Il cervello usa mappe spaziali anche per idee e ricordi

Il cervello usa mappe spaziali anche per idee e ricordi

19 gennaio 2019

Una serie crescente di dati suggerisce che il cervello codifica le conoscenze astratte nello stesso
modo in cui rappresenta le posizioni nello spazio che ci circonda e in cui ci muoviamo. Alcuni
sperano addirittura che da questa linea di ricerca possa emergere una teoria della cognizione
universale, mentre per altri c’è ancora da lavorare per consolidare le conoscenze acquisite

di Jordana Cepelewicz/QuantaMagazine

Noi esseri umani abbiamo sempre sperimentato una strana – e stranamente profonda – connessione tra i mondi mentali e fisici che abitiamo, specialmente quando si tratta di memoria.

Siamo bravi a ricordare i punti di riferimento e gli ambienti, e se associamo un luogo ai nostri
ricordi, aggrapparsi a essi diventa più facile. Per ricordare lunghi discorsi, gli antichi oratori
greci e romani immaginavano di vagare attraverso palazzi della memoria pieni di ricordi. I
campioni delle moderne gare di memoria usano ancora oggi questa tecnica per collocare lunghe liste di numeri, nomi e altre informazioni.

Come diceva il filosofo Immanuel Kant, il concetto di spazio è il principio organizzativo con cui
percepiamo e interpretiamo il mondo, anche in modo astratto. Il nostro linguaggio è pieno di
metafore spaziali utili al ragionamento e alla memoria in generale, ha detto Kim Stachenfeld,
neuroscienziato della DeepMind, unazienda britannica di intelligenza artificiale.

Negli ultimi decenni, la ricerca ha dimostrato che almeno per due delle nostre facoltà, memoria e navigazione, queste metafore possono avere una base fisica cerebrale.

Una piccola struttura a forma di cavalluccio marino, lippocampo, è essenziale per entrambe queste
funzioni, e diversi dati suggeriscono che alla loro base possa esserci lo stesso schema di codifica: una forma di rappresentazione basata su una griglia.

Altri dati recenti hanno indotto alcuni ricercatori a ipotizzare che questo stesso schema di
codifica possa aiutarci a navigare in altri tipi di informazioni, tra cui immagini, suoni e concetti
astratti. Le proposte più ardite suggeriscono addirittura che questi codici a griglia potrebbero
essere la chiave per capire come il cervello elabora tutti i dettagli della conoscenza generale, della percezione e della memoria.

Amnesia ed esagoni

Il primo settembre 1953, Henry Molaison, un uomo di 27 anni che il mondo avrebbe conosciuto come
Paziente H.M., andò sotto i ferri nel tentativo rischioso, e sperimentale, di curare un caso di
epilessia molto debilitante. Un neurochirurgo rimosse lippocampo e i tessuti circostanti dal
profondo del cervello di H.M., alleviando alcuni dei suoi attacchi, ma lasciandogli inavvertitamente
unamnesia permanente. Fino alla sua morte, più di mezzo secolo dopo, H.M. non riuscì più a
codificare nuovi ricordi: né quello che aveva mangiato a colazione, né i titoli delle ultime
notizie, né lidentità dello sconosciuto a cui era stato presentato pochi minuti prima.

La storia di H.M., sebbene tragica, ha rivoluzionato la comprensione del ruolo dellippocampo nel modo in cui il cervello organizza la memoria.

Anni dopo ci fu unaltra rivoluzione incentrata sullippocampo, che è valsa un premio Nobel ai suoi
autori: la scoperta, a distanza di decenni, di due particolari tipi di cellule la cui funzione
chiarì che lippocampo ha un ruolo chiave non solo per la memoria, ma anche per le capacità di navigazione e per la rappresentazione degli spazi bidimensionali.

La prima di queste scoperte risale al 1971, quando i ricercatori provarono lesistenza di cellule di posizione, che si attivano per indicare la propria posizione attuale.

John OKeefe, un neuroscienziato dello University College di Londra, e i suoi colleghi monitorarono
lattività cerebrale di ratti che potevano muoversi liberamente in un grande recinto e osservarono
che alcuni dei loro neuroni si attivavano solo quando lanimale si trovava in parti specifiche della
gabbia. Alcuni neuroni diventavano attivi quando il ratto si annusava intorno, per esempio,
nellangolo nord-est del suo recinto, ma per il resto rimanevano silenti; altri si attivavano al
centro della gabbia. In altre parole, le cellule codificavano un senso della posizione (tu sei
qui) e tutte insieme creavano una mappa dellintero spazio. (Quando il ratto veniva collocato in
una gabbia o un ambiente diversi, queste cellule di posizione erano rimappate, codificando posizioni locali diverse.)

Quelle scoperte hanno ispirato lidea che lippocampo potesse creare e memorizzare mappe cognitive
(unidea avanzata per la prima volta dallo psicologo Edward Tolman negli anni quaranta per spiegare
come i ratti riescano a trovare nei labirinti nuove scorciatoie per ottenere ricompense) oltre a quelle spaziali.

Come minimo, lippocampo sembrava un luogo promettente per iniziare a cercare indizi di tali mappe.

Successivamente, questi lavori hanno portato una coppia di scienziati della Norwegian University of
Science and Technology, May-Britt Moser ed Edvard Moser, a interessarsi della corteccia entorinale,
situata proprio accanto allippocampo. La regione fornisce importanti input allippocampo – ed è
anche una delle prime aree del cervello a deteriorarsi nella malattia di Alzheimer, che colpisce sia
la navigazione che la memoria. Lì, i ricercatori hanno trovato quelle che hanno chiamato cellule
griglia, che gli esperti ora pensano che possano essere il candidato più convincente a mappatore cognitivo.

A differenza delle cellule di posizione, le cellule griglia non rappresentano luoghi particolari, ma
formano un sistema di coordinate che è indipendente dalla posizione. (Come risultato, sono
popolarmente note come cellule GPS.) Ogni cellula griglia si attiva in posizioni regolarmente distanziate, che formano un modello esagonale.

Immaginate che il pavimento della vostra camera da letto sia piastrellato con esagoni regolari,
tutti della stessa dimensione, e che ogni esagono sia diviso in sei triangoli equilateri. Mentre
attraversate la stanza, una delle vostre cellule griglia si accende ogni volta che raggiungete un vertice di uno qualsiasi di questi triangoli.

Diverse serie di cellule griglia formano griglie diverse: griglie con esagoni più o meno grandi,
griglie orientate in altre direzioni, griglie sfalsate luna rispetto allaltra. Insieme, le cellule
griglia mappano ogni posizione spaziale in un ambiente, e ogni particolare posizione è rappresentata da una combinazione unica di schemi di attività delle cellule griglia.

Il singolo punto in cui le varie griglie si sovrappongono dice al cervello dove deve essere il corpo.

Questo tipo di rete a griglia, o codice, costruisce un senso di spazio più intrinseco di quello
delle cellule di posizione. Mentre le cellule di posizione offrono un buon strumento di navigazione
dove ci sono punti di riferimento e altri luoghi significativi che forniscono informazioni spaziali,
le cellule griglia garantiscono uno strumento di navigazione in assenza di simili indicazioni esterne.

In effetti, i ricercatori pensano che le cellule griglia stano responsabili di ciò che è noto come
integrazione del percorso, il processo grazie al quale una persona può tenere traccia di dove si
trova nello spazio – quanto ha viaggiato da qualche punto di partenza, e in quale direzione – mentre, per esempio, è bendata.

Il codice a griglia potrebbe quindi essere una sorta di sistema metrico o di coordinate, spiega
Jacob Bellmund, neuroscienziato cognitivo che lavora al Max Planck Institut di Lipsia e al Kavli
Institute for Systems Neuroscience, in Norvegia. Con questo tipo di codice è possibile misurare le
distanze. Inoltre, grazie al modo in cui funziona, questo schema di codifica può rappresentare in modo unico ed efficiente un sacco di informazioni.

E non solo: poiché il reticolo della griglia è basato su relazioni relative, potrebbe, almeno in
teoria, non solo rappresentare molte informazioni, ma anche molti tipi diversi di informazioni. Ciò
che cattura la cellula a griglia è unistantanea dinamica della soluzione fisica più stabile, dice
György Buzsáki, neuroscienziato alla New York Universitys School of Medicine: lesagono. Forse la
natura è arrivata a questa soluzione per consentire al cervello di rappresentare, utilizzando le
cellule griglia, qualsiasi relazione strutturata, dalle mappe dei significati delle parole alle mappe dei piani futuri.

Un ruolo in espansione per le cellule griglia

Abbiamo pensato a come il macchinario dellippocampo e della corteccia entorinale potrebbe avere
uno scopo più generale, ha detto Stachenfeld. È unidea molto potente avere una rappresentazione
generale [cellula griglia] di struttura, e applicarla rapidamente alle nuove situazioni. Questo, a
sua volta, permetterebbe di comportarsi in modo più efficiente, di imparare molto più velocemente.

Dal momento che i ricercatori di solito non possono effettuare misurazioni dirette di singoli
neuroni nei soggetti durante i test, bisogna rendere più intelligente la metodologia adottata. Nel
2010, per esempio, i neuroscienziati hanno scoperto che un tipo di segnale da cercare nelle
scansioni con risonanza magnetica funzionale (fMRI) del cervello poteva essere usato come firma
indiretta dellattività delle cellule griglia. Questo segnale esadirezionale emerge nei soggetti
che navigano in un ambiente virtuale. Come si è scoperto, caratterizza anche altri compiti, alcuni spaziali, altri meno.

Uno dei primi esempi è venuto da un comportamento a metà strada tra i due: la navigazione dello
spazio visivo. Quando delle scimmie, con la testa fissa in una posizione, hanno seguito immagini
solo con gli occhi, i ricercatori hanno trovato traccia dellattività delle cellule griglia nella
corteccia entorinale. Un lavoro più recente su esseri umani ha scoperto la stessa firma
esadirezionale, e alcuni esperimenti hanno anche individuato altre proprietà più dirette del codice a griglia già osservate nei compiti di navigazione fisica.

Principi simili possono anche indirizzare il modo in cui il cervello codifica il tempo. Si è già
scoperto che lippocampo contiene cellule di posizione che in certe situazioni si comportano anche
come cellule del tempo, attivandosi per indicare istanti temporali successivi (invece che
posizioni successive nello spazio). I ratti dovevano attraversare un labirinto, una cui sezione
richiedeva che corressero sul posto su una ruota o su un tapis roulant, per un numero predeterminato
di secondi prima di poter proseguire in avanti. Durante lintervallo in cui i ratti correvano sul
posto, la loro posizione reale rimaneva costante, ma nel loro ippocampo le cellule si attivavano per
tracciare la progressione temporale: alcuni neuroni erano attivi per i secondi iniziali, altri per i
successivi e così via. La scoperta inserisce nellequazione il tempo come dimensione diversa, ha detto Bellmund.

Più di recente, alcuni lavori pubblicati su Nature la scorsa estate hanno evidenziato lesistenza
di un sistema di codifica che rappresenta in modo unico il tempo nel contesto di memorie o
esperienze. Un gruppo di ricercatori, guidati dai Moser, ha scoperto uno schema di codifica per il tempo che si estende su più scale, dai secondi alle ore.

Anche se non è stato ancora tracciato un collegamento esplicito tra lorganizzazione temporale e le
cellule griglia, gli scienziati hanno rilevato indizi di una connessione: nei ratti che corrono sul tapis roulant, per esempio, le cellule griglia segnalano il tempo trascorso.

Lanno scorso, un gruppo di scienziati della Princeton University ha aggiunto unaltra potenziale
dimensione al mix: il suono. I ricercatori hanno monitorato lattività cerebrale nei ratti che
spingevano una piccola leva per cambiare la frequenza di un suono emesso in modo che corrispondesse
a quello che avevano sentito in precedenza. Le loro osservazioni hanno suggerito che i ratti
potrebbero navigare mentalmente attraverso uno spazio acustico nella loro mente per trovare il suono desiderato.

Un esperimento effettuato nel 2016, forse il più stuzzicante di tutti, ha introdotto un contesto molto più astratto per il comportamento delle cellule griglia.

I ricercatori diretti da Timothy Behrens, neuroscienziato computazionale dellUniversità di Oxford,
hanno fatto osservare su uno schermo ad alcune persone la silhouette di un uccello le cui lunghezze
del collo, delle zampe o di entrambi venivano allungate e compresse. Nelle scansioni fMRI, in
diverse aree del cervello è emerso il segnale esadirezionale, che variava proprio come se i soggetti
del test stessero navigando in uno spazio aviario bidimensionale, dove un asse indicava la lunghezza del collo, laltro la lunghezza delle gambe.

La scoperta ha suggerito che il cervello elabora le traiettorie attraverso spazi fisici e spazi
concettuali allo stesso modo. Ora, ricercatori come Behrens, Bellmund e il neuroscienziato Christian
Doeller propongono che tutte le conoscenze possano essere mappate in questo modo, in termini di
caratteristiche di interesse, e che oggetti diversi, esperienze diverse e ricordi diversi possano essere organizzati e rintracciati con il codice a griglia.

Quali siano le dimensioni che può mappare sembra arbitrario, osserva Bellmund. La cosa
interessante è che sembra così generale in tutti gli ambiti, ma anche che il meccanismo sia preservato.

Questo lavoro, ha aggiunto Thomas Wolbers, neuroscienziato cognitivo del German Center for
Neurodegenerative Diseases, mette in discussione lidea secondo cui le cellule griglia costituiscano
semplicemente un puro segnale di localizzazione cablato e specializzato. Finora avevamo visto
allopera questo sistema solo nello spazio perché avevamo guardato solo ai compiti e ai paradigmi della navigazione, ha detto. Ma potrebbe essere onnipresente.

Il potere dellanalogia

Unarea che ha visto alcuni risultati preliminari molto suggestivi è il comportamento sociale.
Pensiamo sempre alla società in termini spaziali: ci sono scale sociali da salire, reti da costruire
ed espandere, persone che consideriamo vicine o lontane. Ora, alcuni gruppi di ricerca stanno sondando le relazioni sociali per verificare levidenza del codice a griglia.

Uno studio recente ha costruito uno spazio bidimensionale, come nellesperimento con gli uccelli: le
persone giocavano a in videogame, interagendo con i vari personaggi in modi che potevano cambiare il
loro livello di potere o di affiliazione. I ricercatori hanno scoperto che lippocampo sembrava
tracciare le posizioni dei personaggi in quello spazio, in relazione al soggetto del test. Anche se
lesperimento non ha determinato se lippocampo stesse mappando e navigando linformazione sociale
in modo reticolare, Matthew Schafer, uno specializzando alla Icahn School of Medicine del Monte
Sinai che sta lavorando al progetto, si aspetta di trovare il caratteristico segnale esadirezionale.
(Attualmente Schafer e altri stanno studiando come quella navigazione potrebbe essere disturbata o
comunque influenzata in persone con condizioni come il disturbo dello spettro autistico.)

Queste idee potrebbero rendere utile la ricerca di indizi nascosti anche in altri tipi di metafore
spaziali: dopo tutto, potrebbe esserci il contributo anche di neuroni differenti dalle cellule di
posizione e dalle cellule griglia. Ci sono cellule di direzione della testa che si attivano quando
un animale punta la testa in una particolare direzione, e cellule che indicano la velocità con cui
ci si muove nello spazio, e anche cellule di confine che rappresentano la posizione di pareti o altri confini ambientali.

Lo studio di questi neuroni in contesti più astratti potrebbe dare nuovi spunti di riflessione. Per
esempio, lattività delle cellule di confine è stata osservata non solo per i confini di uno spazio
fisico, ma anche per quelli tra eventi separati in una sequenza temporale. Questi neuroni potrebbero
avere un ruolo anche nella formazione di confini tra concetti, nella creazione cerebrale di domini
di conoscenza distinti? O ancora, le cellule di direzione della testa potrebbero aiutare a
orientarsi in un determinato argomento? Il potenziale di simili analogie è enorme.

Lo stesso vale per una migliore comprensione delle malattie e di altri stati. Wolber studia
linvecchiamento, in un articolo pubblicato di recente con i colleghi ha esaminato come cambia il
codice a griglia della navigazione spaziale nelle persone anziane. Gli scienziati hanno scoperto che
il segnale diventa meno stabile, e che la griglia fluttua tra diverse direzioni dorientamento;
inoltre, le persone con griglie meno stabili erano anche assai meno abili nel tenere traccia della
loro posizione relativa quando erano bendate e condotte lungo un percorso circolare. Wolbers
suggerisce che se il codice a griglia è usato per elaborare molti tipi di informazioni e memorie, è
possibile che una malattia che destabilizzi il sistema della griglia spaziale possa avere un effetto più generale sulla stabilità della memoria e di altre aree della cognizione.

Tuttavia, in questa fase – ha avvertito – i dati disponibili sono scarsi. Dobbiamo essere cauti.

Kate Jeffery, neuroscienziata comportamentale dellUniversity College di Londra, è daccordo. Certo,
il cervello potrebbe usare un sistema comune per codificare sia la conoscenza spaziale sia quella
non spaziale, quando questultima può essere rappresentata come variabile continua su una scala
bidimensionale. Ma è anche possibile che alcuni compiti cognitivi siano così complicati e innaturali
che per affrontarli il cervello è costretto a fare affidamento su un analogo spaziale come a una
stampella. Forse gli esperimenti sulla frequenza del suono e gli uccelli stirati hanno colto questa caratteristica, ha detto Jeffery.

Un quadro unificante

Per rafforzare ulteriormente lidea dellampia applicazione del codice a griglia, quindi, i
ricercatori sperano prima di tutto di capire in che modo queste cellule possono lavorare in più di
due dimensioni, considerato che le conoscenze di livello superiore tendono a coinvolgere ben più di
semplici coppie di qualità, come lunghezza del collo e lunghezza delle gambe, o potenza e
affiliazione. Per sondare questo aspetto si stanno studiando i pipistrelli in volo, che navigano in tre dimensioni, non in due.

Alcuni ricercatori si lanciano in affermazioni ancora più audaci. Jeff Hawkins, fondatore di
Numenta, unazienda di intelligenza delle macchine, guida un gruppo che sta lavorando
allapplicazione del codice a griglia non solo alla spiegazione delle funzioni legate alla memoria
nellippocampo, ma per capire lintera neocorteccia e, quindi, per spiegare tutta la cognizione, e
come viene modellato ogni aspetto del mondo che ci circonda. Secondo la sua teoria
dellintelligenza dei mille cervelli, ha detto, la corteccia non si limita a elaborare input
sensoriali, ma li elabora e li applica a un luogo. La prima volta che gli è venuta lidea e ha
pensato a quanto le cellule griglia potessero facilitarla, ricorda, sono saltato sulla sedia, ero così eccitato.

Immaginate di chiudere gli occhi e di avvolgere le mani attorno a un oggetto non identificato: per
esempio, una tazza di caffè. Hawkins sostiene che il cervello prende informazioni sulla posizione di
ogni pezzetto di pelle che tocca la superficie della tazza, rispetto alla tazza stessa, proprio come
il codice a griglia permette di conoscere la posizione del proprio corpo nello spazio, rispetto alla
stanza in cui ci si trova. Ogni pezzetto di pelle genera un modello indipendente di quello che
potrebbe essere toccato; tutti questi modelli sono poi incrociati per concludere che loggetto è effettivamente una tazza di caffè.

Hawkins pensa che la stessa logica si possa applicare a qualsiasi cosa in un contesto strutturato.
Tutto quello che facciamo – pianificazione, matematica, fisica, linguaggio – si baserebbe sullo
stesso principio, ha detto. Penso che ci troviamo in corrispondenza di una cuspide, e che allimprovviso avremo un nuovo paradigma per capire come funziona il cervello.

Lipotesi ha suscitato interesse tra gli altri ricercatori, che però rimangono scettici sullidea
che verranno trovate cellule griglia al di fuori delle immediate vicinanze dellippocampo, e dicono
che Hawkins e il suo gruppo devono fare ancora molta strada per dimostrare la potenza del loro modello.

Tuttavia, il modello fornisce un buon punto di partenza per pensare a come migliorare lintelligenza
artificiale. Se la struttura a griglia è davvero generale, potrebbe essere imitata per costruire macchine molto più flessibili, creative, generali e potenti.

Il settore sta appena iniziando a confrontarsi con queste nozioni. Per ora, i ricercatori continuano
a sondare lattività dellippocampo in una serie di contesti diversi, nella speranza di unificare
finalmente una volta per tutte la sua memoria e le sue funzioni di navigazione. Quando idee
concettuali e cognitive iniziano a connettersi in modo effettivo con i dati neurali di basso livello – ha detto Stachenfeld – è davvero gratificante.