Il cervello ha neuroni che si attivano specificamente durante determinate operazioni matematiche. Lo dimostra un recente studio condotto dalle Università di Tubinga e Bonn. I risultati indicano che alcuni dei neuroni rilevati sono attivi esclusivamente durante le addizioni, mentre altri sono attivi durante le sottrazioni. A loro non importa se l’istruzione di calcolo è scritta come una parola o un simbolo. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Current Biology.
La maggior parte dei bambini delle scuole elementari probabilmente sa già che tre mele più due mele sommano fino a cinque mele. Tuttavia, ciò che accade nel cervello durante tali calcoli è ancora in gran parte sconosciuto. L’attuale studio delle Università di Bonn e Tubinga fa ora luce su questo tema.
I ricercatori hanno beneficiato di una funzione speciale del Dipartimento di Epilettologia dell’Ospedale Universitario di Bonn. È specializzato in procedure chirurgiche sul cervello di persone con epilessia. In alcuni pazienti, le convulsioni provengono sempre dalla stessa area del cervello. Per localizzare con precisione questa zona difettosa, i medici impiantano diversi elettrodi nei pazienti. Le sonde possono essere utilizzate per determinare con precisione l’origine dello spasmo, inoltre l’attività dei singoli neuroni può essere misurata tramite il cablaggio.
Alcuni neuroni si attivano solo quando sommano
Cinque donne e quattro uomini hanno partecipato allo studio in corso. Avevano elettrodi impiantati nel cosiddetto lobo temporale del cervello per registrare l’attività delle cellule nervose. Nel frattempo, i partecipanti dovevano svolgere semplici compiti aritmetici. “Abbiamo scoperto che diversi neuroni si attivavano durante le addizioni rispetto alle sottrazioni“, spiega il Prof. Florian Mormann del Dipartimento di Epilettologia dell’Ospedale Universitario di Bonn.
Non è vero che alcuni neuroni rispondevano solo al segno “+” e altri solo al segno “-“: “Anche quando abbiamo sostituito i simboli matematici con le parole, l’effetto è rimasto lo stesso”, spiega Esther Kutter, che è dottorando nel gruppo di ricerca del Prof. Mormann. “Ad esempio, quando ai soggetti è stato chiesto di calcolare ‘5 più 3’, i loro neuroni di addizione sono tornati in azione; mentre per ‘7 meno 4’, lo hanno fatto i loro neuroni di sottrazione”.
Ciò mostra che le cellule scoperte codificano effettivamente un’istruzione matematica per l’azione. L’attività cerebrale ha quindi mostrato con grande precisione che tipo di compiti stavano attualmente calcolando i soggetti del test: i ricercatori hanno inserito i modelli di attività delle cellule in un programma per computer di autoapprendimento.
Allo stesso tempo, hanno detto al software se i soggetti stavano attualmente calcolando una somma o una differenza. Quando l’algoritmo è stato confrontato con nuovi dati di attività dopo questa fase di addestramento, è stato in grado di identificare con precisione durante quale operazione di calcolo era stato registrato.
Il Prof. Andreas Nieder dell’Università di Tubinga ha supervisionato lo studio insieme al Prof. Mormann. “Sappiamo dagli esperimenti con le scimmie che nei loro cervelli esistono anche neuroni specifici per determinate regole computazionali”, dice. “Negli esseri umani, tuttavia, non ci sono quasi dati al riguardo”.
Durante la loro analisi, i due gruppi di lavoro si sono imbattuti in un fenomeno interessante: una delle regioni cerebrali studiate era la cosiddetta corteccia paraippocampale. Anche lì i ricercatori hanno trovato cellule nervose che si attivavano specificamente durante l’addizione o la sottrazione. Tuttavia, riassumendo, diversi neuroni di addizione sono diventati alternativamente attivi durante lo stesso compito aritmetico.
In senso figurato, è come se il tasto più sulla calcolatrice cambiasse continuamente la sua posizione. Era lo stesso con la sottrazione. I ricercatori si riferiscono anche a questo come “codifica dinamica”.
“Questo studio segna un passo importante verso una migliore comprensione di una delle nostre abilità simboliche più importanti, ovvero il calcolo con i numeri”, sottolinea Mormann. Le due squadre di Bonn e Tubinga ora vogliono indagare esattamente quale ruolo giocano le cellule nervose trovate in questo scenario.
I risultati dimostrano che l’attività dei neuroni nell’MTL trasporta informazioni sufficienti per consentire a un classificatore statistico di discriminare tra istruzioni di addizione e sottrazione durante il calcolo mentale.
Dopo essere stato addestrato sull’attività durante l’elaborazione mentale di una notazione di regola, la decodifica si è generalizzata a un’altra notazione indicando la stessa operazione aritmetica. Questa generalizzazione osservata per segni e parole aritmetiche implica una rappresentazione astratta e indipendente dalla notazione delle regole aritmetiche.
Pertanto, la ricerca svela un correlato neuronale per l’aritmetica mentale, che generalizza tra compiti di calcolo che coinvolgono simboli matematici appresi. Lo studio è stato finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) e dalla Fondazione Volkswagen.
