Il Tuo Cervello Ha un GPS per le Azioni: Scopri le Mappe Cognitive Motorie

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa di affascinante che sta emergendo dalle neuroscienze: l’idea che il nostro cervello non usi “mappe” solo per orientarsi nello spazio, ma anche per decidere… cosa fare! Sembra fantascienza, vero? Eppure, le prove iniziano ad accumularsi, e mettono in discussione alcune idee consolidate su come funzionano memoria e azione.

Pensateci un attimo: ogni giorno compiamo innumerevoli azioni, dalle più semplici come afferrare una tazza, alle più complesse come guidare nel traffico o usare un nuovo software. Spesso, dobbiamo scegliere tra diverse opzioni, valutando quale azione ci porterà al risultato desiderato. Come fa il cervello a gestire questa complessità in modo efficiente?

Il Problema della Scelta: Troppe Opzioni!

Le teorie classiche suggeriscono che impariamo associazioni tra un’azione specifica e il suo risultato. Ad esempio, premere l’interruttore (azione) accende la luce (risultato). Ma cosa succede quando le associazioni sono arbitrarie e cambiano a seconda del contesto? Pensate a usare un distributore automatico in una città straniera: la sequenza di tasti per ottenere un biglietto è totalmente arbitraria e va imparata.

Se il cervello usasse una semplice “tabella di ricerca” per collegare ogni possibile azione a ogni possibile risultato, diventerebbe incredibilmente lento e inefficiente cercare l’opzione giusta, specialmente considerando l’enorme repertorio di azioni umane e la necessità di aggiornare continuamente queste associazioni. Servirebbe un sistema più furbo, più flessibile.

L’Ipotesi Affascinante: Mappe Cognitive per le Azioni

Ed è qui che entra in gioco la nostra idea: e se il cervello organizzasse le relazioni tra diverse azioni e i loro risultati in una sorta di mappa astratta? Una “mappa cognitiva”, appunto. Questo concetto non è nuovo: sappiamo da tempo che l’ippocampo e la corteccia entorinale (due aree cerebrali cruciali per la memoria) creano mappe spaziali dell’ambiente che ci circonda. Negli ultimi anni, si è scoperto che queste stesse aree potrebbero creare mappe anche per concetti più astratti, come le relazioni sociali o le caratteristiche di oggetti.

La nostra domanda, quindi, è stata: può questo stesso meccanismo di “mappatura” essere utilizzato anche per organizzare e selezionare le azioni? E se sì, come interagisce questo sistema di mappe con le aree motorie del cervello, quelle che poi pianificano ed eseguono i movimenti?

Un Esperimento Immersivo: Imparare Azioni in Realtà Virtuale

Per indagare queste domande, abbiamo ideato un esperimento un po’ particolare, combinando la realtà virtuale (VR) immersiva con la risonanza magnetica funzionale (fMRI), che ci permette di vedere quali aree del cervello si attivano.

Abbiamo chiesto a 46 partecipanti di immergersi in un ambiente virtuale per tre giorni. Seduti a un tavolo virtuale (che corrispondeva a quello reale), avevano di fronte due joystick virtuali. Il loro compito era imparare ad associare movimenti specifici di questi joystick (ad esempio, muovere il joystick 1 a destra e il joystick 2 in avanti) a due tipi di risultati legati a una palla virtuale lanciata verso di loro da una catapulta:

• La probabilità di riuscire a prendere la palla (controllata dal Joystick 1).
• La probabilità che la palla rimanesse visibile durante tutto il suo tragitto (controllata dal Joystick 2).

Queste associazioni erano arbitrarie e diverse per ogni partecipante, quindi non c’era una logica fisica da seguire, bisognava proprio impararle sperimentando. Ogni combinazione di azioni (una per joystick) corrispondeva a un punto in uno “spazio astratto” bidimensionale definito da queste due probabilità (prendere/vedere). Per aiutare i partecipanti a orientarsi in questo spazio astratto, abbiamo introdotto dei “punti di riferimento” (landmark): sei specifiche combinazioni di azioni producevano una palla di un colore unico (blu, verde, rosso, ecc.), mentre tutte le altre combinazioni davano una palla grigia.

Dopo due giorni di allenamento in VR, in cui i partecipanti esploravano queste associazioni e imparavano a scegliere le azioni giuste per ottenere determinati risultati (ad esempio, “scegli un’azione che aumenti la probabilità di prendere la palla ma diminuisca la sua visibilità rispetto alla palla blu”), li abbiamo messi nello scanner fMRI.

I Risultati Comportamentali: Una Mappa Mentale Emerge

Prima ancora di guardare il cervello, abbiamo verificato se i partecipanti avessero effettivamente organizzato le loro conoscenze in modo relazionale, come una mappa. Abbiamo chiesto loro di valutare, su una scala, quanto fossero simili due diverse combinazioni di azioni (o due palle colorate) in base ai loro risultati associati.

Ebbene sì! Le valutazioni di somiglianza date dai partecipanti corrispondevano molto bene alla “distanza” effettiva tra quelle azioni/palle nel nostro spazio astratto bidimensionale. Più due combinazioni di azioni erano vicine nello spazio astratto (cioè producevano risultati simili), più i partecipanti le giudicavano simili. Questo suggeriva fortemente che avessero costruito una struttura mentale organizzata, una vera e propria mappa cognitiva delle associazioni azione-risultato.

Dentro il Cervello: Le Firme Neurali della Mappa

A questo punto, eravamo pronti a cercare le prove neurali nel cervello durante la sessione fMRI. Mentre erano nello scanner, i partecipanti eseguivano compiti simili: vedevano due combinazioni di azioni (o due palle colorate) in sequenza e dovevano confrontarle mentalmente in base ai risultati associati, per poi rispondere a una domanda (es. “La probabilità di prendere la palla è aumentata o diminuita?”).

La Corteccia Entorinale e la sua “Bussola” Esagonale

Ci siamo concentrati prima sulla corteccia entorinale (EC), un’area nota per contenere le “grid cells” (cellule griglia), neuroni che si attivano secondo uno schema esagonale regolare mentre ci muoviamo nello spazio, fornendo una sorta di sistema di coordinate. Studi recenti suggeriscono che questa codifica “a griglia” possa esistere anche per spazi astratti.

Analizzando l’attività fMRI nella EC mentre i partecipanti confrontavano le combinazioni di azioni (che potevamo pensare come “vettori” o “direzioni” nel nostro spazio astratto), abbiamo trovato proprio quello che cercavamo: un segnale con una periodicità esadirezionale (a 6 direzioni)! In pratica, i pattern di attivazione cerebrale erano più simili tra loro quando le “direzioni” confrontate nello spazio astratto differivano di multipli di 60 gradi, rispetto a quando differivano di altre angolazioni (es. 30 o 90 gradi). Questa è considerata una firma chiave della codifica basata su mappe cognitive nell’EC. Era la prova che il cervello stava usando una struttura simile a una mappa per rappresentare le relazioni tra le diverse opzioni di azione!

L’Ippocampo e il Senso della Distanza Astratta

Poi abbiamo guardato l’ippocampo (HPC), partner stretto dell’EC e anch’esso fondamentale per le mappe cognitive. Se l’EC fornisce le coordinate, l’HPC sembra più coinvolto nel rappresentare le distanze e le relazioni tra elementi specifici sulla mappa.

La nostra ipotesi era che l’attività dell’HPC dovesse “adattarsi” in base alla distanza tra le due azioni (o palle colorate) confrontate nello spazio astratto. L’adattamento fMRI significa che se due stimoli sono molto simili (e quindi vicini sulla mappa mentale), la risposta neurale al secondo stimolo è ridotta rispetto a quando i due stimoli sono molto diversi (e lontani sulla mappa).

Ed è esattamente quello che abbiamo trovato! L’attività dell’HPC diminuiva quando i partecipanti confrontavano combinazioni di azioni (o palle colorate) che erano “vicine” nel nostro spazio astratto bidimensionale, e diminuiva meno quando erano “lontane”. Questo effetto era specifico per la distanza nello spazio 2D complessivo, non per le singole dimensioni (prendere/vedere) prese isolatamente. Era un’ulteriore conferma che l’ippocampo stava usando una rappresentazione map-like basata sulla distanza relazionale tra le opzioni.

E le Aree Motorie? Un Ruolo Diverso per l’SMA

Ok, abbiamo una mappa nell’ippocampo e nella corteccia entorinale. Ma come si collega tutto questo alla pianificazione motoria vera e propria? Abbiamo esaminato l’area motoria supplementare (SMA), una regione corticale nota per essere coinvolta nella pianificazione e selezione delle azioni, specialmente quelle basate su associazioni arbitrarie.

Qui abbiamo trovato un quadro diverso. L’attività dell’SMA non sembrava riflettere la struttura della mappa 2D o la distanza astratta. Invece, l’SMA mostrava una risposta più forte (un “potenziamento” della risposta, non un adattamento) quando le due combinazioni di azioni confrontate condividevano una stessa azione motoria specifica (ad esempio, entrambe richiedevano di muovere un joystick a destra), indipendentemente dalla loro posizione sulla mappa astratta.

Questo suggerisce che, mentre il sistema ippocampo-entorinale costruisce una mappa relazionale complessiva degli esiti delle azioni, l’SMA si concentra maggiormente sulla rappresentazione delle singole azioni o dei legami specifici azione-risultato, forse simulando mentalmente l’azione stessa. Due sistemi paralleli, ma complementari!

Mettere Insieme i Pezzi: La Connessione Ippocampo-SMA

Se ci sono due sistemi che lavorano in parallelo, devono comunicare, giusto? Abbiamo quindi analizzato la connettività funzionale tra l’ippocampo (in particolare quello sinistro, dove gli effetti erano più forti) e l’SMA durante il compito di confronto delle azioni.

Abbiamo scoperto che la comunicazione tra queste due aree era effettivamente modulata dalla distanza nello spazio astratto azione-risultato! Nello specifico, la connettività tra HPC e SMA aumentava quando i partecipanti confrontavano azioni che erano più “lontane” sulla mappa cognitiva.

Questo è un risultato cruciale: suggerisce che la mappa cognitiva nell’ippocampo non opera isolatamente, ma interagisce attivamente con le aree motorie come l’SMA per guidare il processo di valutazione e selezione delle azioni. Forse l’SMA simula le singole opzioni, e l’ippocampo le colloca sulla mappa per confrontarle, oppure l’ippocampo usa la mappa per recuperare le rappresentazioni specifiche dall’SMA. La direzione esatta di questa comunicazione richiederà ulteriori studi, ma l’interazione è chiara.

Cosa Significa Tutto Questo? Ripensare Azione e Memoria

Questi risultati sono entusiasmanti perché aprono nuove prospettive su come il cervello gestisce le azioni dirette a uno scopo.

• Le mappe cognitive non sono solo per lo spazio: Il nostro cervello sembra usare meccanismi di mappatura simili a quelli della navigazione spaziale anche per organizzare conoscenze astratte complesse, come le relazioni tra azioni e risultati.
• Apprendimento flessibile tramite esperienza: Abbiamo dimostrato che queste mappe possono essere costruite da zero attraverso l’esperienza interattiva (in questo caso, in VR), integrando informazioni sensoriali e motorie in una struttura astratta.
• Interazione tra sistemi cerebrali: La selezione delle azioni non è compito di una singola area, ma emerge dall’interazione coordinata tra sistemi di memoria (ippocampo-entorinale) che forniscono la struttura relazionale (la mappa) e sistemi motori (SMA) che rappresentano le opzioni individuali.
• Sfida alle tassonomie classiche della memoria: Tradizionalmente, l’apprendimento motorio e la selezione di azioni basate su abilità erano considerati dominio della memoria “implicita” o “procedurale”, separata dalla memoria “esplicita” o “dichiarativa” gestita dall’ippocampo. I nostri risultati mostrano invece un ruolo cruciale del sistema ippocampale (tipicamente associato alla memoria esplicita) proprio nella selezione flessibile di azioni basate sui loro risultati, specialmente quando le associazioni sono arbitrarie e complesse. Questo suggerisce che la distinzione netta tra questi sistemi di memoria potrebbe essere meno rigida di quanto pensassimo, almeno per quanto riguarda il controllo delle azioni.

In sostanza, sembra che il nostro cervello abbia sviluppato un modo incredibilmente efficiente per navigare non solo nel mondo fisico, ma anche nel vasto “spazio delle possibilità” delle nostre azioni. Creando queste mappe cognitive, possiamo confrontare rapidamente diverse opzioni, prevedere i loro risultati e scegliere il percorso migliore per raggiungere i nostri obiettivi. È come avere un GPS interno per decidere cosa fare!

Questo lavoro è solo l’inizio, ovviamente. Ci sono ancora molte domande aperte su come queste mappe si formano, come vengono aggiornate e come esattamente guidano le nostre scelte quotidiane. Ma una cosa è certa: guardare alle azioni attraverso la lente delle mappe cognitive ci offre una nuova, affascinante finestra sul funzionamento della nostra mente.

Fonte: Springer