Quando il cervello cerca la strada e la trova

Come facciamo ad andare da via Verdi a piazza Rossi? Iniziamo con una domanda più semplice: come facciamo a sapere che siamo in via Verdi? Mo Costandi, fra i migliori scrittori di neuroscienze, ha raccontato su Scientific American quello che sappiamo finora su come il cervello elabora un percorso da un punto A a un punto B.

Mammiferi come i topi e i ratti determinano la loro posizione nello spazio con almeno tre tipi di neuroni. I neuroni chiamati “place cells”, o cellule di posizione, si attivano quando un animale è in un luogo specifico. Le cosiddette “grid cells”, o cellule della griglia, entrano in azione mentre un animale si sposta. Infine, le “head direction cells” si attivano quando un animale si muove con una certa direzione.

Nell’insieme questi neuroni si trovano nell’ippocampo e tengono traccia delle distanze e della direzione dei movimenti di un animale. In questo modo sembrano registrare le informazioni su dove un animale si trova in ogni dato momento. Si tratta di scoperte importanti che hanno meritato a John O’Keefe e a Edvard e May-Britt Moser il Premio Nobel 2014 per la medicina o la fisiologia.

Ma basta conoscere la propria posizione per calcolare la strada per andare da via Gialli a piazza Neri? Pare di no. Nachum Ulanovsky e colleghi al Weizmann Institute of Science in Israele hanno studiato l’attività di 309 neuroni dell’ippocampo dei rossetti egiziani, una specie di pipistrelli, mentre volavano seguendo rotte piuttosto complicate per raggiungere un posto in cui nutrirsi e riposare.

I ricercatori israeliani hanno individuato un tipo nuovo di neuroni, che hanno chiamato “goal direction”, ovvero neuroni della direzione verso un obiettivo. La cosa interessante è che queste cellule continuavano a funzionare anche quando il punto in cui i rossetti avrebbero dovuto atterrare era nascosto da una tenda. Ciò significa che questi neuroni lavorano su un percorso già memorizzato piuttosto che sulle informazioni sensoriali che ricevono al momento, per esempio dalla vista.

Un rossetto egiziano (Wikipedia)

(Un mito da sfatare è che i pipistrelli siano ciechi: non lo sono in particolare le specie che si nutrono di nettare e hanno una vista piuttosto acuta; alcuni possono vedere addirittura la luce ultravioletta).

Gli scienziati hanno identificato un’altra classe, o funzione, di neuroni: la cosiddetta “goal-distance”, ovvero la distanza dall’obiettivo, che è particolarmente attiva nei rossetti quando mancano due metri all’atterraggio. Altri neuroni ancora sono attivi quando lo spostamento segue uno specifico asse, per esempio da Nord a Sud o da Est a Ovest.

I neuroscienziati discutono se si tratti davvero di cellule nuove o piuttosto di ulteriori funzioni di cellule già note. Dato che i neuroni hanno tutti pressoché lo stesso aspetto e fanno tutti la stessa cosa – trasmettono informazioni tramite segnali elettrici e chimici – il dibattito non è nuovo nelle neuroscienze. A noi che non siamo del mestiere importa poco che si tratti di cellule diverse che fanno cose diverse o delle stesse cellule che assommano più funzioni.

L’essenziale è che l’ippocampo contiene un sistema di guida flessibile che mantiene e trasmette informazioni sia sulla strada reale che un animale deve percorrere per arrivare a destinazione, sia sulla distanza da coprire per arrivare a tale luogo. Il sistema ricorda un po’ i segnali di guida automatica che dirigono un aereo o un missile in un luogo prestabilito, ma permette una maggiore flessibilità.

Cosa succede se si guasta? Ratti che hanno lesioni nell’ippocampo non ricordano la posizione di una piattaforma sommersa, non visibile, in un labirinto sott’acqua: una prova che il sistema esiste e dipende dalla memoria oltre che dai segnali che vengono dai sensi.

Anche noi umani ci orientiamo e spostiamo così nel nostro ambiente? Può darsi, almeno in parte, anche se su di noi abbiamo informazioni meno precise. Gli studi che individuano funzioni specifiche in piccoli gruppi di neuroni (qualche centinaia) si possono effettuare negli altri animali tramite registrazioni elettrofisiologiche. Negli esseri umani dobbiamo accontentarci di tecniche non invasive, a più basso potere di risoluzione. Un esempio è la risonanza magnetica funzionale (fMRI) che mostra attivazioni di aree cerebrali con milioni di neuroni. Tenendo a mente questa limitazione, qualcosa si può dire anche su di noi, per esempio studiando come le persone si muovono e si orientano nelle strade di Londra.

È cominciata con una visita guidata attraverso le strade di Soho una ricerca dell’University College London. Dopo la visita i partecipanti hanno guardato dieci diverse simulazioni al computer di navigazione nelle stesse strade mentre i ricercatori osservavano, tramite la fMRI, quali aree si attivavano di più nel loro cervello. Alcune simulazioni chiedevano ai partecipanti di scegliere, agli incroci, le strade che li avrebbero portati più rapidamente a una determinata destinazione; altre fornivano istruzioni su quale strada prendere a ogni incrocio.

Un incrocio a Soho (Wikipedia): sarà meglio andare a destra o a sinistra? Per rispondere a questa domanda il sistema di orientamento cerebrale deve tenere conto di parecchie informazioni sulla posizione, sulla direzione, sull’obiettivo da raggiungere e sulle possibili strade da prendere.

Durante la simulazione l’attività cerebrale nella parte posteriore dell’ippocampo aumentava insieme al numero delle possibili strade da prendere. L’attività nella parte frontale era invece associata a quella che i ricercatori chiamano “centralità”, ovvero la vicinanza di ogni nuova strada al centro della rete. L’attività in quest’area era particolarmente forte quando i partecipanti erano costretti a fare una deviazione e dovevano riprogrammare il percorso. Anche quest’attività era più intensa al crescere delle opzioni possibili.

Dai risultati di questo studio sembra che l’ippocampo produca due diverse mappe dell’ambiente: una, nella regione frontale, che traccia la distanza in linea retta fino alla destinazione finale, e una, in quella posteriore, che tiene conto del percorso reale, spesso tortuoso. Nell’insieme sembra che la porzione posteriore riattivi memorie spaziali dei possibili percorsi; la parte prefrontale, invece, contribuisce a pianificare il percorso selezionando la migliore fra le opzioni.

La posizione dell’ippocampo nel cervello umano (Wikipedia).

Più si scoprono funzioni, più il GPS cerebrale appare complicato. Finora abbiamo imparato che dipende in parte da ciò che è archiviato in memoria, a breve e a lungo termine, e in parte da ciò che la realtà racconta tramite i sensi. Non tiene solo traccia della distanza e della direzione dei movimenti, ma contiene anche una rappresentazione della direzione e della distanza dal luogo di destinazione. Inoltre aiuta a mantenere la direzione anche quando siamo costretti a fare una deviazione, per esempio per superare un ostacolo.

La cosa davvero interessante è che tutte queste attività cerebrali, nella simulazione, erano spente quando i partecipanti non sceglievano, ma seguivano istruzioni, come avviene con i navigatori satellitari. Forse le cose stanno così: quando qualcos’altro lo sta facendo per noi la fatica, noi evitiamo volentieri di rappresentare il nostro ambiente spaziale e di simulare le possibili strade che potremmo percorrere.

Chi si esercita molto, come i tassisti, sviluppa le aree cerebrali dell’orientamento. Sappiamo da tempo che quel vasto e ingarbugliato intrico di 25.000 strade, tutte un po’ uguali e un po’ diverse, di cui è fatta Londra, ha prodotto un effetto curioso: nei guidatori di taxi londinesi l’ippocampo posteriore è più largo rispetto alla norma, secondo gli studi di Eleanor Maguire all’University College London.

L’effetto si ridurrà nelle nuove generazioni che si affidano al GPS? Per sapere se l’avere delegato la nostra faticosa capacità di orientamento ai navigatori avrà conseguenze a lungo termine, occorrerà almeno una trentina d’anni. Certo è che se uno pensa al cervello come a un muscolo, attività come imparare le strade di una città sono un po’ come sollevare pesi: quando ci affidiamo al navigatore non stiamo esercitando quei “muscoli”.

Che dire di chi quei “muscoli” li ha perduti? La diminuzione delle capacità di orientamento nello spazio è uno dei primi sintomi che compaiono nei malati di Alzheimer. Le nuove conoscenze potrebbero aiutare a progettare ambienti o strumenti di orientamento per chi ha problemi di memoria.

Consigli per chi i problemi ancora non li ha? Evitare la fatica cognitiva è senza dubbio più rilassante, non ci stressiamo, non litighiamo con la moglie che orienta male la mappa… ma forse perdiamo un po’ di allenamento?

Da quando siamo in grado di farlo, noi umani subappaltiamo continuamente pezzi di memoria a protesi esterne. A un omino di pietra che ci indica la direzione da prendere a un bivio su un sentiero di montagna o a una mappa disegnata che ci segnala l’insieme del percorso. Gli aborigeni dipingevano bellissime mappe topografiche del terreno e tracciavano così i loro cammini pedonali, per esempio da un pozzo d’acqua a un altro. La differenza era fra sopravvivere e morire di sete in un deserto.

Alessandro Baricco dice che le mappe lo commuovono perché ci vede quell’istinto dell’umano di porre ordine in quel poco che sappiamo della Terra. Propongo che ci si commuova anche un po’ per il GPS naturale, che abbiamo nella testa, e per quello artificiale che è in grado di dirci gentilmente dove siamo e dove dobbiamo andare.

(Tra le altre cose, il GPS artificiale funziona grazie al molto commovente ingegno di Einstein che con la sua teoria della relatività ha prodotto equazioni senza le quali il software non potrebbe riconoscere così precisamente la nostra posizione).

Per scrivere questo post ho letto Mo Costandi su Scientific American, ho recuperato la ricerca sui tassisti di Londra che avevo scritto in “Piccoli equivoci tra noi animali” e mi sono ricordata delle Mantova Lectures di Alessandro Baricco. Altri articoli che ho consultato sono linkati nel testo. L’immagine di apertura è di un’artista australiana, Naata Nungurrayi, che rievoca le antiche mappe dipinte usate dagli aborigeni per ritrovare i propri luoghi e percorsi.

Per la lezione

Prosegui la lettura

Commenti

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *