Secondo uno studio della Emory University, i cani elaborano spontaneamente quantità numeriche di base, utilizzando una parte distinta del loro cervello che corrisponde strettamente alle regioni neurali reattive ai numeri negli esseri umani.
Biology Letters ha pubblicato i risultati, che suggeriscono che un meccanismo neurale comune è stato profondamente conservato attraverso l’evoluzione dei mammiferi.
I cani usano una parte del loro cervello simile a quella degli esseri umani
“Il nostro lavoro non solo mostra che il cane usa una parte del suo cervello simile a quella degli esseri umani per elaborare numeri di oggetti, ma dimostra anche che non ha bisogno di essere addestrati per farlo”, afferma Gregory Berns, professore di psicologia e senior di Emory. autore dello studio.
“La comprensione dei meccanismi neurali, sia negli esseri umani che nelle altre specie, ci fornisce informazioni su come il nostro cervello si è evoluto nel tempo e su come funziona ora”, afferma la coautrice Stella Lourenco, professoressa associata di psicologia alla Emory.
Tali intuizioni, aggiunge Lourenco, potrebbero un giorno portare ad applicazioni pratiche come il trattamento delle anomalie cerebrali e il miglioramento dei sistemi di intelligenza artificiale
Lauren Aulet, un dottorato di ricerca. candidato nel laboratorio di Lourenco, è il primo autore dello studio.
Lo studio ha utilizzato la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per scansionare il cervello del cane mentre vedevano un numero variabile di punti lampeggiare su uno schermo. I risultati hanno mostrato che la corteccia parietotemporale del cane rispondeva alle differenze nel numero dei punti. I ricercatori hanno mantenuto costante l’area totale dei punti, dimostrando che era il numero dei punti, non la dimensione, a generare la risposta.
Il sistema numerico approssimativo supporta la capacità di stimare rapidamente una quantità di oggetti in una scena, come il numero di predatori che si avvicinano o la quantità di cibo disponibile per il foraggiamento. Le prove suggeriscono che gli esseri umani attingono principalmente alla corteccia parietale per questa capacità, che è presente anche nell’infanzia.
Questa sensibilità di base alle informazioni numeriche, nota come numerosità, non si basa sul pensiero simbolico o sulla formazione e sembra essere diffusa in tutto il regno animale. Gran parte della ricerca sui non umani, tuttavia, ha comportato un addestramento intensivo dei soggetti.
Precedenti ricerche, ad esempio, avevano scoperto che particolari neuroni nella corteccia parietale delle scimmie sono in sintonia con valori numerici. Tali studi non avevano chiarito se la numerosità fosse un sistema spontaneo nei primati non umani, perché i soggetti sono stati sottoposti a numerose prove e hanno ricevuto ricompense per aver selezionato scene con un numero maggiore di punti in preparazione agli esperimenti.
Anche studi comportamentali condotti sul cane addestrato al compito di discriminare tra diverse quantità di oggetti hanno indicato che i cani sono sensibili alla numerosità.
I ricercatori dell’Emory volevano approfondire le basi neurali della percezione del numero canino utilizzando la fMRI.
Berns è il fondatore del Dog Project, che sta studiando le questioni evolutive che circondano il migliore e più antico amico dell’uomo. Il progetto è stato il primo ad addestrare il cane a entrare volontariamente in uno scanner fMRI e a rimanere immobili durante la scansione, senza restrizioni o sedazione.
Lourenco ricerca principalmente la percezione visiva, la cognizione e lo sviluppo umano.
Undici cani di razze diverse sono stati coinvolti negli attuali esperimenti fMRI. Gli animali non hanno ricevuto un addestramento avanzato sulla numerosità. Dopo essere entrati nella fMRI, hanno visualizzato passivamente le matrici di punti che variavano in valore numerico. Otto degli 11 esemplari hanno mostrato una maggiore attivazione nella corteccia parietotemporale quando il rapporto tra le serie di punti alternati era più dissimile rispetto a quando i valori numerici erano costanti.
“Siamo andati direttamente alla fonte, osservando il cervello del cane, per avere una comprensione diretta di cosa stavano facendo i loro neuroni quando vedevano quantità variabili di punti”, dice Aulet. “Ciò ci ha permesso di aggirare i punti deboli dei precedenti studi comportamentali sul cane e su alcune altre specie.”
Gli esseri umani e i cani sono separati da 80 milioni di anni di evoluzione, osserva Berns. “I nostri risultati forniscono alcune delle prove più forti finora che la numerosità è un meccanismo neurale condiviso che risale almeno a quel tempo”, dice.
A differenza del cane e di altri animali, gli esseri umani sono in grado di basarsi sulla numerosità di base per eseguire calcoli più complessi, attingendo principalmente alla corteccia prefrontale. “Parte del motivo per cui siamo in grado di fare calcoli e algebra è perché abbiamo questa capacità fondamentale per la numerosità che condividiamo con altri animali”, dice Aulet.
“Sono interessato a scoprire come abbiamo evoluto quella capacità matematica superiore e come queste abilità si sviluppano nel tempo negli individui, a partire dalla numerosità di base nell’infanzia.”
Il mistero su come i cani elaborano le parole
Quando alcuni cani sentono i loro proprietari dire “scoiattolo”, si rianimano, si agitano. Potrebbero anche correre alla finestra e guardare fuori. Ma cosa significa questa parola per il cane? Significa: “Presta attenzione, sta succedendo qualcosa?” Oppure il cane immagina effettivamente nella sua mente un piccolo roditore dalla coda folta?
Frontiers in Neuroscience ha pubblicato uno dei primi studi condotti da scienziati della Emory University che utilizzano l’imaging cerebrale per sondare il modo in cui i nostri compagni elaborano le parole che gli è stato insegnato ad associare agli oggetti. I risultati suggeriscono che hanno almeno una rudimentale rappresentazione neurale del significato delle parole che gli sono state insegnate, differenziando le parole che hanno sentito prima da quelle che non hanno sentito.
“Molti proprietari pensano che sappiano cosa significano alcune parole, ma in realtà non ci sono molte prove scientifiche a sostegno di ciò”, afferma Ashley Prichard, Ph.D. candidato al Dipartimento di Psicologia di Emory e primo autore dello studio. “Volevamo ottenere dati dagli animali stessi, non solo dai resoconti dei proprietari.”
“Sappiamo che i cani hanno la capacità di elaborare almeno alcuni aspetti del linguaggio umano poiché possono imparare a seguire i comandi verbali”, aggiunge il neuroscienziato di Emory Gregory Berns, autore senior dello studio. “Ricerche precedenti, tuttavia, suggeriscono che i cani possono fare affidamento su molti altri segnali per seguire un comando verbale, come lo sguardo, i gesti e persino le espressioni emotive dei loro proprietari.”
I ricercatori di Emory si sono concentrati sulle domande che circondano i meccanismi cerebrali utilizzati dai cani per distinguere le parole, o anche su cosa costituisce una parola per un cane.
Berns è il fondatore del Dog Project, che sta studiando le questioni evolutive che circondano il migliore e più antico amico dell’uomo. Il progetto è stato il primo ad addestrare i cani a entrare volontariamente in uno scanner per risonanza magnetica funzionale (fMRI) e a rimanere immobili durante la scansione, senza restrizioni o sedazione.
Gli studi del Dog Project hanno approfondito la comprensione della risposta neurale dei cani alla ricompensa attesa, identificato aree specializzate nel cervello del cane per l’elaborazione dei volti, dimostrato risposte olfattive agli odori umani e canini e collegato la funzione prefrontale al controllo inibitorio.
Per questo studio, 12 cani di razze diverse sono stati addestrati per mesi dai loro proprietari a recuperare due oggetti diversi, in base ai nomi degli oggetti. La coppia di oggetti di ciascun cane consisteva in uno con una consistenza morbida, come un animale di peluche, e un altro con una consistenza diversa, come la gomma, per facilitare la discriminazione. L’addestramento consisteva nel istruire i cani a prendere uno degli oggetti e poi premiarli con cibo o lodi.
L’addestramento veniva considerato concluso quando un cane dimostrava di saper discriminare tra i due oggetti andando a prendere con coerenza quello richiesto dal proprietario quando gli venivano presentati entrambi gli oggetti.
Durante un esperimento, il cane addestrato giaceva nello scanner fMRI mentre il proprietario del cane stava direttamente davanti al cane all’apertura della macchina e diceva a intervalli prestabiliti i nomi dei giocattoli del cane, poi mostrava al cane i giocattoli corrispondenti.
Eddie, un mix di golden retriever e labrador, ad esempio, ha sentito il suo proprietario pronunciare le parole “Piggy” o “Scimmia”, quindi il suo proprietario ha mostrato il giocattolo corrispondente. Come controllo, il proprietario pronunciava parole senza senso, come “bobbu” e “bodmick”, quindi mostrava nuovi oggetti come un cappello o una bambola.
I risultati hanno mostrato una maggiore attivazione nelle regioni uditive del cervello verso le nuove pseudoparole rispetto alle parole addestrate.
“Ci aspettavamo di vedere che i cani discriminassero a livello neurale tra le parole che conoscono e le parole che non conoscono”, afferma Prichard. “Ciò che sorprende è che il risultato è opposto a quello della ricerca sugli esseri umani: le persone in genere mostrano una maggiore attivazione neurale per le parole conosciute rispetto alle parole nuove.”
I ricercatori ipotizzano che i cani possano mostrare una maggiore attivazione neurale di fronte a una nuova parola perché sentono che i loro proprietari vogliono che capiscano quello che stanno dicendo, e stanno cercando di farlo. “I cani alla fine vogliono compiacere i loro proprietari e forse anche ricevere lodi o cibo”, dice Berns.
La metà dei cani partecipanti all’esperimento ha mostrato una maggiore attivazione per le nuove parole nella corteccia parietotemporale, un’area del cervello che i ricercatori ritengono possa essere analoga al giro angolare negli esseri umani, dove vengono elaborate le differenze lessicali.
L’altra metà dei cani, tuttavia, ha mostrato una maggiore attività verso nuove parole in altre regioni del cervello, comprese le altre parti della corteccia temporale sinistra e dell’amigdala, del nucleo caudato e del talamo.
Queste differenze potrebbero essere correlate a una limitazione dello studio: la gamma variabile di razze e dimensioni dei cani, nonché possibili variazioni nelle loro capacità cognitive. Una delle sfide principali nella mappatura dei processi cognitivi del cervello canino, riconoscono i ricercatori, è la varietà di forme e dimensioni del cervello dei cani nelle varie razze.
“I cani possono avere diverse capacità e motivazioni per apprendere e comprendere le parole umane”, afferma Berns, “ma sembrano avere una rappresentazione neurale del significato delle parole che gli sono state insegnate, al di là di una semplice risposta pavloviana di basso livello”.
Questa conclusione non significa che le parole siano il modo più efficace per un proprietario di comunicare con un cane. Infatti, anche altre ricerche condotte da Prichard e Berns e recentemente pubblicate su Scientific Reports , hanno dimostrato che il sistema di ricompensa neurale dei cani è più in sintonia con i segnali visivi e olfattivi che con quelli verbali.
“Quando le persone vogliono insegnare un trucco al loro cane, spesso usano un comando verbale perché è quello che noi umani preferiamo”, dice Prichard. “Dal punto di vista del cane, tuttavia, un comando visivo potrebbe essere più efficace, aiutando il cane a imparare il trucco più velocemente.”
I cani preferiscono le lodi o il cibo?
Potendo scegliere, molti cani preferiscono gli elogi dei loro proprietari al cibo, suggerisce uno studio pubblicato sulla rivista Social, Cognitive and Affective Neuroscience . Lo studio è uno dei primi a combinare dati di imaging cerebrale con esperimenti comportamentali per esplorare le preferenze di ricompensa del cane.
“Stiamo cercando di capire le basi del legame cane-uomo e se si tratta principalmente di cibo o della relazione stessa”, afferma Gregory Berns, neuroscienziato della Emory University e autore principale della ricerca. “Dei 13 cani che hanno completato lo studio, abbiamo scoperto che la maggior parte di loro preferiva gli elogi dei loro proprietari al cibo, o sembrava che apprezzassero entrambi allo stesso modo. Solo due cani erano veri chowhound, mostrando una forte preferenza per il cibo. .”
I cani furono al centro dei più famosi esperimenti di condizionamento classico, condotti da Ivan Pavlov agli inizi del 1900. Pavlov dimostrò che se i cani vengono addestrati ad associare un particolare stimolo al cibo, gli animali salivano alla sola presenza dello stimolo, in attesa del cibo.
“Una teoria sui cani è che sono principalmente macchine pavloviane: vogliono solo cibo e i loro proprietari sono semplicemente il mezzo per ottenerlo”, dice Berns. “Un’altra visione, più attuale, del loro comportamento è che i cani apprezzano il contatto umano in sé e per sé.”
Berns dirige il Dog Project presso il Dipartimento di Psicologia di Emory, che sta indagando sulle questioni evolutive che circondano il migliore e più antico amico dell’uomo. Il progetto è stato il primo ad addestrare i cani a entrare volontariamente in uno scanner per risonanza magnetica funzionale (fMRI) e a rimanere immobili durante la scansione, senza restrizioni o sedazione.
In ricerche precedenti, il Dog Project aveva identificato la regione ventrale caudata del cervello canino come un centro di ricompensa. Ha anche mostrato come quella regione del cervello di un cane risponde più fortemente agli odori degli esseri umani familiari che agli odori di altri esseri umani, o anche a quelli dei cani familiari.
Per l’esperimento attuale, i ricercatori hanno iniziato addestrando i cani ad associare tre oggetti diversi con risultati diversi. Un camion giocattolo rosa segnalava una ricompensa in cibo; un cavaliere giocattolo blu segnalava elogi verbali da parte del proprietario; e una spazzola per capelli segnalava l’assenza di ricompensa, per servire da controllo.
I cani sono stati poi testati sui tre oggetti mentre si trovavano in una macchina fMRI. Ogni cane è stato sottoposto a 32 prove per ciascuno dei tre oggetti mentre veniva registrata la sua attività neurale.
Tutti i cani hanno mostrato un’attivazione neurale più forte per gli stimoli di ricompensa rispetto allo stimolo che non segnalava alcuna ricompensa, e le loro risposte coprivano un’ampia gamma. Quattro dei cani hanno mostrato un’attivazione particolarmente forte per lo stimolo che segnalava l’elogio da parte dei loro proprietari.
Nove cani hanno mostrato un’attivazione neurale simile sia per lo stimolo della lode che per quello del cibo. E due dei cani hanno mostrato costantemente una maggiore attivazione quando hanno mostrato lo stimolo del cibo.
I cani sono stati poi sottoposti a un esperimento comportamentale. Ogni cane è stato familiarizzato con una stanza che conteneva un semplice labirinto a forma di Y costruito con cancelli per bambini: un percorso del labirinto conduceva a una ciotola di cibo e l’altro percorso al proprietario del cane. I proprietari sedevano dando la schiena ai loro cani. Il cane è stato poi rilasciato più volte nella stanza e gli è stato permesso di scegliere uno dei percorsi. Se venivano dal proprietario, il proprietario li elogiava.
“Abbiamo scoperto che la risposta del caudato di ciascun cane nel primo esperimento era correlata alle scelte effettuate nel secondo esperimento”, afferma Berns. “I cani sono individui e i loro profili neurologici si adattano alle scelte comportamentali che fanno. La maggior parte dei cani alternava cibo e proprietario, ma i cani con la risposta neurale più forte alle lodi sceglievano di andare dai loro proprietari nell’80-90% delle volte. mostra l’importanza della ricompensa sociale e della lode per il cane. Potrebbe essere analogo a come ci sentiamo noi umani quando qualcuno ci loda.
Gli esperimenti gettano le basi per porre domande più complicate sull’esperienza canina nel mondo. Il laboratorio dei Bern sta attualmente esplorando la capacità dei cani di elaborare e comprendere il linguaggio umano.
“I cani sono ipersociali con gli esseri umani”, afferma Berns, “e la loro integrazione nell’ecologia umana rende i cani un modello unico per studiare i legami sociali tra le specie”.
I cani elaborano i volti in un’area cerebrale specializzata
I cani hanno una regione specializzata nel cervello per l’elaborazione dei volti, secondo uno studio. PeerJ sta pubblicando la ricerca, che fornisce la prima prova di una regione selettiva per il volto nella corteccia temporale del cane.
“I nostri risultati mostrano che i cani hanno un modo innato di elaborare i volti nel loro cervello, una qualità che in precedenza era stata ben documentata solo negli esseri umani e in altri primati”, afferma Gregory Berns, neuroscienziato della Emory University e autore senior dello studio. .
Avere macchinari neurali dedicati all’elaborazione del volto suggerisce che questa capacità è cablata attraverso l’evoluzione cognitiva, dice Berns, e può aiutare a spiegare l’estrema sensibilità dei cani ai segnali sociali umani.
Berns dirige il Dog Project presso il Dipartimento di Psicologia di Emory, che sta studiando le questioni evolutive che circondano il migliore e più antico amico dell’uomo. Il progetto è stato il primo ad addestrare i cani a entrare volontariamente in uno scanner per risonanza magnetica funzionale (fMRI) e a rimanere immobili durante la scansione, senza restrizioni o sedazione.
In ricerche precedenti, il Dog Project aveva identificato la regione caudata del cervello canino come un centro di ricompensa. Ha anche mostrato come quella regione del cervello di un cane risponde più fortemente agli odori degli esseri umani familiari che agli odori di altri esseri umani, o anche a quelli dei cani familiari.
Per lo studio attuale, i ricercatori si sono concentrati su come i cani rispondono ai volti rispetto agli oggetti di uso quotidiano. “I cani sono ovviamente animali altamente sociali”, dice Berns, “quindi è logico che rispondano ai volti. Volevamo sapere se quella risposta è appresa o innata”.
Lo studio ha coinvolto cani che visualizzavano sia immagini statiche che immagini video su uno schermo mentre venivano sottoposti a fMRI. Si è trattato di un esperimento particolarmente impegnativo poiché i cani normalmente non interagiscono con le immagini bidimensionali e hanno dovuto sottoporsi ad un addestramento per imparare a prestare attenzione allo schermo.
Una limitazione dello studio era la piccola dimensione del campione: solo sei degli otto cani arruolati nello studio erano in grado di mantenere lo sguardo per almeno 30 secondi su ciascuna delle immagini per soddisfare i criteri sperimentali.
I risultati sono stati chiari, tuttavia, per i sei soggetti in grado di completare l’esperimento. Una regione nel loro lobo temporale ha risposto in modo significativamente maggiore ai filmati di volti umani che ai filmati di oggetti di uso quotidiano. Questa stessa regione ha risposto in modo simile alle immagini fisse di volti umani e di cani, ma in modo significativamente maggiore sia ai volti umani che a quelli di cani che alle immagini di oggetti di uso quotidiano.
Se la risposta dei cani ai volti fosse appresa, ad esempio associando un volto umano al cibo, ci si aspetterebbe di vedere una risposta nel sistema di ricompensa del loro cervello, ma non è così, dice Berns.
Uno studio precedente, decenni fa, utilizzando l’elettrofisiologia, aveva trovato diversi neuroni selettivi del volto nelle pecore.
“Quello studio ha identificato solo poche cellule selettive del volto e non un’intera regione della corteccia”, afferma Daniel Dilks, assistente professore di psicologia di Emory e primo autore dell’attuale studio sui cani.
I ricercatori hanno soprannominato la regione di elaborazione del volto canino che hanno identificato l’area del volto del cane, o DFA.
Gli esseri umani hanno almeno tre regioni di elaborazione del volto nel cervello, inclusa l’area fusiforme del viso, o FFA, che è associata alla distinzione dei volti da altri oggetti. “Possiamo prevedere quali parti del tuo cervello verranno attivate quando guardi i volti”, afferma Dilks. “Questo è incredibilmente affidabile per tutte le persone.”
Un’ipotesi è che distinguere i volti sia importante per qualsiasi creatura sociale.
“I cani convivono con gli esseri umani da più tempo di qualsiasi altro animale”, afferma Dilks. “Sono incredibilmente socievoli, non solo con gli altri membri del loro branco, ma con tutte le specie. Comprendere di più sulla cognizione e la percezione canina può dirci di più sulla cognizione e sulla percezione sociale in generale.”