Embodied reinforcement learning in the primate cortico-basal ganglia system
Registrando l'attività neuronale attraverso il sistema cortico-ganglia della base del macaco, questo studio dimostra che le rappresentazioni del valore sono specifiche per il sistema motorio piuttosto che invarianti, sfidando così le esistenti spiegazioni biologiche dell'apprendimento per rinforzo e supportando i quadri teorici incarnati in cui il comportamento è radicato nella struttura fisica di un agente.
Articolo originale dedicato al pubblico dominio sotto CC0 1.0 (https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Il sistema a due binari del cervello: perché le mani e gli occhi imparano in modo diverso
Immaginate il vostro cervello come una console per videogiochi super intelligente che cerca di capire quali tasti vi danno più punti. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che questo "sistema a punti" funzionasse come una valuta unica e universale. Pensavano che, indipendentemente da come giocaste al gioco — che usaste un joystick, una tastiera o un comando vocale — il cervello calcolasse il valore di una ricompensa in un unico luogo centrale e poi inviasse semplicemente lo stesso segnale di "bravo!" al gruppo muscolare specifico necessario per agire. Questa idea, nota come apprendimento per rinforzo, suggeriva che il calcolatore di ricompense del cervello fosse completamente separato dalle parti del corpo che compiono il movimento. Era una teoria ordinata e pulita: un cervello, un valore, molti modi per muoversi.
Ma se il cervello non funzionasse come un unico ufficio di cambio valuta? E se, invece, il modo in cui imparate fosse profondamente legato a come vi muovete? Questo è il cuore della "cognizione incarnata", un concetto che suggerisce che i nostri pensieri e il nostro apprendimento siano radicati nei nostri corpi fisici, non fluttuanti sopra di essi in una nuvola astratta. Se questo è vero, allora imparare ad afferrare un biscotto con la mano potrebbe sembrare e apparire nel cervello completamente diverso dall'imparare a guardare un biscotto con gli occhi, anche se il biscotto è lo stesso. Comprendere questo è fondamentale perché cambia il modo in cui vediamo tutto, da come gli animali sopravvivono in natura a come potremmo costruire robot più intelligenti o aiutare le persone a recuperare da lesioni cerebrali. Se il cervello tratta le diverse parti del corpo come canali di apprendimento separati, significa che le nostre menti sono molto più fisiche e meno "astratte" di quanto pensassimo in precedenza.
Il grande esperimento delle scimmie: Occhi contro Mani
In questo studio, i ricercatori Franco Giarrocco e Bruno Averbeck hanno deciso di testare questa idea trasformando due macachi in super-esperti. Hanno allestito un gioco in cui le scimmie dovevano scegliere tra due immagini per vincere una ricompensa di succo. A volte, le scimmie dovevano compiere la scelta guardando l'immagine corretta (una saccade, o movimento oculare), e altre volte, dovevano protendersi e toccare l'immagine corretta (un reach, o movimento del braccio). Il trucco? Le scimmie dovevano imparare quale immagine fosse quella "buona" (80% di probabilità di succo) e quale quella "cattiva" (20% di probabilità) solo attraverso i tentativi, per tentativi ed errori.
Mentre le scimmie giocavano, gli scienziati registravano l'attività di 4.843 neuroni in otto diverse regioni cerebrali. Hanno esaminato di tutto, dall'amigdala (spesso legata alle emozioni) alla corteccia prefrontale (il CEO del cervello) ai gangli della base (il centro dell'azione del cervello). Volevano vedere se il cervello utilizzasse lo stesso "linguaggio neurale" per parlare del valore di una ricompensa, indipendentemente dal fatto che la scimmia stesse usando gli occhi o le mani.
La grande scoperta: Due linguaggi diversi
I risultati sono stati uno shock per la vecchia teoria. Gli scienziati hanno scoperto che il cervello non utilizzava un unico linguaggio universale per il valore. Al contrario, parlava due dialetti completamente diversi a seconda di quale parte del corpo stesse lavorando.
Immaginate i neuroni del cervello come una massiccia orchestra. Se la teoria del "valore universale" fosse vera, l'orchestra suonerebbe la stessa melodia sia che la scimmia usasse gli occhi sia che usasse le mani, magari solo un po' più forte o più piano. Ma ciò che i ricercatori hanno scoperto è stato simile a un'orchestra che suona due canzoni completamente diverse contemporaneamente. Quando la scimmia usava gli occhi, i neuroni scattavano con un pattern specifico per dire: "Questa immagine vale molto!". Quando la scimmia usava la mano, un altro set di neuroni scattava con un diverso pattern per dire esattamente la stessa cosa.
Utilizzando uno strumento matematico chiamato "geometria della popolazione", i ricercatori hanno misurato l' "angolo" tra questi due pattern neurali. Hanno scoperto che i pattern erano quasi ad angolo retto tra loro, come una forma a "T". In termini matematici, questo significa che sono ortogonali, ovvero geometricamente indipendenti. L'informazione sul valore quando si usano gli occhi era così diversa dall'informazione quando si usano le mani che, se si cercasse di leggere il segnale dell' "occhio" usando il decodificatore della "mano", si finirebbe per essere molto confusi. L'informazione sul valore veniva essenzialmente persa nella traduzione.
Questa separazione avveniva ovunque nel cervello, persino nelle parti profonde ed emotive come lo striato ventrale e l'amigdala, che gli scienziati ritenevano essere i "centri del valore universale". L'unico posto in cui il cervello manteneva un piccolo linguaggio condiviso era nella corteccia prefrontale ventrolaterale (vlPFC), una regione nota per gestire regole astratte. Ma anche lì, la separazione era forte.
Perché è importante: Il corpo plasma la mente
Lo studio suggerisce che il cervello sia "incarnato". Non si limita a calcolare una ricompensa e poi dire al corpo cosa fare; il modo in cui il corpo si muove modella effettivamente come la ricompensa viene appresa e memorizzata. I ricercatori hanno scoperto che le scimmie erano in realtà più brave ad apprendere quando usavano le mani (reach) rispetto a quando usavano gli occhi (saccadi), imparando più velocemente e facendo scelte migliori. Questo suggerisce che le nostre diverse parti del corpo potrebbero essersi evolute per gestire diversi tipi di compiti di apprendimento.
Fondamentalmente, i ricercatori hanno escluso l'idea che queste differenze fossero solo dovute al fatto che le scimmie fossero più brave in un compito rispetto all'altro. Anche quando consideravano solo le sessioni in cui le scimmie si comportavano ugualmente bene sia con gli occhi che con le mani, il cervello utilizzava comunque due linguaggi separati. Questo dimostra che la separazione non è un errore o un effetto collaterale del fatto di essere scarsi in un compito; è una caratteristica fondamentale di come il cervello è cablato.
Quindi, la prossima volta che state imparando qualcosa di nuovo, ricordate: il vostro cervello potrebbe trattare le vostre mani e i vostri occhi come due studenti diversi nella stessa classe, ognuno con il proprio quaderno e il proprio modo di comprendere la lezione. Il cervello non è un singolo calcolatore astratto; è una macchina fisica dove il modo in cui vi muovete fa parte di come pensate.
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