Reference frames reverse biases in human heading perception

Quando ci muoviamo nel mondo, i nostri occhi non vedono solo immagini statiche; vedano un flusso vorticoso di informazioni visive noto come flusso ottico. Immaginate di trovarvi su una banchina ferroviaria mentre un treno si allontana: i binari e le pareti della stazione sembrano scorrere verso l'esterno da un singolo punto davanti a voi. Questo schema visivo è l'indizio primario che il nostro cervello usa per capire in quale direzione stiamo viaggiando, una sensazione che gli scienziati chiamano direzione di avanzamento (heading). Per decenni, i ricercatori hanno cercato di mappare esattamente come il cervello calcoli questa direzione, ma si sono scontrati con un muro confuso. Alcuni esperimenti suggerivano che, quando le persone indovinano la loro direzione di movimento, tendono a puntare leggermente verso il centro, come se venissero attirate verso l'interno. Altri esperimenti, utilizzando configurazioni diverse, hanno trovato l'opposto: le persone sembravano puntare leggermente lontano dal centro, spinte verso l'esterno. Questa contraddizione ha lasciato gli scienziati a chiedersi se il cervello fosse semplicemente inaffidabile o se qualcosa nel modo in cui gli esperimenti erano progettati stesse ingannando i partecipanti.

Un team di ricercatori guidato da Renate Reisenegger dell'Università di Marburgo ha ora proposto una soluzione a questo enigma vecchio di decenni. Suggeriscono che il cervello non sia incoerente; piuttosto, la risposta dipende interamente da come alla persona viene chiesto di riferire la propria direzione. Lo studio, pubblicato in un numero recente di una rivista scientifica, rivela che la prospettiva mentale che adottiamo — se pensiamo al nostro movimento dal nostro punto di vista o da una vista distaccata, simile a una mappa — cambia fondamentalmente la direzione dell'errore. Testando le stesse persone con le stesse scene visive ma chiedendo loro di rispondere in due modi diversi, i ricercatori hanno dimostrato che il cervello può essere tirato verso l'interno o spinto verso l'esterno semplicemente cambiando le regole del gioco.

Per testare questa idea, il team ha costruito una particolare configurazione di laboratorio utilizzando un enorme schermo curvo che avvolge lo spettatore, coprendo un campo visivo di circa 224 gradi. Questo display "senza bordi" ha permesso ai partecipanti di vedere una simulazione immersiva di camminare su un terreno piatto fatto di punti in movimento, senza bordi visibili che potessero distrarli. Nella prima parte dello studio, trentasette volontari hanno osservato questi brevi filmati di auto-movimento e sono stati chiamati a riferire dove pensavano di stessero andando. I ricercatori hanno diviso il compito in due modalità distinte. Nella prima modalità, la condizione "egocentrica", i partecipanti riportavano la loro direzione dalla propria prospettiva, indicando un punto su una linea orizzontale che rappresentava la loro visione immediata. Nella seconda modalità, la condizione "allocentrica", i partecipanti dovevano immaginare di guardare dall'alto, come un uccello, e indicare la propria direzione su un arco circolare o un cerchio completo.

I risultati sono stati sorprendenti e immediati. Quando i partecipanti riportavano la direzione dalla propria prospettiva, le loro ipotesi tendevano costantemente verso la direzione dritta davanti a sé. Se stavano effettivamente muovendosi leggermente verso sinistra, riportavano di muoversi ancora più vicino al centro. Questo è noto come bias centripeto. Tuttavia, quando le stesse persone passavano alla vista "a volo d'uccello" e riportavano nel sistema di riferimento allocentrico, il bias si invertiva completamente. Ora, le loro ipotesi si allontanavano dal centro. Se stavano muovendosi leggermente verso sinistra, riportavano di muoversi ancora più a sinistra. Questo bias centrifugo appariva anche se lo stimolo visivo era identico e l'intervallo di risposte possibili era lo stesso in entrambi i casi. I ricercatori hanno anche testato se la dimensione dell'intervallo di risposta fosse la causa, come suggerito da alcune teorie precedenti, ma hanno scoperto che cambiare la dimensione del cerchio non cambiava la direzione del bias. L'unica cosa che contava era il sistema di riferimento.

Per capire cosa stesse accadendo all'interno del cervello durante questo passaggio, il team ha condotto un secondo esperimento con ventuno volontari diversi. Questa volta, hanno utilizzato monitor computer standard e hanno registrato l'attività cerebrale dei partecipanti tramite elettroencefalografia, o EEG, che misura i segnali elettrici sul cuoio capelluto. I partecipanti guardavano gli stessi punti in movimento, ma invece di indicare una direzione, dovevano decidere rapidamente se un breve lampo appariva a sinistra o a destra della loro direzione ricordata. Fondamentalmente, un segnale appariva prima di ogni prova per dire loro se utilizzare la propria prospettiva o la vista a volo d'uccello. I ricercatori si sono concentrati sul momento tra il segnale e la risposta, un tempo in cui il cervello si prepara a trasformare l'informazione visiva.

Le scansioni cerebrali hanno rivelato una chiara differenza di attività a seconda del compito. Quando i partecipanti si preparavano a rispondere con la vista a volo d'uccello, i loro cervelli mostravano un aumento significativo dell'attività elettrica ritmica nelle bande di frequenza theta e alpha, specificamente sopra la parte posteriore e superiore della testa. Questo schema di attività è spesso associato alle regioni cerebrali coinvolte nella navigazione e nella memoria spaziale, come la corteccia retrospleniale e l'ippocampo. Al contrario, quando si preparavano a rispondere dalla propria prospettiva, questo eccesso di attività era assente. Ciò suggerisce che il cervello debba lavorare di più per eseguire la ginnastica mentale necessaria per passare da una visione centrata su sé a una mappa centrata sul mondo, e che questo passaggio di elaborazione extra sia probabilmente ciò che introduce il bias verso l'esterno.

Infine, i ricercatori hanno utilizzato un modello informatico basato su come il cervello combina le informazioni sensoriali con le aspettative passate per spiegare questi risultati. Il modello ha mostrato che la "mappa" interna del cervello di ciò che è probabile accada cambia a seconda del compito. Quando le persone pensano al proprio movimento dalla propria prospettiva, fanno affidamento pesantemente sull'intervallo specifico di movimenti che hanno appena visto, il che le attira verso il centro. Ma quando passano alla vista a volo d'uccello, il cervello sembra adottare un'aspettativa più ampia e piatta, assumendo che il movimento possa avvenire in qualsiasi direzione attraverso l'intero cerchio. Questo spostamento di aspettativa, combinato con la naturale sensibilità del cervello verso il movimento frontale, crea la spinta verso l'esterno. Lo studio conclude che i risultati contrastanti nella storia della ricerca sulla direzione di avanzamento non erano dovuti a un difetto della percezione umana, ma perché diversi esperimenti avevano inconsapevolmente chiesto al cervello di risolvere il problema in due diversi sistemi di coordinate. Riconoscendo che è il sistema di riferimento stesso a guidare il bias, il team ha risolto un mistero di lunga data nella scienza della visione, dimostrando che il modo in cui si pone una domanda può alterare fondamentalmente la risposta che il nostro cervello fornisce.