Neural Dissociation of Cognitive Maps and Graphs in the Human Brain
Utilizzando la fMRI e la manipolazione ortogonale delle distanze spaziali ed esperienziali, questo studio dimostra che il cervello umano dissocia le mappe cognitive dai grafi rappresentando la prossimità spaziale euclidea nel solco intraparietale e la contiguità esperienziale del cammino minimo nelle regioni ippocampali/paraippocampali e nelle aree corticali selettive per le scene.
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
La mente umana possiede una capacità straordinaria di organizzare le informazioni, trasformando un mondo caotico in un paesaggio mentale strutturato. Due dei modi più fondamentali con cui lo facciamo sono attraverso le mappe e attraverso i grafi. Una mappa cognitiva è come un'istantanea mentale di un luogo, che dispone gli oggetti in base alla loro posizione fisica nello spazio, dove la distanza tra due oggetti è misurata da una linea retta. Un grafo cognitivo, al contrario, è una rete mentale di connessioni, che lega gli elementi in base a come li sperimentiamo muovendoci da uno all'altro, dove la distanza è definita dal percorso compiuto per arrivarci. Per decenni, gli scienziati hanno dibattuto su come il cervello gestisca queste due forme distinte di conoscenza. Poiché le nostre esperienze quotidiane spesso fondono le due — luoghi che sono vicini tra loro nello spazio sono solitamente anche vicini nei percorsi che percorriamo — i ricercatori hanno faticato a capire se il cervello utilizzi un unico sistema per entrambi o sistemi separati per ciascuno. Comprendere questa distinzione è cruciale, poiché rivela l'architettura fondamentale della memoria umana e il modo in cui navighiamo non solo negli spazi fisici, ma anche tra idee complesse e relazioni sociali.
Un team di ricercatori dell'Istituto Max Planck per le Scienze Cognitive e del Cervello e dell'Università di Trento ha ora fornito una risposta chiara a questa domanda progettando un esperimento ingegnoso che separa questi due tipi di distanza. Hanno creato un mondo virtuale contenente otto monumenti unici collegati da una specifica rete di sentieri. In questo ambiente, hanno predisposto una situazione in cui due località potevano essere fisicamente vicine tra loro in una linea retta, ma lontane in termini di viaggio necessario per spostarsi da una all'altra, perché i sentieri di collegamento non esistevano. Viceversa, due località potevano essere lontane in linea retta ma facilmente raggiungibili tramite un percorso breve e diretto. Questa configurazione ha permesso loro di testare se il cervello tratti la distanza in linea retta e la distanza di percorrenza come informazioni separate.
Sessantuno volontari hanno trascorso una giornata imparando questo ambiente virtuale. Lo hanno navigato da una prospettiva in prima persona, camminando lungo i sentieri e osservando i monumenti, pur potendo vedere lo spazio aperto circostante. Per garantire che avessero realmente appreso sia la disposizione dello spazio che le connessioni dei sentieri, i partecipanti hanno sostenuto dei test in cui dovevano stimare le distanze e scegliere i percorsi più brevi. Una volta dimostrato di aver compreso l'ambiente, sono entrati in uno scanner MRI. All'interno della macchina, venivano mostrate loro immagini dei monumenti e venivano interrogati sulla posizione e sulle connessioni di ciascuno. Mentre lo facevano, i ricercatori utilizzavano una tecnica chiamata analisi della somiglianza rappresentazionale per esaminare i modelli di attività cerebrale. Questo metodo verifica se la risposta del cervello a due monumenti diversi sia più simile quando quei monumenti sono vicini tra loro nella mappa o quando sono vicini tra loro nella rete dei percorsi.
I risultati hanno rivelato una sorprendente divisione del lavoro nel cervello. I ricercatori hanno scoperto che le distanze in linea retta, simili a una mappa, erano rappresentate in un'area specifica nella parte posteriore del cervello nota come solco intraparietale. Questa regione è nota per l'elaborazione delle informazioni spaziali e la visualizzazione di layout. Al contrario, le distanze basate sul viaggio, simili a un grafo, erano rappresentate in un set diverso di aree, inclusi l'ippocampo e le regioni circostanti che sono tipicamente attive quando osserviamo scene o navighiamo percorsi. L'ippocampo, una struttura profonda del cervello spesso associata alla memoria, mostrava schemi di attività che tracciavano il percorso più breve tra le località, ma non sembrava tracciare la distanza in linea retta. Ciò suggerisce che l'ippocampo sia specializzato nell'organizzare le esperienze in base a come ci muoviamo attraverso di esse, piuttosto che su dove le cose si trovino in uno spazio statico.
Lo studio ha anche esaminato altre parti del cervello coinvolte nel riconoscimento delle scene, come l'area paraippocampale per i luoghi. Queste aree, che di solito aiutano a riconoscere la disposizione di una stanza o di un paesaggio, hanno anch'esse mostrato schemi di attività legati alle connessioni basate sui percorsi tra le località. Questa scoperta suggerisce che il sistema di elaborazione delle scene del cervello lavori strettamente con il sistema della memoria per costruire un grafo delle nostre esperienze. Nel frattempo, l'area responsabile della rappresentazione simile a una mappa rimaneva distinta, non mostrando segni di tracciamento delle connessioni dei percorsi. I ricercatori sono stati attenti a escludere la possibilità che questi risultati fossero semplicemente dovuti alle forme dei monumenti o ad altre caratteristiche visive, confermando che il cervello stava effettivamente elaborando separatamente i concetti astratti di distanza spaziale e distanza di percorrenza.
Queste scoperte offrono una nuova prospettiva su un dibattito di lunga data nella neuroscienza riguardante la funzione dell'ippocampo. Mentre teorie precedenti suggerivano che l'ippocampo agisca come una mappa universale dello spazio, questo studio suggerisce che sia descrivibile più accuratamente come un sistema per organizzare la sequenza delle nostre esperienze. Il cervello sembra mantenere due modi paralleli di conoscere: una mappa nella corteccia parietale che contiene il layout del mondo nel suo insieme, e un grafo nell'ippocampo e nelle aree di elaborazione delle scene che registra il viaggio e le connessioni tra gli eventi. Questa separazione ci permette di comprendere il nostro ambiente sia come un luogo fisso, sia come una serie di storie che abbiamo vissuto, fornendo una base più ricca e flessibile per il pensiero e la memoria umana.
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