Una nuova ricerca, condotta da un team di neuroscienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT), ha mostrato che per migliorare il controllo su manovre precise, il cervello utilizza i confronti tra i segnali di controllo, e non gli stessi segnali. Lo studio è scaturito dalla voglia di rispondere ad una semplice domanda: come fa il cervello a rispondere abbastanza velocemente da fermarci in un attimo?
Esperimenti sui topi per capire come fa il cervello ad arrestare il corpo all’improvviso
Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno condotto degli esperimenti sui topi facendoli correre su dei percorsi virtuali stabili. I topi sono stati infatti fatti correre su un tapis roulant in un corridoio di realtà virtuale che riproducevano n tunnel con un caratteristico motivo di luci.
Con un addestramento mirato, il topo ha imparato che fermandosi ad un semaforo e mantenendo quella posizione per 1,5 secondi, riceveva una ricompensa. Correndo poi verso un’altra serie di luci riceveva un’ulteriore ricompensa.
Attraverso l’analisi di questi esperimenti, i ricercatori hanno mostrato che il cervello non è programmato per trasmettere un comando “stop” deciso nel modo più diretto o intuitivo. Bensì impiega un sistema di segnalazione più complicato basato su principi di calcolo. Ciò può sembrare troppo complicato, ma secondo i ricercatori è un modo sorprendentemente intelligente per controllare i comportamenti che devono essere altamente precisi, più di quanto possano essere semplicemente dei comandi del cervello.
Ciò che cambia tutto è avere un obiettivo preciso
Il sistema di controllo su meccanismi semplici come camminare e correre, sono facili da descrivere. Si tratta infatti di un meccanismo semplice in cui la regione locomotoria mesencefalica (MLR) del cervello invia segnali ai neuroni nel midollo spinale, che inviano impulsi inibitori o eccitatori ai motoneuroni che governano i muscoli della gamba: Fermarsi e Andare. Ogni segnale è un picco di attività elettrica generato da una precisa serie di neuroni che si attivano.
Il meccanismo di base è dunque molto semplice, ma tutt’altra cosa è introdurre degli obiettivi come ad esempio correre fino ad un punto esatto per ricevere una ricompensa. Sappiamo da tempo che gli obiettivi assegnati prendono forma nella corteccia cerebrale del cervello. Ma ciò di cui non eravamo a conoscenza è il modo in cui il cervello trasforma un obiettivo in un segnale programmato con precisione che dice all’MLR cosa fare.
Per comprendere la risposta, i ricercatori hanno monitorato l’attività neurale nel cervello di un topo calcolando il tempo impiegato dall’animale per decelerare dalla velocità massima per poi fermarsi all’improvviso. Ciò che si aspettavano di vedere i ricercatori era un segnale inibitorio nell’MLR che comanda alle gambe di fermarsi quasi istantaneamente.
Invece il neuroscienziato Mriganka Sur ed i suoi colleghi hanno scoperto che nel cervello di un topo, un preciso comando fisico era codificato nell’intervallo tra i picchi di due segnali neurali. I ricercatori hanno infatti osservato un segnale di “arresto” che scorreva nell’MLR mentre il topo rallentava, ma non aumentava di intensità abbastanza velocemente da spiegare l’arresto improvviso del topo al segnale visivo (ad esempio il semaforo associato alla ricompensa).
Un semplice segnale di arresto del cervello sarebbe troppo lento
I ricercatori hanno dunque ipotizzato che dovesse esserci un sistema di segnalazione aggiuntivo in grado di spiegare la velocità dell’arresto del topo. Per trovarlo, hanno osservato l’anatomia del cervello del topo, osservando che tra la corteccia in cui hanno origine gli obiettivi e il MLR che controlla la locomozione si trova un’altra regione, il nucleo subtalamico (STN). Era già noto che l’STN si collega all’MLR tramite due percorsi: uno invia segnali eccitatori e l’altro invia segnali inibitori. Analizzandoli il team ha notato che l’MLR risponde all’interazione tra i due segnali piuttosto che fare affidamento sulla forza di uno dei due.
Nello specifico hanno osservato che mentre il topo in corsa si prepara a fermarsi, l’MLR riceve un segnale inibitorio dall’STN. Quasi subito dopo, riceve anche un segnale eccitatorio. Ogni segnale parte lentamente, ma il passaggio da uno all’altro è rapido, ed è a questo aspetto che l’MLR presta attenzione: registra la differenza tra i due segnali. Maggiore è la differenza, più rapido è il cambiamento nel segnale inibitorio e più rapidamente l’MLR ordina alle gambe di fermarsi.
Ecco perché il cervello usa la matematica
I ricercatori hanno espresso il meccanismo di arresto in termini di due funzioni fondamentali del calcolo: integrazione, che misura l’area sotto una curva; e derivazione, che calcola la pendenza in un punto su una curva.
Questo modello basato su calcoli del cervello ha, secondo i ricercatori, un senso strategico. Permette infatti, in modo molto veloce, di pianificare ciò che si dovrà fare (ovvero come e quando fermarsi in questo caso) in base a quanto velocemente il corpo sta accelerando o rallentando. Come spiega Sridevi Sarma, un neuroscienziato della Johns Hopkins University, questo meccanismo “ti permette di anticipare e prevedere. Se conosco la derivata, il tasso di variazione della velocità, allora posso prevedere quale sarà la mia velocità nella fase successiva. Se so che devo fermarmi, posso pianificarlo e realizzarlo.”
