Shared symmetry detection with divergent temporal dynamics in marmosets and humans

La simmetria è un linguaggio fondamentale del mondo visivo, un modello che il nostro cervello sembra programmato per riconoscere istantaneamente. È l'immagine speculare di un volto, le ali bilanciate di una farfalla o le piastrelle ripetute su un pavimento. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che il cervello umano possiede una rete dedicata all'individuazione di questi modelli, che si illumina in aree specifiche nella parte posteriore della testa quando li vediamo. Ma una domanda centrale nella biologia del nostro modo di pensare è rimasta senza risposta: questa capacità è un'invenzione speciale umana o è un tratto condiviso ereditato dai nostri lontani antenati primati? Per scoprirlo, i ricercatori dovevano guardare all'interno dei cervelli di altri primati, ma farlo senza un intervento chirurgico invasivo è stato un ostacolo principale. Mentre studi precedenti nei scimmie si basavano su scansioni cerebrali che mostrano il flusso sanguigno, non riuscivano a catturare la tempistica elettrica del millisecondo di come il cervello elabora un modello.

Un team di ricercatori ha ora colmato questo divario confrontando il modo in cui gli esseri umani e i marmoset comuni — una piccola scimmia del Nuovo Mondo — reagiscono alla simmetria visiva. Si sono concentrati su due tipi distinti di modelli: la riflessione, che è come un'immagine speculare, e la rotazione, dove una forma si ripete mentre ruota. Utilizzando un metodo non invasivo che registra i segnali elettrici dal cuoio capelluto, hanno scoperto che entrambe le specie condividono una capacità rapida e automatica di rilevare la simmetria speculare. Tuttavia, per quanto riguarda la rotazione, le due specie divergono. Mentre gli esseri umani mantengono una risposta elettrica costante e sostenuta ai modelli rotanti, i cervelli dei marmoset rispondono solo brevemente prima di stabilizzarsi. Questa scoperta suggerisce che il meccanismo di base, veloce, per individuare la simmetria è antico e condiviso tra i primati, ma l'elaborazione più complessa e prolungata che gli esseri umani usano per elaborare pienamente questi modelli può essere uno sviluppo successivo.

Per rendere questo confronto, gli scienziati hanno dovuto superare una significativa sfida tecnica: registrare segnali cerebrali chiari da una scimmia senza un intervento chirurgico che danneggiasse il cervello o richiedesse l'inserimento quotidiano di elettrodi. Hanno progettato una griglia personalizzata e flessibile di trentadue minuscoli sensori che è stata applicata chirurgicamente direttamente al cranio di tre marmoset maschi adulti. Questo dispositivo, che pesava solo sei grammi, ha agito come una finestra permanente nell'attività elettrica del cervello, permettendo agli animali di essere testati ripetutamente in molte sessioni. I marmoset sono stati addestrati a sedersi tranquillamente su una sedia mentre guardavano uno schermo, dove venivano premiati con una goccia di succo per rimanere fermi. Allo stesso tempo, un gruppo di tredici volontari umani guardava esattamente le stesse immagini su uno schermo indossando una cuffia di sensori standard.

Le immagini mostrate a entrambi i gruppi sono state accuratamente create con texture basate su regole matematiche di simmetria. Alcuni modelli si ripetevano tramite la riflessione su una linea, nota come doppia riflessione. Altri si ripetevano ruotando attorno a un centro, nota come rotazione a quattro poli. Per garantire che il cervello stesse reagendo alla simmetria stessa e non solo a cambiamenti casuali nell'immagine, i ricercatori hanno alternato queste immagini simmetriche con versioni rimescolate che apparivano simili ma mancavano del pattern. Hanno misurato la risposta del cervello cercando un impulso elettrico ritmico che corrispondesse alla velocità con cui le immagini sfarfallavano. Poiché il cervello risponde diversamente alla parte simmetrica dell'immagine rispetto al semplice cambiamento dell'immagine, i ricercatori sono riusciti a separare i due segnali.

I risultati hanno rivelato una sorprendente somiglianza nel modo in cui le due specie gestiscono la simmetria speculare. Sia nei marmoset che negli esseri umani, il cervello produce un segnale elettrico forte e costante che dura finché il modello speculare è presente sullo schermo. Questo segnale è più forte sulla parte posteriore della testa, nelle aree di elaborazione visiva, e la sua tempistica e forza sono quasi identiche tra le specie. Ciò suggerisce che la capacità di rilevare la riflessione sia un tratto conservato, probabilmente evolutosi centinaia di milioni di anni fa per aiutare i primati a riconoscere volti, corpi e altri esseri viventi nel loro ambiente.

Tuttavia, la storia cambia quando i ricercatori hanno osservato i modelli rotanti. Mentre il cervello umano continua a vibrare con un ritmo elettrico costante finché il modello rotante è visibile, il cervello del marmoset risponde diversamente. Il cervello delle scimmie emette un segnale rapido e acuto quando il modello rotante appare per la prima volta, ma questo segnale svanisce rapidamente, lasciando il cervello silenzioso per il resto del tempo in cui l'immagine è presente sullo schermo. Questa differenza era specifica per i modelli rotanti; i modelli speculari producevano ancora la risposta lunga e costante nei marmoset. I ricercatori hanno escluso la possibilità che ciò fosse dovuto al fatto che le scimmie non prestassero attenzione o muovessero gli occhi, poiché i modelli erano grandi e i movimenti oculari erano tracciati e controllati.

Lo studio punta a una specifica divergenza nel modo in cui i cervelli dei primati elaborano le informazioni visive. L'individuazione iniziale e veloce della simmetria sembra essere un meccanismo di tipo "feedforward" condiviso che funziona allo stesso modo in entrambe le specie. Ma la capacità di mantenere una rappresentazione sostenuta di quella simmetria, in particolare per rotazioni più complesse, sembra dipendere da un tipo diverso di attività cerebrale che è robusta negli esseri umani ma più debole nei marmoset. Questa attività sostenuta probabilmente coinvolge segnali che circolano avanti e indietro tra diverse parti del cervello, un processo che può essere meno sviluppato nei marmoset rispetto agli esseri umani o ai loro parenti stretti, i macachi.

Stabilendo che i marmoset possono essere utilizzati per studiare questi complessi processi visivi con la stessa precisione degli esseri umani, lo studio apre una nuova porta per la neuroscienza. Il cervello del marmoset è liscio e accessibile, a differenza dei cervelli ripiegati dei macachi dove queste aree visive sono sepolte in profondità. Ciò significa che in futuro, gli scienziati potranno combinare queste registrazioni superficiali con misurazioni dirette e profonde all'interno del cervello per capire esattamente come funzionano questi circuiti. Le scoperte confermano che, sebbene condividiamo una base comune e antica per vedere la simmetria, il cervello umano ha aggiunto uno strato di elaborazione sostenuta che ci permette di mantenere e approfondire questi modelli in modi in cui altri primati potrebbero non essere in grado di fare.