L’aritmetica sorprendentemente semplice dell’olfatto

Smell The Flowers Painting by Julia Blackshaw |

Annusa una tazza di caffè. Annusalo dentro o fuori; estate o inverno; in una caffetteria con un cornetto; in una pizzeria dopo una pizza con salame piccante! il caffè odora di caffè. Perché altri odori o diversi fattori ambientali non “interferiscono”, per così dire, l’esperienza di annusare i singoli odori? 
I ricercatori della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis si sono rivolti alla loro materia di ricerca di fiducia, la locusta, per scoprirlo. Quello che hanno trovato è stato “sorprendentemente semplice”. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista  Proceedings of the National Academy of Sciences  of the United States of America. I ricercatori hanno lavorato con le locuste per anni, osservando il loro cervello e i loro comportamenti legati all’olfatto nel tentativo di progettare locuste che fiutano bombe. Lungo la strada, hanno ottenuto notevoli guadagni quando si tratta di comprendere i meccanismi in gioco quando si tratta dell’olfatto delle locuste.
Per capire come sia possibile che una locusta possa riconoscere costantemente gli odori indipendentemente dal contesto, hanno preso spunto da Ivan Pavlov. Come i cani di Pavlov, le locuste venivano addestrate ad associare un odore al cibo, preferendo un filo d’erba. Dopo un giorno senza cibo, una locusta è stata esposta a uno sbuffo di odore (uno sbuffo di esanolo o acetato di isoamile), quindi gli è stato dato un filo d’erba. In appena sei di queste presentazioni, la locusta ha imparato ad aprire i suoi palpi (appendici sensoriali vicino alla bocca) in attesa di uno spuntino dopo aver semplicemente annusato “l’odore di addestramento”. 
Proprio come noi riconosciamo il caffè, la locusta addestrata potrebbe riconoscere l’odore e non ha lasciato che altri fattori si intromettessero. A questo punto, i ricercatori hanno iniziato a guardare quali neuroni si attivavano quando la locusta era esposta all’odore in condizioni diverse, anche in combinazione con altri odori, in condizioni umide o secche, quando erano affamate o completamente nutrite, addestrate o non addestrate, e per diversi periodi di tempo. In circostanze diverse, si è scoperto che i ricercatori hanno visto che pattern neuronali altamente incoerenti venivano attivati ​​anche se i palpi delle locuste si aprivano ogni volta. 
Le risposte neurali erano molto variabili. Sembrava in contrasto con ciò che stavano facendo le locuste, dal punto di vista comportamentale. In che modo le risposte neurali variabili possono produrre un comportamento coerente o stabile? Per sondare questo, i ricercatori si sono rivolti a un algoritmo di apprendimento automatico. Volevano vedere se, dati questi modelli di risposta neurale variabili, è possibile prevedere il comportamento della locusta. La risposta è stata sì, è possibile.
L’algoritmo si è rivelato molto semplice da interpretare. Ha sfruttato due tipi funzionali di neuroni: ci sono i neuroni ON, che si attivano quando è presente un odorizzante, e ci sono i neuroni OFF, che vengono silenziati quando è presente un odorizzante ma si attivano al termine della presentazione dell’odore. Puoi pensare ai neuroni ON come a trasmettere ‘prove’ della presenza di un odore e ai neuroni OFF come ‘prove contro’ la presenza di quell’odore. Per riconoscere la presenza di un odorizzante, i ricercatori dovevano semplicemente aggiungere prove della presenza dell’odorante (cioè aggiungere i picchi su tutti i neuroni ON) e sottrarre prove contro la presenza di quell’odore (cioè aggiungere i picchi su tutti i neuroni OFF). Se il risultato fosse al di sopra di una certa soglia, l’apprendimento automatico predirebbe che la locusta ha annusato l’odore.
Sono rimasti sorpresi di scoprire che questo semplice approccio è tutto ciò che era necessario per riconoscere in modo robusto un odorizzante. Si può paragonare il processo all’acquisto di una maglietta. Supponiamo che tu abbia un elenco di qualità che stai cercando: cotone, maniche lunghe, abbottonatura, tinta unita, forse una tasca frontale per contenere gli occhiali e alcuni particolari, come solo lavaggio a secco o pois. Potresti essere fortunato e trovare una maglietta che è esattamente quello che stai cercando. Ma, più pragmaticamente, faresti un acquisto fintanto che molte delle funzionalità che stai cercando sono presenti e la maggior parte delle funzionalità che rompono gli accordi non sono presenti. Trovare le caratteristiche desiderate è simile alle informazioni veicolate dai neuroni ON. L’assenza di particolari è simile al silenziamento dei neuroni OFF. Finché si sono attivati ​​abbastanza neuroni ON che sono tipicamente attivati ​​da un odorizzante, e la maggior parte dei neuroni OFF non lo ha fatto, sarebbe una scommessa sicura prevedere che la locusta aprirà i suoi palpi in attesa di un bocconcino erboso.

Daniele Corbo

Bibliografia: “Invariant odor recognition with ON–OFF neural ensembles” by Srinath Nizampatnam et al. PNAS

Immagine: Smell The Flowers (Julia Blackshaw)

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo di WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione /  Modifica )

Connessione a %s...

Questo sito utilizza Akismet per ridurre lo spam. Scopri come vengono elaborati i dati derivati dai commenti.