A Relational Code for Objects in Primate Frontal Cortex

Quando diamo un'occhiata a una scrivania disordinata, il nostro cervello non si limita a catalogare un elenco di oggetti isolati. Esso afferra istantaneamente la scena nel suo insieme: una tazza seduta a sinistra di un laptop, una lampada che svetta dietro di essi. Questa capacità di comprendere come gli oggetti si relazionano tra loro nello spazio è fondamentale per il modo in cui navighiamo nel mondo, eppure per decenni i neuroscienziati hanno faticato a individuare dove e come il cervello costruisca queste relazioni. Gran parte di ciò che sappiamo sulle mappe spaziali del cervello deriva dallo studio di come i singoli neuroni traccino la posizione di un singolo oggetto rispetto al nostro sguardo. Questi neuroni agiscono come bussole interne, attivandosi quando un oggetto specifico appare in un punto preciso della nostra visione. Tuttavia, questa visione a "oggetto singolo" lascia un vuoto. Non spiega come il cervello mantenga nella mente la disposizione di più oggetti simultaneamente, o come comprenda che un oggetto è posizionato rispetto a un altro, indipendentemente da dove stiamo guardando.

Per colmare questo divario, un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology ha rivolto la propria attenzione ai campi oculari frontali, due piccole regioni del cervello della scimmia note per controllare i movimenti oculari e mantenere l'attenzione spaziale. Si sono posti una domanda semplice ma profonda: i neuroni in queste aree tracciano semplicemente dove si trovano i singoli oggetti, o codificano anche la relazione tra gli oggetti? Per scoprirlo, hanno addestrato due rhesus macaques a eseguire un compito di memoria che coinvolgeva uno o due oggetti. In ogni prova, le scimmie dovevano osservare uno schermo dove apparivano immagini di frutta disposte su un anello attorno a un punto centrale. Dopo una breve pausa, un segnale indicava loro quale oggetto ricordare, e dovevano guardare quella posizione ricordata per ricevere una ricompensa. I ricercatori hanno registrato l'attività elettrica di centinaia di neuroni nel cervello delle scimmie mentre eseguivano questo compito, cercando schemi nel modo in cui le cellule rispondevano al mutare delle posizioni degli oggetti.

I risultati hanno rivelato un codice sorprendente e sofisticato. Mentre alcuni neuroni si comportavano come previsto, attivandosi solo quando un oggetto specifico appariva in un punto fisso sullo schermo, la maggior parte delle cellule registrate operava diversamente. Questi neuroni non erano interessati alla posizione assoluta di un singolo oggetto. Invece, si attivavano quando due oggetti apparivano in una specifica disposizione l'uno rispetto all'altro. Ad esempio, un neurone poteva attivarsi fortemente ogni volta che due oggetti erano allineati verticalmente, indipendentemente dal fatto che quella linea verticale fosse a sinistra, a destra o al centro dello schermo. I ricercatori hanno scoperto che questi neuroni "relazionali" non erano una classe separata e uniforme, ma piuttosto parte di uno spettro che spaziava dal puro tracciamento della posizione al puro relazionale. All'interno di questo continuum, la maggior parte delle unità era meglio spiegata dalla sintonizzazione relazionale che dalla sintonizzazione retinotopica, indicando che il cervello non stava solo memorizzando un elenco di coordinate; stava attivamente rappresentando la geometria della scena, codificando l'orientamento della linea che connette gli oggetti.

Questa scoperta sfida la visione duratura secondo cui le mappe spaziali del cervello sono costruite esclusivamente da coordinate indipendenti centrate sull'occhio. Lo studio ha dimostrato che la rappresentazione spaziale del cervello è una miscela di due sistemi complementari. Un sistema traccia dove si trovano i singoli oggetti, mentre l'altro traccia come essi siano disposti. Quando i ricercatori hanno analizzato l'attività combinata di questi due gruppi di neuroni, hanno scoperto che questa miscela permetteva una decodifica quasi perfetta della disposizione della scena. Era come se il cervello stesse usando due linguaggi diversi per descrivere la stessa scena, garantendo che l'informazione fosse robusta e completa. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto un legame diretto tra questo codice neurale e il comportamento delle scimmie. La memoria delle scimmie riguardo alle posizioni degli oggetti era leggermente distorta; tendevano a ricordare la posizione di un oggetto come se fosse spinta via dall'altro, un fenomeno noto come repulsione. Lo studio ha dimostrato che questa particolarità comportamentale era una diretta conseguenza del codice relazionale: poiché i neuroni erano sintonizzati sulla relazione tra gli oggetti, la loro attività combinata spingeva naturalmente le posizioni stimate l'una lontano dall'altra, rispecchiando gli errori effettivi delle scimmie.

Per capire come il cervello potesse generare un codice così complesso, i ricercatori hanno testato diversi modelli informatici esistenti su come i neuroni potrebbero elaborare oggetti multipli. I modelli standard che si limitano ad mediare i segnali di due oggetti o a normalizzare la loro forza combinata non sono riusciti a riprodurre i pattern relazionali osservati. Questi modelli non potevano spiegare perché un neurone dovesse preferire una coppia verticale di oggetti rispetto a una orizzontale se i singoli oggetti si trovassero nelle stesse posizioni. Tuttavia, un modello che incorporava la capacità del cervello di anticipare i futuri movimenti oculari ha avuto successo. Questo modello a "campo futuro" suggerisce che i neuroni potrebbero attivarsi non solo per dove si trovano gli oggetti ora, ma per dove sarebbero se la scimmia guardasse uno di essi. Simulando lo spostamento della visione che si verificherebbe durante un pianificato movimento oculare, il modello produceva naturalmente la sintonizzazione relazionale osservata nel vero cervello. Ciò implica che la capacità del cervello di comprendere la disposizione degli oggetti è profondamente intrecciata con il suo piano su come guardarli.

Le scoperte suggeriscono che la corteccia oculomotoria frontale, una regione precedentemente ritenuta occupata principalmente dalla selezione di singoli bersagli per i movimenti oculari, svolge un ruolo molto più ampio nell'organizzare il nostro mondo visivo. Sembra che il cervello non si limiti a memorizzare le posizioni delle cose; esso memorizza la struttura stessa della scena. Questo codice relazionale permette al cervello di mantenere una comprensione stabile di come gli oggetti siano disposti, anche mentre i nostri occhi si muovono e l'immagine sulla nostra retina cambia. Sebbene lo studio sia stato condotto su scimmie, i principi si applicano probabilmente anche agli esseri umani, offrendo una nuova prospettiva su come percepiamo e ricordiamo le complesse scene multi-oggetto che compongono le nostre vite quotidiane. La ricerca non sostiene di aver risolto l'intero mistero della percezione della scena, ma fornisce un punto d'appoggio concreto, mostrando che la mappa del mondo costruita dal cervello non si basa solo sui punti, ma anche sulle linee che li connettono.