A Unified World Model in Human Posterior Parietal Cortex

Il cervello umano è un maestro della previsione. Prima che tu possa afferrare un bicchiere che cade, la tua mente ha già calcolato la sua traiettoria, la velocità e l'istante esatto in cui si frantumerà. Prima di protendere la mano verso una tazza, hai simulato il peso dell'oggetto e la presa necessaria per sollevarlo. Gli scienziati sospettano da tempo che il cervello non si limiti a reagire al mondo così come appare, ma mantenga un modello interno e dinamico della realtà fisica. Questo "modello del mondo" è una simulazione mentale che ci permette di comprendere come gli oggetti interagiscano, prevedere cosa accadrà in seguito e pianificare i nostri stessi movimenti all'interno di quella scena in divenire. Mentre i ricercatori di intelligenza artificiale hanno trascorso decenni nel cercare di costruire tali modelli nelle macchine, trovare l'equivalente biologico nel cervello umano è rimasto un profondo mistero. La domanda non è solo se siamo in grado di prevedere il futuro, ma dove, nella vasta rete delle nostre menti, avvenga questo calcolo continuo e silenzioso.

Un team di ricercatori ha ora identificato una specifica regione del cervello umano che sembra fungere da hardware per questo modello del mondo. Registrando l'attività elettrica direttamente dai cervelli di due individui, hanno scoperto che un piccolo gruppo di neuroni nella parte superiore posteriore del cervello, noto come lobulo parietale superiore, svolge tre compiti distinti ma collegati simultaneamente. Questi neuroni non si limitano a reagire a ciò che accade; essi costruiscono una comprensione fisica di una scena, prevedono come tale scena cambierà e mantengono il piano per ciò che la persona intende fare in seguito. Le scoperte suggeriscono che il cervello non utilizzi circuiti separati e isolati per pensare alla fisica, indovinare il futuro e pianificare le azioni. Al contrario, utilizza un sistema unificato in cui le stesse cellule sono responsabili di tutte e tre le funzioni.

Lo studio ha coinvolto due partecipanti che avevano ricevuto l'impianto di minuscole matrici di elettrodi come parte di una sperimentazione clinica per aiutare a ripristinare il movimento dopo lesioni del midollo spinale. Questi elettrodi, grandi quanto un granello di sabbia, erano stati posizionati nel lobulo parietale superiore, una regione precedentemente collegata sia al ragionamento fisico che alla pianificazione del movimento in precedenti scansioni cerebrali. I ricercatori hanno chiesto ai partecipanti di eseguire una serie di compiti mentre gli elettrodi registravano i pattern di attivazione dei singoli neuroni. In un compito, i partecipanti guardavano video di torri fatte di blocchi che sembravano instabili. Dovevano decidere se la torre sarebbe caduta a sinistra o a destra, oppure semplicemente contare il numero di blocchi blu rispetto a quelli gialli. In un altro compito, guardavano video naturalistici di eventi fisici, come un martello che pianta un chiodo, o interazioni sociali, come persone che ridono.

I risultati hanno mostrato che i neuroni in questa regione cerebrale si attivavano specificamente quando i partecipanti interagivano con il mondo fisico. Quando i partecipanti guardavano le torri di blocchi o i video di eventi fisici, i neuroni si attivavano molto più vigorosamente rispetto a quando guardavano i video sociali o eseguivano il semplice conteggio dei colori. Questa preferenza per il ragionamento fisico non era una reazione fugace; lo stesso gruppo di neuroni che rispondeva alle torri di blocchi rispondeva anche ai video di domino che cadevano e di trottoloni che giravano. I ricercatori hanno scoperto che questi neuroni non stavano solo reagendo all'input visivo, ma stavano attivamente costruendo un modello della scena. Potevano distinguere tra una torre stabile e una instabile, e rispondevano diversamente a un martello che colpiva un chiodo rispetto a una persona che stringeva la mano a un'altra.

Fondamentalmente, lo studio ha rivelato che questi neuroni stavano anche prevedendo il futuro. In un esperimento separato, i partecipanti guardavano video di oggetti che si muovevano verso un bersaglio. A volte l'oggetto colpiva il bersaglio, altre volte lo mancava. I ricercatori hanno scoperto che i neuroni iniziavano a scaricare in modo diverso centinaia di millisecondi prima che la collisione effettiva avvenisse. Se l'oggetto stava per colpire, i neuroni si attivavano con un pattern specifico, distinto dal pattern di quando l'oggetto avrebbe mancato il bersaglio. Ciò accadeva anche prima che l'oggetto toccasse qualsiasi cosa, suggerendo che il cervello stesse eseguendo una simulazione dell'esito. Sorprendentemente, questa capacità predittiva si generalizzava in diversi scenari; i neuroni potevano prevedere una collisione sia che l'oggetto rotolasse sul terreno sia che volasse nell'aria, indicando una profonda comprensione delle leggi fisiche piuttosto che la semplice memorizzazione di specifici clip video.

L'ultimo tassello del puzzle era la connessione con l'azione. Ai partecipanti è stato chiesto di immaginare di compiere una di due azioni con la mano: toccare un oggetto con il pugno o tirare una manopola con le dita. Gli stessi neuroni che erano impegnati a modellare la fisica del mondo e a prevedere le collisioni codificavano anche quale azione la persona intendeva compiere. I ricercatori hanno scoperto che un numero significativo di neuroni individuali svolgeva tutti e tre i compiti contemporaneamente: preferivano i compiti di ragionamento fisico, prevedevano l'esito del movimento degli oggetti prima che accadesse e segnalavano il movimento della mano inteso dalla persona. Questa convergenza suggerisce che il cervello non mantiene queste funzioni in compartimenti separati. Al contrario, la stessa popolazione neuronale integra la comprensione del mondo fisico, la previsione del suo stato futuro e la pianificazione delle nostre azioni in un unico processo coeso.

I ricercatori sono stati attenti a escludere altre spiegazioni. I neuroni non rispondevano semplicemente perché i compiti fossero più difficili o perché i partecipanti prestassero maggiore attenzione; i compiti di controllo erano stati progettati per essere ugualmente difficili e coinvolgenti, eppure i neuroni rimanevano silenti. Non stavano solo reagendo alla presenza di corpi umani o di movimenti intenzionali nei video, poiché i neuroni rispondevano con forza anche a eventi fisici che non coinvolgevano persone. I risultati sono stati coerenti attraverso molteplici sessioni di registrazione e sono rimasti validi anche osservando l'attività dei singoli neuroni anziché solo la media del gruppo. Sebbene lo studio fosse limitato a due partecipanti e a una piccola regione del cervello, le prove indicano l'esistenza di un sistema unificato nel lobulo parietale superiore umano che funge da simulatore in tempo reale del mondo fisico, permettendoci di navigare, prevedere e agire nel nostro ambiente con straordinaria velocità e precisione.