A cognitive representation in primary visual cortex modulated by vision
Questo studio dimostra che nei ratti che si orientano nell'oscurità, una parte significativa dei neuroni della corteccia visiva primaria (V1) codifica mappe cognitive del movimento invarianti rispetto al percorso piuttosto che input visivi, con la visione che successivamente modula piuttosto che sostituire questa rappresentazione interna.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). 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
Per decenni, la storia standard di come vediamo è stata una diretta successione a staffetta. La luce colpisce l'occhio, viaggia verso il retro del cervello e innesca una reazione a catena nella corteccia visiva primaria, una regione nota come V1. In questa visione classica, V1 è uno schermo passivo, un proiettore biologico che si limita a visualizzare ciò che gli occhi stanno guardando. Se gli occhi vedono un albero, V1 si illumina con la forma di un albero; se gli occhi vedono un muro, V1 mostra un muro. Il compito del cervello era ritenuto essere principalmente quello di reagire al mondo esterno, con i pensieri interni o i ricordi che svolgevano solo un ruolo minore e di sottofondo. Ma questo schema semplice omette una parte cruciale di come gli animali, compresi gli esseri umani, affrontino effettivamente la propria vita. Noi non ci limitiamo a reagire a ciò che abbiamo davanti a noi; eseguiamo costantemente una simulazione mentale di dove siamo, dove siamo stati e dove stiamo andando. La domanda che ha a lungo tormentato gli scienziati è se questa mappa interna esista solo nei centri di memoria profondi del cervello, o se anche la primissima fase della visione sia coinvolta nel far girare quella mappa.
Un team di ricercatori dell'Università della California, San Francisco, e dell'Università di Rochester ha deciso di testare questa idea osservando i cervelli di ratti mentre navigavano in un labirinto. Si sono concentrati sulla corteccia visiva primaria, la parte del cervello che di solito elabora solo ciò che gli occhi vedono. Per vedere cosa succede quando gli occhi non hanno nulla da vedere, hanno addestrato i ratti a percorrere un tragitto specifico nel buio totale. I ratti dovevano apprendere un labirinto a forma di W, muovendosi da un punto di partenza centrale verso uno dei due bracci esterni, e poi tornando indietro, alternando i loro turni a ogni viaggio. Una volta che i ratti avevano padroneggiato il percorso, i ricercatori hanno registrato l'attività di migliaia di neuroni nella corteccia visiva mentre gli animali percorrevano il labirinto al buio.
I risultati sono stati una completa sorpresa rispetto alla visione tradizionale. Nonostante i ratti fossero nel buio più assoluto e non potessero vedere assolutamente nulla, una grande maggioranza dei neuroni nella loro corteccia visiva stava scaricando in modo altamente organizzato. Questi neuroni non erano semplicemente attivi in modo casuale; stavano tracciando il progresso del ratto lungo il percorso. Mentre il ratto avanzava, specifici gruppi di neuroni si accendevano in una sequenza che corrispondeva alla posizione dell'animale. Ancora più straordinario, questa attività non era legata a una specifica posizione fisica nella stanza. Invece, i neuroni rispondevano alla struttura del percorso. Se il ratto stava svoltando a sinistra, un particolare insieme di neuroni scattava nello stesso punto della curva, sia che il ratto si trovasse sul lato sinistro del labirinto, sia che si trovasse su quello destro. Il cervello aveva creato una rappresentazione mentale del viaggio stesso, indipendente da qualsiasi input visivo.
I ricercatori hanno poi riacceso le luci per vedere come questa mappa interna interagisse con la visione reale. Hanno posizionato dei modelli visivi, come punti o strisce, sulle pareti del labirinto. Quando i ratti percorrevano il labirinto con queste luci accese, la corteccia visiva non passava semplicemente a mostrare i modelli sulle pareti. Invece, la mappa interna del percorso rimaneva il segnale dominante. Gli stimoli visivi agivano come una manopola del volume, aumentando o diminuendo l'attività dei neuroni che tracciano il percorso a seconda di ciò che il ratto vedeva, ma non sostituivano la mappa. Il cervello stava ancora eseguendo il suo modello interno del viaggio, e l'input visivo serviva solo ad aggiustare l'intensità di quel modello. Ciò suggerisce che, per una gran parte della corteccia visiva, la rappresentazione interna del mondo è il driver primario dell'attività, con la visione che funge da modulatore piuttosto che da unica fonte di informazione.
Per confermare che questa attività di tracciamento del percorso fosse davvero collegata ai sistemi di memoria del cervello, i ricercatori hanno registrato anche dall'ippocampo, una regione profonda del cervello famosa per la conservazione di mappe spaziali e memorie. Hanno cercato momenti di intensa attività cerebrale chiamati "ripple di onde corte" (sharp-wave ripples), che si verificano quando l'animale è a riposo o fermo e sono noti per essere coinvolti nel consolidamento della memoria. Hanno scoperto che i neuroni specifici nella corteccia visiva che tracciavano il percorso al buio erano strettamente sincronizzati con l'ippocampo durante questi ripple. Questa coordinazione suggerisce che la corteccia visiva e il centro della memoria lavorino insieme come una squadra, condividendo lo stesso modello interno del mondo anche quando l'animale non si sta muovendo.
Queste scoperte sfidano la convinzione radicata che la corteccia visiva sia meramente un ricevitore passivo di luce. Inve instead, lo studio dimostra che questa parte del cervello costruisce attivamente una rappresentazione cognitiva del progresso dell'animale attraverso un compito. La corteccia visiva non aspetta semplicemente che gli occhi inviino un'immagine; essa contiene una simulazione corrente del viaggio, che viene poi perfezionata da ciò che gli occhi vedono effettivamente. Questa scoperta implica che la nostra percezione del mondo è costruita su una base di aspettative e memorie interne, con l'input sensoriale che svolge un ruolo di supporto nel raffinare tale immagine. Cambia la nostra comprensione di come funziona il cervello, suggerendo che anche le aree sensoriali più basilari sono profondamente coinvolte nel complesso compito cognitivo di navigare la vita.
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