Il possibile percorso alternativo, sono rappresentati equamente nello spazio neurale, fornendo una spiegazione meccanicistica per le rappresentazioni mentali del futuro".

Nei roditori, gli studi di navigazione si svolgono in semplici assiemi da tavolo che non sono in grado di catturare la complessità di un ambiente reale. La realtà virtuale è diventato sempre più popolare come intrattenimento personale, ma offre anche ai ricercatori livelli senza precedenti di varietà e controllo nella ricerca sulla navigazione spaziale. Un gruppo nel Regno Unito ha utilizzato un gioco per cellulare chiamato Sea Hero Quest per registrare uno dei più grandi set di dati sul ragionamento spaziale tra gruppi di età.

Dati di gioco indica che il ragionamento spaziale può iniziare a diminuire quando abbiamo appena 19 anni e le scelte del percorso dei giocatori differivano a seconda che portassero la variante e4 del gene APOE che è stato a lungo usato come marker diagnostico clinico per la malattia di Alzheimer. Nuove strategie come queste che trasformano semplici giochi mobili in strumenti di raccolta di dati clinici potrebbero ampliare notevolmente la nostra comprensione di come progrediscono le malattie neurodegenerative e accelerare lo sviluppo di una diagnosi precoce altamente personalizzata.

Gran parte della nostra comprensione di come pensiamo al futuro è emersa dallo studio di pazienti che non possono più ricordare il passato. Sin dai primissimi giorni della neuroscienza, quando gli studi sulla lesione erano spesso gli strumenti più informativi a nostra disposizione per conoscere la funzione di diverse parti del cervello, abbiamo capito che il l'ippocampo è necessario per il richiamo della memoria.

Il danno dell'ippocampo è associato all'amnesia e al ragionamento spaziale compromesso. Ma diversi studi di riferimento hanno dimostrato che la lesione dell'ippocampo interferisce anche con la capacità di immaginare eventi ipotetici. Coerentemente, i pazienti con amnesia non solo hanno difficoltà a ricordare le recenti informazioni biografiche, ma quando richiesto possono offrire solo dichiarazioni generali sui prossimi eventi della loro vita.

La perdita di memoria è comune quando invecchiamo, ma come molti studi dimostrano, la nostra capacità di navigare nello spazio diminuisce anche con l'avanzare dell'età. Questi deficit compaiono in età precoce rispetto ad altre misure generali di compromissione cognitiva, suggerendo che alcune delle funzioni del sistema di navigazione sono uniche e operano indipendentemente da altri tipi di memoria e elaborazione delle informazioni nell'ippocampo.

Le strutture più vulnerabili nel cervello che invecchia sono quelle che codificano il movimento, come la corteccia entorinale. Anche il fuoco delle cellule posto nell'ippocampo diventa irregolare nei ratti più anziani. Significativamente, le strutture responsabili di orientarci nello spazio sono anche le più vulnerabili alla patologia della malattia di Alzheimer, indicando la compromissione della navigazione come un potenziale criterio diagnostico precoce per questa e altre condizioni neurodegenerative come la malattia di Parkinson.

Le nostre vite quotidiane sono piene di decisioni, sia consce che inconsce. Ma come rivela un crescente numero di prove, i nostri cervelli sono in grado di percorrere tanto i percorsi che scegliamo come quelli che rinunciamo.

Mentre continuiamo a conoscere le intricate relazioni tra navigazione spaziale, memoria e neurodegenerazione, potremmo scoprire che il tempo che passiamo a contemplare ciò che potrebbe essere stato è tanto importante quanto il tempo che trascorriamo attivamente nella pianificazione. E mentre il declino della funzione cognitiva è accettato come una parte normale dell'invecchiamento, mantenere queste funzioni impegnate con semplici esercizi mentali come puzzle, giochi di parole o lettura può aiutare a preservare questi percorsi neuronali. Allo stesso modo, possiamo esercitare i nostri sistemi di navigazione organizzando dei percorsi lungo i percorsi che dobbiamo ancora intraprendere. Quindi la prossima volta che ti ritrovi a lottare per riportare la tua mente al compito da svolgere, prova a lasciarlo vagare ancora un po '.

Questo articolo è originariamente apparso su Conoscendo i neuroni

Riferimenti:

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