Come il cervello riesce ad adeguarsi a contesti con regole diverse

Rules are Broken (Elizabeth Elkin)
Rules are Broken (Elizabeth Elkin)

La flessibilità cognitiva – la capacità del cervello di passare da regole o piani di azione diversi a seconda del contesto – è fondamentale per molte delle nostre attività quotidiane. Ad esempio, immagina di guidare su un’autostrada a 130 Km all’ora. Quando esci in una strada locale, ti accorgi che la situazione è cambiata e devi rallentare. Quando ci muoviamo tra diversi contesti come questo, il nostro cervello tiene in mente più gruppi di regole in modo che possa passare a quello appropriato quando necessario. Queste rappresentazioni neurali delle regole del compito sono mantenute nella corteccia prefrontale, la parte del cervello responsabile dell’azione di pianificazione. Un nuovo studio del MIT, pubblicato su Naure Neuroscience, ha rilevato che una regione del talamo è la chiave del processo di passaggio tra le regole richieste per diversi contesti. Questa regione, chiamata talamo mediodorsale, sopprime le rappresentazioni che non sono attualmente necessarie. Tale soppressione protegge anche le rappresentazioni come una memoria a breve termine che può essere riattivata quando necessario. Sembra un modo per passare da contesti irrilevanti e rilevanti, e un vantaggio è che protegge le rappresentazioni attualmente irrilevanti da essere sovrascritte. Studi precedenti hanno scoperto che la corteccia prefrontale è essenziale per la flessibilità cognitiva e che anche una parte del talamo chiamato talamo mediodorsale contribuisce a questa capacità. In uno studio del 2017 pubblicato su Nature, i ricercatori hanno dimostrato che il talamo mediodorsale aiuta la corteccia prefrontale a mantenere un pensiero in mente rafforzando temporaneamente le connessioni neuronali nella corteccia prefrontale che codificano quel particolare pensiero. Nel nuovo studio, invece hanno voluto approfondire la relazione tra il talamo mediodorsale e la corteccia prefrontale. Per farlo, hanno creato un compito in cui i topi imparano a spostarsi avanti e indietro tra due contesti diversi, uno in cui devono seguire istruzioni visive e uno in cui devono seguire le istruzioni uditive. In ogni prova, i topi ricevono sia un bersaglio visivo (lampo di luce a destra o sinistra) e un bersaglio uditivo (un tono che spazia da alto a basso, o viceversa). Questi obiettivi offrono istruzioni contrastanti. Uno dice al topo di andare a destra per ottenere una ricompensa; l’altro dice di andare a sinistra. Prima che inizi ogni prova, ai topi viene dato un segnale che indica loro se seguire il bersaglio visivo o uditivo. L’unico modo per l’animale di risolvere il problema è quello di tenere a mente lo spunto per l’intero ritardo, fino a quando gli obiettivi sono assegnati. I ricercatori hanno scoperto che l’input talamico è necessario affinché i topi passino con successo da un contesto all’altro. Quando hanno soppresso il talamo mediodorsale durante il periodo di spicco di una serie di prove in cui il contesto non è cambiato, non c’è stato alcun effetto sulle prestazioni. Tuttavia, se hanno soppresso il talamo mediodorsale durante il passaggio in un contesto diverso, i topi hanno impiegato molto più tempo per passare. Registrando dai neuroni della corteccia prefrontale, i ricercatori hanno scoperto che quando veniva soppresso il talamo mediodorsale, la rappresentazione del vecchio contesto nella corteccia prefrontale non poteva essere disattivata, rendendo molto più difficile passare al nuovo contesto. Oltre ad aiutare il cervello a passare da un contesto all’altro, questo processo sembra anche aiutare a mantenere la rappresentazione neurale del contesto che non è attualmente in uso, in modo che non venga sovrascritto. Ciò consente di essere attivato di nuovo quando necessario. I topi potrebbero mantenere queste rappresentazioni su centinaia di prove, ma il giorno dopo, hanno dovuto reimparare le regole associate a ciascun contesto. I risultati potrebbero aiutare a guidare lo sviluppo di migliori algoritmi di intelligenza artificiale. Il cervello umano è molto bravo nell’imparare diversi tipi di compiti: cantare, camminare, parlare, ecc. Tuttavia, le reti neurali (un tipo di intelligenza artificiale basata su nodi interconnessi simili ai neuroni) di solito sono bravi a imparare solo una cosa. Queste reti sono soggette a un fenomeno chiamato “oblio catastrofico”: quando cercano di apprendere un nuovo compito, i compiti precedenti vengono sovrascritti. Ora i neuroscienziati sperano di applicare le loro scoperte per migliorare la capacità delle reti neurali di memorizzare attività precedentemente apprese mentre imparano a eseguirne di nuove.

Daniele Corbo

Bibliografia: “Thalamic regulation of switching between cortical representations enables cognitive flexibility” by Rajeev V. Rikhye, Aditya Gilra & Michael M. Halassa in Nature Neuroscience. Published November 19 2018.

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