The Impact of Topological Changes on Visual Working Memory in Schizophrenia: Evidence from Behavioral and EEG Measures

La mente umana è una maestra dell'organizzazione. Quando guardiamo il mondo, i nostri cervelli non si limitano a registrare un caos disordinato di colori e linee; essi raggruppano istantaneamente questi dettagli in oggetti coerenti. Questa capacità di vedere una tazza come un'entità singola, piuttosto che come una semplice collezione di curve e un manico, si basa su un tipo specifico di informazione strutturale chiamata topologia. In termini semplici, la topologia si riferisce alla forma fondamentale di un oggetto che rimane invariata anche se i suoi dettagli superficiali cambiano. Per esempio, una tazza da caffè con un manico presenta un foro, mentre una pallina solida no. Questa differenza nella presenza o assenza di un foro è una proprietà topologica. È una caratteristica profonda e stabile dell'identità di un oggetto che il nostro cervello sembra dare priorità, notando spesso questo dettaglio più velocemente e in modo più affidabile rispetto ai cambiamenti di colore o all'esatto contorno della forma. Questa priorità si estende alla nostra memoria di lavoro visiva, lo spazio mentale in cui manteniamo brevemente le immagini nella nostra mente per utilizzarle in compiti specifici.

Tuttavia, questo sistema di archiviazione mentale può malfunzionare. Nella schizofrenia, un grave disturbo della salute mentale, le persone spesso hanno difficoltà con la memoria di lavoro, trovando difficile trattenere informazioni visive o integrare diverse caratteristiche in un'immagine singola e chiara. Sebbene sia noto che questi pazienti abbiano problemi di memoria, gli scienziati si sono a lungo chiesti se il problema risieda specificamente nel modo in cui il cervello gestisce queste forme strutturali profonde. Il cervello di una persona con schizofrenia tratta ancora la forma fondamentale di un oggetto come la cosa più importante da ricordare, o questa speciale priorità è andata perduta? Comprendere questo potrebbe rivelare se il problema centrale sia un fallimento nel vedere chiaramente il mondo o un fallimento nell'organizzare ciò che viene visto in una memoria utilizzabile.

Un team di ricercatori dell'Università Medica di Anhui e di diversi ospedali in Cina si è posto l'obiettivo di rispondere a questa domanda osservando come le persone ricordano le forme. Hanno reclutato due gruppi di adulti: trentuno pazienti con schizofrenia clinicamente stabile e trentadue individui sani. Tutti i partecipanti avevano un'età compresa tra i 18 e i 45 anni, una visione normale e avevano completato almeno nove anni di scolarizzazione. I pazienti assumevano regolarmente farmaci per la loro condizione e non si trovavano nel mezzo di un episodio psicotico acuto. Prima dell'esperimento principale, i ricercatori hanno valutato i sintomi dei pazienti e le capacità cognitive generali di tutti i partecipanti per garantire un confronto equo.

L'esperimento si è svolto in una stanza silenziosa dove i partecipanti sedevano a circa due metri da uno schermo computerizzato. Venivano mostrate loro una serie di forme geometriche, alcune con fori e altre senza, in vari colori. In ogni prova, il partecipante doveva memorizzare quattro di queste forme e le loro posizioni. Dopo una breve pausa, una nuova forma appariva sullo schermo e il partecipante doveva decidere se il suo contorno corrispondeva alla forma vista precedentemente in quello stesso punto. I ricercatori hanno controllato attentamente i cambiamenti. A volte il contorno cambiava, a volte il colore cambiava e a volte la struttura fondamentale cambiava — specificamente, se la forma avesse un foro o meno. Fondamentalmente, i ricercatori hanno manipolato queste caratteristiche in modo che lo stato del foro concordasse o contraddicesse il cambiamento del contorno. Questa configurazione ha permesso loro di vedere se il cervello stesse usando automaticamente l'informazione del "foro" per aiutare o ostacolare il compito di memoria, nonostante il compito richiedesse solo di valutare il contorno.

I risultati hanno mostrato che, per le persone sane, il cervello stava effettivamente utilizzando quell'informazione strutturale. Quando lo stato del foro della forma corrispondeva al cambiamento nel contorno, i partecipanti sani erano più accurati e veloci nel loro compito. Era come se i loro cervelli stessero usando l'identità strutturale profonda dell'oggetto come un ancoraggio affidabile. Tuttavia, i pazienti con schizofrenia mostravano un modello differente. Sebbene non fossero completamente ciechi ai cambiamenti strutturali, la loro capacità di usare questa informazione per migliorare la memoria era significativamente più debole. Erano meno accurati complessivamente rispetto al gruppo sano, e la spinta utile fornita dalla coerenza strutturale era molto minore per loro. Ciò suggerisce che, sebbene i pazienti potessero ancora vedere le forme, i loro cervelli fossero meno efficienti nell'integrare quella profonda conoscenza strutturale nella memoria di lavoro per guidare le loro decisioni.

Per capire cosa stesse accadendo all'interno del cervello durante questi momenti di memoria, i ricercatori hanno posizionato degli elettrodi sulle teste dei partecipanti per registrare l'attività elettrica. Si sono concentrati su specifiche onde cerebrali note per essere coinvolte nel mantenimento delle informazioni e nel processo decisionale. Hanno esaminato l'attività cerebrale nell'area frontale, che gestisce il processo decisionale, e nell'area occipitale alla parte posteriore della testa, che elabora la visione. Hanno scoperto che nelle persone sane, i segnali elettrici del cervello nell'intervallo di frequenza beta cambiavano in un modo specifico quando la struttura dell'oggetto cambiava. Questo cambiamento è ritenuto riflettere l'aggiornamento del cervello della propria immagine interna dell'oggetto. Nei pazienti con schizofrenia, questo segnale di aggiornamento era alterato. I loro cervelli non mostravano la stessa risposta flessibile quando la struttura della forma cambiava, suggerendo che avessero difficoltà ad aggiornare l'immagine mentale dell'oggetto in tempo reale.

Inoltre, i ricercatori hanno esaminato come le diverse parti del cervello comunicassero tra loro. Nei partecipanti sani, quando la struttura della forma cambiava, la connessione tra l'area visiva nella parte posteriore del cervello e l'area decisionale nella parte anteriore si rafforzava in un ritmo specifico. Questo rafforzamento della connessione probabilmente aiutava il cervello a coordinare l'input visivo con il compito di memoria. I pazienti con schizofrenia, tuttavia, non mostravano questa stessa capacità di rafforzare la connessione in base alle richieste del compito. I loro cervelli sembravano meno capaci di collegare in modo flessibile il centro di elaborazione visiva con il centro della memoria quando l'informazione strutturale era rilevante.

Questi risultati delineano un tipo specifico di difficoltà nella schizofrenia. I pazienti non stanno semplicemente dimenticando le cose; hanno difficoltà a utilizzare le caratteristiche più fondamentali e stabili di un oggetto per aiutarli a ricordare. I loro cervelli non sembrano dare priorità all'identità strutturale profonda di un oggetto nello stesso modo in cui fanno i cervelli sani, e le reti neurali che di solito coordinano questo processo sono meno reattive. Lo studio suggerisce che i problemi di memoria nella schizofrenia possano derivare da un problema più profondo nel modo in cui il cervello organizza e aggiorna le informazioni visive, piuttosto che da una semplice mancanza di spazio di archiviazione. Sebbene i ricercatori abbiano notato che il loro campione era relativamente piccolo e che gli effetti dei farmaci non potevano essere interamente esclusi, i risultati indicano la necessità di esaminare come il cervello costruisce l'identità stessa degli oggetti quando si studiano i disturbi della memoria. Il lavoro indica che la strada per comprendere meglio queste condizioni possa risiedere nell'esaminare come il cervello percepisce la struttura del mondo, non solo i suoi dettagli superficiali.