Approfondita la comprensione di come le informazioni sensoriali e le scelte comportamentali sono intrecciate all'interno della corteccia cerebrale, lo strato esterno del cervello che modella la nostra percezione cosciente del mondo
L’attività dei neuroni nelle aree sensoriali a volte varia con le scelte imminenti nei compiti decisionali. Tuttavia, la prevalenza, l’origine causale e il ruolo funzionale dell’attività legata alla scelta rimangono controversi. Comprendere la logica circuitale dei segnali decisionali nelle aree sensoriali richiederà la comprensione della loro specificità laminare, ma non sono state ancora eseguite registrazioni simultanee dell'attività neurale attraverso gli strati corticali nei compiti di discriminazione a scelta forzata.
Senti uno squillo del telefono o un cane che abbaia. È tuo o di qualcun altro? Senti dei passi nella notte: è tuo figlio o un intruso? Amico o nemico? La decisione che prenderai determinerà quale azione intraprendere dopo. I ricercatori della Fondazione Champalimaud hanno fatto luce su ciò che potrebbe accadere nel nostro cervello in momenti come questi, e ci portano un passo avanti verso la svelatura del mistero di come il cervello traduce le percezioni in azioni.
Ogni giorno prendiamo innumerevoli decisioni basate sui suoni senza pensarci due volte. Ma cosa succede esattamente nel cervello in questi casi? Un nuovo studio del Renart Lab, pubblicato su Current Biology (1), analizza questi meccanismi. Le loro scoperte approfondiscono la nostra comprensione di come le informazioni sensoriali e le scelte comportamentali sono intrecciate all'interno della corteccia, lo strato esterno del cervello che modella la nostra percezione cosciente del mondo.
La corteccia è divisa in regioni che gestiscono diverse funzioni: le aree sensoriali elaborano le informazioni provenienti dal nostro ambiente, mentre le aree motorie gestiscono le nostre azioni. Sorprendentemente, segnali relativi ad azioni future, che ci si aspetterebbe di trovare solo nelle aree motorie, compaiono anche in quelle sensoriali. Cosa ci fanno i segnali legati al movimento nelle regioni dedicate all’elaborazione sensoriale? Quando e dove emergono questi segnali? L’esplorazione di queste domande potrebbe chiarire l’origine e il ruolo di questi segnali sconcertanti e il modo in cui guidano o meno le decisioni.
Un approccio diverso
I ricercatori hanno affrontato queste domande ideando un compito per i topi. Il dottor Raphael Steinfeld (2), autore principale dello studio, riprende la storia: «Per svelare quali segnali relativi alle azioni future potrebbero essere emessi nelle aree sensoriali, abbiamo pensato attentamente al compito che i topi avrebbero dovuto svolgere. Gli studi precedenti si basavano spesso su compiti “Go-NoGo”, in cui gli animali riportavano la loro scelta eseguendo un’azione o non muovendosi, a seconda dell’identità dello stimolo. Questa impostazione, tuttavia, confonde i segnali legati a movimenti specifici con quelli relativi al semplice movimento in generale. Per isolare i segnali per azioni specifiche, abbiamo addestrato i topi a decidere tra una delle due azioni. Dovevano decidere se un suono era alto o basso rispetto ad una soglia stabilita e segnalare la loro decisione leccando uno dei due beccucci, a destra o a sinistra».
Tuttavia, ciò non era sufficiente. «I topi imparano rapidamente questo compito, spesso rispondono non appena sentono il suono», continua Steinfeld. «Per separare l’attività cerebrale legata al suono da quella legata alla risposta, abbiamo introdotto un ritardo critico di mezzo secondo. Durante questo intervallo i topi hanno dovuto rimangiarsi la loro decisione. Fondamentalmente, questo ritardo ci ha permesso di separare temporalmente l’attività cerebrale legata allo stimolo da quella legata alla scelta, e di monitorare come i segnali neurali legati al movimento si sono dispiegati nel tempo a partire dall’input sensoriale iniziale. Per analizzare le rappresentazioni neurali dello stimolo e della scelta, era anche importante progettare un esperimento abbastanza impegnativo da consentire ai topi di commettere errori. Una percentuale di successo del 100% offuscherebbe la distinzione tra stimolo e scelta, poiché ogni stimolo susciterebbe sempre la stessa risposta. Creando il potenziale di errore, potremmo separare la codifica neurale del suono dalle decisioni prese».
Ad esempio, nei casi in cui i topi sentivano lo stesso tono ma prendevano decisioni diverse (corrette o sbagliate), potevano esaminare se l’attività di un neurone variava tra le due azioni. Se così fosse, ciò indicherebbe che il neurone ha codificato l’informazione sulla scelta.
Connessioni profonde
Dopo sei mesi di addestramento rigoroso, i ricercatori hanno finalmente potuto iniziare a registrare l’attività neurale nei topi mentre eseguivano il compito. Si sono concentrati sulla corteccia uditiva, la parte della corteccia responsabile dell'elaborazione di ciò che sentiamo, che come avevano già dimostrato era necessaria per il compito.
«La corteccia dei topi e degli esseri umani è composta da sei strati, ciascuno con funzioni specializzate e connessioni distinte con altre regioni del cervello», spiega il dottor Alfonso Renart (3), ricercatore principale e autore senior dello studio. Dato che alcuni strati tipicamente ricevono informazioni sensoriali dalle regioni del cervello, mentre altri inviano input ai centri motori, abbiamo registrato simultaneamente l’attività attraverso gli strati della corteccia uditiva, per la prima volta in un compito come il nostro, in cui i segnali sensoriali e motori potevano essere nettamente separati. Abbiamo scoperto che i segnali sensoriali e legati alle scelte mostravano modelli spaziali e temporali distinti. I segnali relativi al rilevamento del suono apparivano rapidamente ma svanivano rapidamente, svanendo circa 400 millisecondi dopo la presentazione del suono e venivano distribuiti ampiamente su tutti gli strati corticali. Al contrario, i segnali legati alla scelta, che indicano il movimento imminente del topo, emergono più tardi, prima che la decisione venga eseguita, e si concentrano negli strati più profondi della corteccia».
Tuttavia, nonostante la separazione temporale tra stimolo e attività di scelta, un’ulteriore analisi ha rivelato una connessione intrigante: i neuroni che rispondevano a una specifica frequenza del suono tendevano anche ad essere più attivi per le azioni associate a quei suoni. Come spiega Steinfeld, «Ad esempio, un neurone che reagisce alle alte frequenze potrebbe attivarsi di più per una leccata verso destra in un topo e per una leccata verso sinistra in un altro, a seconda di come ciascuno è stato addestrato, poiché abbiamo invertito la contingenza dell’azione sonora. Questa variabilità tra i diversi animali mostra che l'attività non è cablata ma si adatta attraverso l'esperienza. Questi neuroni imparano ad aumentare la loro attività per qualunque azione sia appropriata in base alla loro frequenza sonora preferita».
Origine e ruolo dei segnali di scelta
Quindi, quale potrebbe essere l’origine di questi segnali di scelta nella corteccia uditiva? «È interessante notare che», spiega Renart, «i primi segnali sensoriali nella corteccia uditiva non sembrano predire la scelta finale dei topi, e i segnali di scelta emergono molto più tardi. Ciò suggerisce che i segnali sensoriali nella corteccia uditiva non causano direttamente le azioni dei topi e che i segnali di scelta che osserviamo sono probabilmente calcolati altrove nelle regioni cerebrali superiori coinvolte nella pianificazione o nell'esecuzione dei movimenti, che poi inviano il loro feedback alla corteccia uditiva».
Ma se questi segnali di movimento non dettano le azioni, che ruolo potrebbero svolgere? «Forse servono principalmente a integrare e trasmettere informazioni. Ad esempio, questi segnali potrebbero regolare la percezione del cervello per allinearla con una decisione in corso, migliorando la stabilità di ciò che percepiamo. In alternativa, potrebbero preparare il cervello ai risultati sensoriali attesi dalle azioni, come il rumore prodotto dal movimento, garantendo che le nostre esperienze sensoriali corrispondano ai nostri movimenti».
Tuttavia, queste ipotesi restano da verificare. «Ci si potrebbe chiedere, se i segnali sensoriali della corteccia uditiva non informano direttamente le scelte, e i segnali di scelta che osserviamo non sono effettivamente prodotti da essa, allora qual è esattamente lo scopo della corteccia uditiva?», riflette Renart. «Potremmo ipotizzare che la corteccia uditiva sia più interessata alla costruzione di un'esperienza cosciente del suono che alla trasformazione senso-motoria, ma questa è un'altra storia».
Tuttavia, un ruolo causale non può essere escluso, soprattutto perché gli strati più profondi della corteccia uditiva trasmettono informazioni allo striato posteriore, parte del centro di controllo del cervello per abitudini e movimenti. Gli studi futuri mireranno a individuare le origini precise di questi segnali di movimento e se sono effettivamente causali rispetto al comportamento. Per ora, possiamo aggiungere un altro pezzo al puzzle di come il cervello converte la percezione in azione e dei meccanismi interni in azione la prossima volta che senti dei passi nella notte.
Riferimenti:
(3) Alfonso Renart
Descrizione foto: Rappresentazione astratta del cervello che converte gli stimoli sonori in movimenti. - Credit: Hedi Young.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: “What was that?” — How Brains Convert Sounds to Actions