Strategy-dependent causal relationships between large-scale cortical activity and perceptual decisions

Ogni giorno, un animale affronta una domanda semplice ma critica: in che direzione dovrei andare? Per rispondere a questo, deve raccogliere indizi dal mondo circostante, pesarli rispetto a ciò che ha appreso e compiere una scelta. Per decenni, gli scienziati che studiano queste decisioni hanno spesso assunto che il cervello operi come una singola, costante macchina, elaborando le informazioni nello stesso modo ogni volta che viene presa una decisione. Ma in realtà, la mente è molto più fluida. Proprio come una persona può a volte concentrarsi intensamente su un puzzle e altre volte affidarsi a un'intuizione o a un'abitudine, gli animali passano tra diverse strategie interne per risolvere lo stesso problema. A volte seguono attentamente le prove; altre volte, cadono in un modello di preferenza verso un lato rispetto all'altro, indipendentemente dagli indizi. La grande domanda è stata: il cervello cambia il suo cablaggio per supportare queste diverse modalità di pensiero e, se così fosse, quali parti del cervello sono responsabili del mantenere l'animale sulla strada giusta?

Un team di ricercatori si è proposto di mappare questo paesaggio nascosto del processo decisionale nel cervello del topo. Si sono concentrati su un compito specifico in cui i topi navigano in un labirinto virtuale a forma di T. Mentre i topi corrono in avanti, vedono una serie di torri visive che appaiono sul lato destro o sinistto del percorso. L'obiettivo è semplice: ricordare in quale lato c'erano più torri e girare verso quel lato per ottenere una ricompensa. I ricercatori hanno raccolto dati da decine di topi, osservandoli mentre eseguivano questo compito per migliaia di prove. Per capire come funziona il cervello, non si sono limitati a osservare i topi; hanno anche utilizzato una tecnica chiamata optogenetica. Questo metodo permette agli scienziati di silenziare temporaneamente gruppi specifici di cellule cerebrali con un lampo di luce, disattivando efficacemente un interruttore nel cervello per vedere cosa succede quando quella parte smette di funzionare. Combinando queste interruzioni basate sulla luce con le registrazioni dell'attività cerebrale, il team ha potuto testare come diverse regioni cerebrali contribuiscano al processo decisionale.

Il primo passo è stato capire che tipo di pensiero stessero avendo i topi in un dato momento. I ricercatori hanno analizzato le scelte fatte dai topi quando non venivano interrotti dalla luce. Hanno scoperto che i topi non stavano usando una sola strategia fissa. Invece, oscillavano tra tre stati mentali distinti. Nel primo stato, i topi erano pienamente impegnati, prestando molta attenzione alle torri e lasciando che le prove guidassero la loro scelta. Negli altri due stati, i topi erano disimpegnati. In questi momenti, ignoravano ampiamente le torri e sviluppavano invece una forte abitudine a girare a destra o a sinistra, indipendentemente da ciò che vedevano. Questi stati non erano fugaci; una volta che un topo entrava in uno di essi, tendeva a rimanerci per molti turni consecutivi, a volte per più di trenta prove. Questa scoperta ha confermato che il cervello non si limita a elaborare dati, ma adotta diverse modalità di funzionamento che persistono nel tempo.

Con questi tre stati identificati, i ricercatori si sono poi chiesti cosa accadesse quando silenziavano diverse parti del cervello. Hanno preso di mira decine di posizioni sulla superficie superiore del cervello, nota come corteccia, e hanno osservato come cambiavano le scelte dei topi. I risultati sono stati sorprendenti e dipendevano interamente dallo stato mentale in cui si trovava il topo. Quando un topo era nello stato impegnato e guidato dalle prove, silenziare la parte anteriore del cervello lo portava a perdere la concentrazione. Il topo smetteva di ascoltare le torri e iniziava a indovinare, sviluppando spesso un forte pregiudizio verso un lato. Tuttavia, quando il topo era già in uno stato disimpegnato e influenzato da un pregiudizio, silenziare la stessa parte anteriore del cervello aveva l'effetto opposto. In realtà riduceva la tendenza preesistente del topo a favorire un lato, rendendo il pregiudizio meno estremo. Questo risultato paradossale ha dimostrato che la parte anteriore del cervello agisce come un centro di controllo essenziale per mantenere la concentrazione quando l'animale sta cercando di fare la cosa giusta, ma la sua rimozione può talvolta ridurre la forza di una distrazione, anche se non ripristina completamente la capacità dell'animale di utilizzare le prove.

I ricercatori hanno anche esaminato la tempistica di queste interruzioni. Hanno scoperto che silenziare la parte anteriore del cervello aveva l'impatto maggiore quando accadeva più tardi nella prova, proprio prima che il topo dovesse compiere la svolta. Ciò suggerisce che le regioni anteriori del cervello siano cruciali per mantenere la decisione in mente ed eseguire la scelta finale, specialmente quando l'animale cerca di essere accurato. Al contrario, quando i ricercatori silenziavano la parte posteriore del cervello, gli effetti erano diversi. Queste aree sembravano giocare un ruolo maggiore quando l'animale era in uno stato disimpegnato e influenzato da un pregiudizio, forse aiutando a mantenere quelle abitudini o a elaborare la storia delle ricompense passate.

Per avere un quadro completo, il team ha anche registrato l'attività elettrica del cervello su tutta la sua superficie utilizzando una telecamera a campo largo. Hanno scoperto che la parte anteriore del cervello era molto più attiva quando i topi erano nello stato impegnato rispetto a quando erano influenzati da un pregiudizio. Inoltre, quando hanno cercato di prevedere cosa avrebbe scelto il topo in base all'attività cerebrale, le regioni anteriori erano le migliori predittrici durante lo stato impegnato, mentre le regioni posteriori erano più informative durante lo stato influenzato da un pregiudizio. Ciò ha confermato che il cervello si riorganizza a seconda della strategia utilizzata. La parte anteriore del cervello è la chiave per rimanere concentrati e compiere una scelta basata sull'evidenza attuale, mentre altre aree prendono il comando quando l'animale si affida alle abitudini.

Questi risultati suggeriscono che il cervello non sia una macchina statica con parti fisse che svolgono compiti fissi. Inveve, è un sistema dinamico che riconfigura le sue connessioni e i suoi modelli di attività a seconda di come l'animale decide di affrontare un problema. La parte anteriore del cervello emerge come un hub critico per mantenere una strategia impegnata e basata sulle prove, agendo come una guardia contro la tendenza a cadere in semplici pregiudizi. Quando questa guardia viene meno, l'animale perde la strada, ma curiosamente, rimuoverla può talvolta ridurre l'intensità di una distrazione, sebbene non necessariamente riportare l'animale a una prestazione ottimale. Questo lavoro fornisce una visione più chiara di come le dinamiche su larga scala del cervello cambino per supportare diversi modi di pensare, rivelando che il percorso verso una decisione dipende tanto dalla strategia attuale del cervello quanto dalle prove che ha davanti a sé.