Fermandoci a pensare prima di prendere una decisione importante, possiamo immaginare i potenziali risultati delle diverse scelte che potremmo fare. Sebbene questa “simulazione mentale” sia fondamentale per il modo in cui pianifichiamo e prendiamo decisioni nella vita di tutti i giorni, il modo in cui il cervello lavora per raggiungere questo obiettivo non è ben compreso.
I meccanismi del cervello usati nella pianificazione
Un team internazionale di scienziati ha ora scoperto i meccanismi neurali utilizzati nella pianificazione. I suoi risultati, pubblicati sulla rivista Nature Neuroscience , suggeriscono che un’interazione tra la corteccia prefrontale del cervello e l’ippocampo ci consente di immaginare risultati futuri per guidare le nostre decisioni.
“La corteccia prefrontale agisce come un ‘simulatore’, testando mentalmente possibili azioni utilizzando una mappa cognitiva memorizzata nell’ippocampo”, spiega Marcelo Mattar, assistente professore presso il Dipartimento di Psicologia della New York University e uno degli autori dell’articolo.
“Questa ricerca fa luce sui meccanismi neurali e cognitivi della pianificazione, una componente fondamentale dell’intelligenza umana e animale. Una comprensione più profonda di questi meccanismi cerebrali potrebbe in definitiva migliorare il trattamento dei disturbi che influenzano le capacità decisionali.”
I ruoli sia della corteccia prefrontale, utilizzata nella pianificazione e nel processo decisionale, sia dell’ippocampo, utilizzato nella formazione e nell’immagazzinamento della memoria, sono stati stabiliti da tempo. Tuttavia, i loro compiti specifici nel processo decisionale deliberativo, che sono i tipi di decisioni che richiedono di pensare prima di agire, sono meno chiari.
Per illuminare i meccanismi neurali della pianificazione, Mattar e i suoi colleghi – Kristopher Jensen, neuroscienziato computazionale presso l’University College di Londra, e Guillaume Hennequin, professore di neuroscienze computazionali presso l’Università di Cambridge – hanno sviluppato un modello computazionale per prevedere l’attività cerebrale durante la pianificazione.
Hanno poi analizzato i dati sia degli esseri umani che dei ratti da laboratorio per confermare la validità del modello: una rete neurale ricorrente (RNN), che apprende modelli basati sulle informazioni in arrivo.
Il modello ha tenuto conto delle conoscenze esistenti in materia di pianificazione e ha aggiunto nuovi livelli di complessità, comprese le “azioni immaginate”, catturando così il modo in cui il processo decisionale implica la valutazione dell’impatto delle scelte potenziali, in modo simile a come un giocatore di scacchi immagina sequenze di mosse prima di impegnarsi in una. . Queste simulazioni mentali di potenziali futuri, modellate come interazioni tra la corteccia prefrontale e l’ippocampo, ci consentono di adattarci rapidamente a nuovi ambienti, come fare una deviazione dopo aver scoperto che una strada è bloccata.
Gli scienziati hanno convalidato questo modello computazionale utilizzando sia dati comportamentali che neurali. Per valutare la capacità del modello di prevedere il comportamento, gli scienziati hanno condotto un nuovo esperimento misurando il modo in cui gli esseri umani navigavano in un labirinto online sullo schermo di un computer e quanto tempo dovevano pensare prima di ogni passo.
Per convalidare le previsioni del modello sul ruolo dell’ippocampo nella pianificazione, hanno analizzato le registrazioni neurali dei roditori che percorrevano un labirinto fisico configurato nello stesso modo dell’esperimento umano. Assegnando un compito simile agli esseri umani e ai ratti, i ricercatori hanno potuto tracciare paralleli tra i dati comportamentali e quelli neurali, un aspetto particolarmente innovativo di questa ricerca.
I risultati sperimentali erano coerenti con il modello computazionale, mostrando un’intricata interazione tra la corteccia prefrontale e l’ippocampo. Negli esperimenti umani, l’attività cerebrale dei partecipanti rifletteva più tempo dedicato a pensare prima di agire nella navigazione nel labirinto. Negli esperimenti con i ratti da laboratorio, le risposte neurali degli animali nel muoversi nel labirinto somigliavano alle simulazioni del modello.
“Nel complesso, questo lavoro fornisce conoscenze fondamentali su come questi circuiti cerebrali ci consentono di pensare prima di agire per prendere decisioni migliori”, osserva Mattar. “Inoltre, un metodo in cui sia i partecipanti sperimentali umani che quelli animali e gli RNN siano stati tutti addestrati a svolgere lo stesso compito offre un modo innovativo e fondamentale per ottenere informazioni dettagliate sui comportamenti.”
Le mappe cognitive in alcune regioni del cervello vengono compresse durante il processo decisionale finalizzato alla ricerca di obiettivi
Il processo decisionale umano è stato al centro di un’ampia gamma di studi di ricerca. Collettivamente, questi sforzi di ricerca potrebbero aiutare a comprendere meglio il modo in cui le persone effettuano diversi tipi di scelte quotidiane, facendo allo stesso tempo luce sui processi neurali alla base di queste scelte.
I risultati suggeriscono che mentre prendono decisioni istantanee, o in altre parole, scelte che devono essere fatte rapidamente sulla base delle informazioni disponibili in un dato momento, gli esseri umani fanno molto affidamento sulle informazioni contestuali. Queste informazioni contestuali possono anche guidare le cosiddette decisioni sequenziali, che comportano una scelta dopo aver osservato lo svolgersi sequenziale di un processo.
Ricercatori dell’Università di Oxford, del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Roma, dell’University College di Londra (UCL) e del Max Planck Institute for Human Development hanno recentemente condotto uno studio esplorando l’impatto del contesto sul processo decisionale mirato agli obiettivi. I loro risultati, pubblicati su Neuron , suggeriscono che la ricerca di obiettivi “comprime” le mappe spaziali nell’ippocampo e nella corteccia orbitofrontale del cervello.
“Gli esseri umani possono orientarsi in modo flessibile per raggiungere i propri obiettivi”, hanno scritto Paul S. Muhie-Karbe, Hannah Sheahan e i loro colleghi nel loro articolo. “Abbiamo chiesto in che modo la rappresentazione neurale dello spazio allocentrico viene distorta dal comportamento diretto a un obiettivo. I partecipanti hanno guidato un agente verso due posizioni di obiettivo successive in un ambiente a griglia comprendente quattro stanze interconnesse, con un segnale contestuale che indicava la dipendenza condizionale di una posizione di obiettivo da un altro.”
Per esplorare ulteriormente ciò che accade nel cervello durante il processo decisionale mirato, i ricercatori hanno condotto un esperimento coinvolgendo 27 partecipanti umani . Questi partecipanti hanno completato un compito sullo schermo di un computer, che prevedeva la navigazione in un ambiente virtuale controllando un avatar.
Questo avatar potrebbe muoversi attraverso un mondo parzialmente visibile rappresentato sotto forma di griglia. Questo mondo virtuale comprendeva quattro diverse stanze collegate tra loro, e i partecipanti vedevano solo la stanza occupata dal loro avatar dall’alto (cioè con una vista a volo d’uccello).
Durante ogni prova sperimentale, l’avatar dei partecipanti appariva in una stanza scelta a caso, e ai partecipanti veniva chiesto di spostarlo utilizzando i pulsanti su una tastiera per raccogliere ricompense scontrandosi con alcuni massi evitando quelli vuoti.
All’inizio di ogni prova, ai partecipanti veniva anche offerto uno spunto contestuale, che nascondeva indizi parziali che suggerivano (ma non rivelavano chiaramente) dove avrebbero potuto essere trovate le ricompense nel mondo virtuale. In particolare, quando i partecipanti completavano questo compito che richiedeva un processo decisionale mirato agli obiettivi, la loro attività cerebrale veniva registrata da uno scanner fMRI.
“Esaminando la geometria neurale con cui la stanza e il contesto sono stati codificati nei segnali fMRI, abbiamo scoperto che rappresentazioni simili a mappe dell’ambiente emergono sia nell’ippocampo che nella neocorteccia”, hanno scritto Muhie-Karbe, Sheahan e i loro colleghi.
“Le mappe cognitive nell’ippocampo e nella corteccia orbitofrontale sono state compresse in modo che le posizioni indicate come obiettivi fossero codificate insieme nello spazio degli stati neurali, e queste distorsioni prevedevano un apprendimento di successo. Questo effetto è stato catturato da un modello computazionale in cui le posizioni attuali e future sono codificate congiuntamente in un place code, fornendo una teoria su come gli obiettivi deformano la rappresentazione neurale dello spazio in segnali neurali macroscopici.”
In sostanza, Muhie-Karbe, Sheahan e i loro colleghi hanno scoperto che l’ambiente a cui hanno avuto accesso virtualmente i partecipanti era codificato sotto forma di mappa in alcune parti del loro cervello, in particolare nell’ippocampo e nella neocorteccia. È interessante notare, tuttavia, che queste mappe cognitive erano in qualche modo compresse e codificavano posizioni rilevanti per l’obiettivo che stavano cercando di raggiungere insieme.
Questi risultati gettano nuova luce sulle basi neurali del processo decisionale diretto a un obiettivo, suggerendo che il cervello potrebbe utilizzare meccanismi di compressione per modulare contestualmente le informazioni sensoriali durante il processo decisionale per raggiungere un obiettivo specifico. In futuro, nuovi studi potrebbero approfondire questi processi di compressione, il che potrebbe portare a nuove affascinanti scoperte sul cervello.
