Neuronal processing of facial expressions in the primate superior colliculus
Questo studio identifica due gruppi distinti di neuroni nel collicolo superiore dei primati che elaborano differenzialmente le espressioni facciali, con un gruppo che mostra una rapida preferenza per la minaccia e l'altro una preferenza ritardata per la paura, chiarendo così i passaggi specifici nel circuito sottocorticale per la salienza emotiva.
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Per i primati, un volto è molto più di una semplice forma; è un flusso rapido di informazioni su pericolo, intenzione e connessione sociale. Per sopravvivere e prosperare, un animale deve essere in grado di individuare una minaccia in una frazione di secondo, spesso prima di aver elaborato pienamente i dettagli di ciò che sta vedendo. Gli scienziati sospettano da tempo che il cervello utilizzi una scorciatoia per questo compito urgente, bypassando i centri di elaborazione lenti e dettagliati della corteccia per fare affidamento su un percorso più veloce e antico situato nelle profondità del cervello. Questo percorso coinvolge una piccola struttura chiamata collicolo superiore, che funge da porta d'accesso per l'attenzione visiva, e lo collega all'amigdala, una regione nota per la gestione delle emozioni. Sebbene sappiamo che l'amigdala reagisce con forza ai volti spaventati o arrabbiati, il momento esatto e il metodo con cui il collicolo superiore inizia a distinguere tra uno sbotto di minaccia e un ghigno di paura sono rimasti un mistero.
Per risolvere questo enigma, i ricercatori hanno registrato l'attività elettrica di singole cellule nervose nel collicolo superiore di due rhesus macaques adulti. Le scimmie sedevano tranquillamente mentre immagini di volti apparivano su uno schermo, insieme a immagini di mani e oggetti quotidiani. I ricercatori hanno utilizzato un set di immagini accuratamente bilanciato per garantire che la reazione del cervello fosse dovuta all'espressione stessa, e non solo a differenze di luminosità o contrasto. Le immagini includevano quattro tipi di espressioni: una mostra di minaccia, un ghigno di paura, un sorriso piacevole e un volto neutro. Osservando come i neuroni scaricavano nei millisecondi successivi alla comparsa di un'immagine, il team ha potuto mappare esattamente quando e come il cervello inizia a classificare questi segnali emotivi.
Lo studio ha rivelato che il cervello non tratta tutti i volti emotivi allo stesso modo, né li elabora tutti contemporaneamente. Al contrario, il collicolo superiore contiene due gruppi distinti di neuroni che agiscono come sentinelle specializzate, ciascuno con il proprio tempismo e il proprio focus. Un gruppo di cellule reagisce molto rapidamente, entro circa 60 millisecondi dall'apparizione di un'immagine. Questi risponditori rapidi sono sintonizzati specificamente per rilevare la minaccia. Quando una scimmia vede un volto che mostra i denti in una mostra di minaccia, questi neuroni si attivano quasi immediatamente, segnalando che è presente qualcosa di pericoloso. Questa risposta rapida avviene così velocemente che probabilmente aiuta l'animale a orientare lo sguardo e il corpo verso il potenziale pericolo prima ancora di comprendere pienamente ciò che sta vedendo.
Un secondo gruppo di neuroni opera su un programma diverso. Queste cellule non reagiscono immediatamente alla minaccia; invece, attendono circa 150 millisecondi dopo la comparsa dell'immagine. Quando scaricano, non stanno rispondendo alla mostra di minaccia, bensì all'espressione di paura. Questo ritardo suggerisce che riconoscere la paura sia un passaggio leggermente più complesso che segue l'allarme iniziale. I ricercatori hanno scoperto che questi due gruppi di neuroni sono ampiamente separati; le cellule che gridano "minaccia" precocemente non sono le stesse che successivamente segnalano la "paura". Questa separazione implica che il cervello elabori queste due emozioni critiche attraverso canali diversi, anche in questa fase molto precoce dell'elaborazione visiva.
Lo studio ha anche esaminato da dove provengono questi segnali nel campo visivo. I neuroni che monitorano l'area appena fuori dal centro della visione, nota come regione parafoveale, hanno mostrato i modelli più robusti e coerenti. Queste cellule hanno mantenuto la loro capacità di rilevare le minacce per un periodo più lungo e sono state la fonte primaria dei successivi segnali di paura. Ciò ha senso da una prospettiva evolutiva: l'area appena fuori dal nostro sguardo diretto è dove è più probabile che avvistiamo un predatore o un rivale che si avvicina lateralmente. Sebbene le cellule focalizzate sul centro della visione mostrassero anche una certa sensibilità a queste espressioni, i loro modelli erano meno coerenti e variavano maggiormente tra i diversi animali.
Analizzando l'attività collettiva di centinaia di questi neuroni, i ricercatori hanno confermato che il cervello può distinguere accuratamente tra diversi volti emotivi basandosi su questa attività precoce. Nella prima frazione di secondo, l'attività del cervello è più efficace nel distinguere tra un volto minaccioso e uno neutro o piacevole. Un istante dopo, l'attività cambia, diventando migliore nel distinguere un volto spaventato dagli altri. Questo spostamento temporale significa che il cervello non percepisce semplicemente un "volto spaventoso" come una singola categoria; esso scompone l'esperienza in un rapido rilevamento della minaccia seguito da un riconoscimento della paura leggermente più lento.
Queste scoperte forniscono la prima prova diretta che la capacità di leggere i volti emotivi inizi nel mesencefalo, molto prima che l'informazione raggiunga i centri di elaborazione superiori della corteccia. Il collicolo superiore non è meramente una stazione di rilancio passiva; esso costruisce attivamente una cronologia della significatività emotiva. Segnala prima il pericolo immediato con un'ondata di attività, per poi dare seguito con un segnale più sfumato riguardante la paura. Questo processo in due fasi, gestito da diversi gruppi di cellule a velocità differenti, offre una nuova comprensione di come i primati, inclusi gli esseri umani, siano cablati per navigare in un mondo pieno di segnali sociali ed emotivi. I risultati suggeriscono che le fondamenta delle nostre complesse interazioni sociali siano costruite su questi circuiti neurali antichi e rapidi, che danno priorità alla sopravvivenza e alla consapevolezza sociale fin dal primo istante in cui vediamo un volto.
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