I nostri cervelli usano vari frame di riferimento, noti anche come sistemi di coordinate, per rappresentare il movimento degli oggetti in una scena. Alcuni sistemi di coordinate sono più utili di altri per rappresentare le informazioni. Per rappresentare una posizione sulla Terra, ad esempio, potremmo usare un sistema di coordinate centrato sulla Terra come latitudine e longitudine. In un tale sistema di coordinate centrato sulla Terra, una posizione, come la tua casa, è costante nel tempo. Ma potresti anche rappresentare dove vivi come posizione relativa al sole usando un sistema di coordinate centrato sul sole. Un tale sistema non sarebbe chiaramente utile per le persone che cercano di trovare dove vivi, poiché il tuo indirizzo in coordinate centrate sul sole cambierebbe continuamente mentre la Terra ruota rispetto al sole. Il cervello umano affronta lo stesso problema di rappresentare le informazioni con i sistemi di coordinate appropriate e di trasferire tra i sistemi di coordinate per guidare le tue azioni. Questo in parte perché le informazioni sensoriali sono codificate in diversi frame di riferimento: le informazioni visive sono inizialmente codificate rispetto all’occhio con coordinate centrate sull’occhio, le informazioni uditive sono inizialmente codificate rispetto alla testa con coordinate centrate sulla testa, e così via. Un insieme interessante di calcoli deve avvenire nel cervello affinché questi segnali sensoriali possano essere combinati per consentire a una persona di percepire un’intera scena. Ma come fanno i neuroni a rappresentare oggetti in diversi frame di riferimento mentre ci si sposta in un ambiente? In un articolo pubblicato sulla rivista Nature Neuroscience , i ricercatori dell’Università di Rochester, hanno esaminato come i neuroni nel cervello rappresentino il movimento di un oggetto mentre anche l’osservatore si sta muovendo. In particolare, i ricercatori hanno studiato il modo in cui gli osservatori giudicano il movimento di un oggetto rispetto alla testa dell’osservatore o rispetto al mondo. Le loro scoperte – che i neuroni in una specifica regione del cervello sono più flessibili nel passaggio da un quadro di riferimento all’altro – offrono importanti informazioni sul funzionamento interno del cervello e potrebbero essere potenzialmente utilizzate in protesi e terapie neuronali per trattare i disturbi cerebrali. Immagina di giocare a calcio. Se stai correndo e vuoi dirigere la palla, dovresti calcolare la traiettoria del movimento della palla rispetto alla tua testa in modo da poter entrare in contatto tra la tua testa e la palla. Sarebbe pertanto utile un sistema di coordinate centrato sulla testa. In alternativa, se stai correndo e guardando il tuo compagno di squadra calciare la palla verso la porta, dovrai calcolare la traiettoria della palla relativa all’obiettivo per determinare se il tuo compagno di squadra ha segnato o meno. Ciò richiederebbe un sistema di coordinate centrato sul mondo poiché l’obiettivo è fissato rispetto al mondo. A seconda dell’attività svolta, il cervello deve rappresentare il movimento degli oggetti in diversi sistemi di coordinate per avere successo. La grande domanda è: come fa il cervello a fare questo? I ricercatori volevano determinare se il cervello deve passare da neuroni diversi che hanno ciascuno un diverso quadro di riferimento fisso, ad esempio il passaggio tra neuroni centrati sulla testa e neuroni centrati sul mondo, oppure se i neuroni sono flessibili e aggiornano i loro quadri di riferimento secondo alle esigenze istantanee del compito di rappresentare il movimento dell’oggetto. I ricercatori hanno addestrato i soggetti a giudicare il movimento degli oggetti con coordinate centrate sulla testa o centrate sul mondo e per passare da una prova all’altra sulla base di un errore. I ricercatori hanno registrato segnali dai neuroni in due diverse aree del cervello e hanno scoperto che i neuroni nell’area intraparietale ventrale (VIP) del cervello hanno una proprietà notevole: le loro risposte al movimento degli oggetti cambiano a seconda del compito. Cioè, i neuroni non hanno strutture di riferimento fisse, ma invece si adattano in modo flessibile alle esigenze dell’attività e cambiano di conseguenza le loro strutture di riferimento. I neuroni in VIP rappresenteranno il movimento dell’oggetto in coordinate centrate sulla testa quando i soggetti sono tenuti a segnalare il movimento dell’oggetto in relazione alla loro testa. Rappresentano il movimento dell’oggetto in coordinate centrate sul mondo quando al soggetto è stato richiesto di riportare il movimento dell’oggetto rispetto al mondo. Poiché i neuroni hanno risposte così flessibili, ciò significa che il cervello può semplificare notevolmente il processo di trasmissione delle informazioni necessarie per guidare le azioni. Questo è il primo studio a dimostrare che i neuroni possono rappresentare in modo flessibile informazioni spaziali, come il movimento di oggetti, in diversi sistemi di coordinate in base alle istruzioni fornite al soggetto. Ciò significa che il cervello può decodificare – o” leggere “informazioni da questa singola popolazione di neuroni ed essere in grado di disporre delle informazioni necessarie per entrambe le situazioni. L’area VIP si trova nel lobo parietale del cervello e riceve input da sensi visivi, uditivi e vestibolari (orecchio interno). Questo è il primo studio a testare strutture di riferimento flessibili, quindi l’area VIP è l’unica area nota per avere questa proprietà. I ricercatori sospettano, tuttavia, che anche i neuroni in altre aree del cervello possano avere questa proprietà. La ricerca offre importanti informazioni sul funzionamento interno del cervello e potenzialmente potrebbe essere utilizzata per applicazioni come protesi neurali, in cui l’attività cerebrale viene utilizzata per controllare arti o veicoli artificiali. Per realizzare una protesi neurale efficace, si desidera raccogliere segnali dalle aree cerebrali che sarebbero più utili e flessibili per eseguire attività di base. Se questi compiti comportano l’intercettazione di oggetti in movimento, ad esempio, attingere segnali da VIP potrebbe essere un modo per far funzionare una protesi in modo efficiente per una varietà di compiti che implicherebbero il giudicare il movimento rispetto alla testa o al mondo. Sebbene questa ricerca non sia attualmente collegata a uno specifico disturbo del cervello, i ricercatori hanno precedentemente scoperto che la capacità degli esseri umani di acquisire informazioni sensoriali e inferire quali eventi nel mondo hanno causato quell’input sensoriale – un’abilità nota come inferenza causale – è compromessa in disturbi come come autismo e schizofrenia. Nel lavoro in corso e futuro, stanno studiando i meccanismi neurali di questo processo di inferenza causale in modo più dettagliato, usando compiti correlati che coinvolgono le interazioni tra movimento dell’oggetto e auto-movimento.

Daniele Corbo

Bibliografia: “Flexible coding of object motion in multiple reference frames by parietal cortex neurons”. by Ryo Sasaki, Akiyuki Anzai, Dora E. Angelaki & Gregory C. DeAngelis.
Nature Neuroscience

Immagine: soccer match 1 (Vincenzo Rappa)