Ricerche

Grazie ai progressi della tecnologia di scansioni cerebrali della Carnegie Mellon University, ora sappiamo come specifici oggetti concreti vengono codificati nel cervello, al punto in cui siamo in grado di identificare a quale oggetto (ad esempio una casa o una banana) una persona sta pensando, dalla sua firma di attivazione cerebrale.

Ora, gli scienziati della CMU stanno applicando queste conoscenze sulle rappresentazioni neurali di concetti familiari, mentre insegnano alle persone nuovi concetti e osservano le nuove rappresentazioni neurali mentre si sviluppano.

Con la pubblicazione su Human Brain Mapping, gli scienziati hanno documentato per la prima volta la formazione di un concetto appena appreso all'interno del cervello e dimostrano che si presenta nelle stesse aree cerebrali per tutti.

Questa ricerca innovativa fonde scienza del cervello e innovazione didattica, due iniziative della Carnegie Mellon: BrainHub, che si concentra sul modo in cui la struttura e l'attività del cervello danno origine a comportamenti complessi, e The Simon Initiative, che mira a migliorare in modo misurabile gli esiti di apprendimento degli studenti sfruttando decenni di ricerca scientifica sull'apprendimento.

Marcel Just, importante neuroscienziato, si è riferito all'annuncio del 2013 dello Smithsonian Institute sull'«olinguito» (bassaricyon neblina), una specie carnivora di nuova identificazione che mangia principalmente frutta e vive da sola sulle cime degli alberi delle foreste pluviali, come un esempio del tipo di nuovo concetto che le persone apprendono.

"Milioni di persone leggono le informazioni sul'olinguito e nel farlo cambiano il proprio cervello in modo permanente", ha detto Just, professore di Neuroscienze Cognitive nella Facoltà di Scienze Umane e Sociali. "La nostra ricerca si trovava a esaminare proprio questo processo a quel tempo in un ambiente di laboratorio. Quando le persone hanno imparato che la bassaricyon neblina si nutre principalmente di frutta al posto della carne, un'area del loro giro frontale inferiore sinistro - così come molte altre aree - ha memorizzato le nuove informazioni secondo il proprio codice".

Just ha aggiunto che "le nuove conoscenze acquisite dall'annuncio dello Smithsonian si sono codificate nelle stesse aree cerebrali di ogni persona che ha acquisito le nuove informazioni, perché il cervello di ogni persona sembra usare lo stesso sistema di archiviazione".

Per lo studio, Andrew Bauer, studente di dottorato di ricerca in psicologia, e Just hanno insegnato ai 16 partecipanti allo studio la dieta e l'ambiente di vita di animali estinti, per monitorare la crescita delle rappresentazioni neurali di otto nuovi concetti animali nel cervello dei partecipanti.

Basandosi su precedenti risultati, il team di ricerca sapeva «dove» aspettarsi che emergesse la nuova conoscenza nel cervello dei partecipanti. Sia le informazioni sulle abitazioni che quelle sul cibo hanno dimostrato di risiedere nel rispettivo gruppo di aree cerebrali, regioni che sono comuni in tutte le persone.

I partecipanti allo studio hanno ricevuto per un'ora un mini-tutorial zoologico sulle diete e gli habitat degli animali, mentre gli scienziati monitoravano con la risonanza magnetica funzionale (fMRI) l'emergere dei concetti nel cervello dei partecipanti. Mentre venivano insegnate le nuove proprietà, cambiavano i livelli di attivazione delle regioni del cibo e in quelle dell'habitat.

Un risultato importante è stato che dopo il tutorial zoologico, ognuno degli otto concetti sugli animali ha sviluppato la propria unica firma di attivazione. Ciò ha reso possibile a un programma per computer di determinare a quale degli otto animali stava pensando un partecipante in un dato momento. In effetti, il programma leggeva la loro mente mentre essi contemplavano un pensiero nuovo.

Ma anche se gli animali avevano firme univoche di attivazione, gli animali che condividevano proprietà simili (tipo un habitat simile) avevano firme di attivazione simili. Cioè, una somiglianza fra le proprietà di due animali provoca una somiglianza tra le loro firme di attivazione. Questo risultato dimostra che le firme di attivazione non sono solo modelli arbitrari, ma sono significative e interpretabili. "La firma di attivazione di un concetto è composta da diversi tipi di conoscenze del concetto che una persona ha memorizzato, ed ogni tipo di conoscenza è memorizzato in una serie caratteristica di aree", ha detto Just.

Un altro risultato importante è che una volta che si è appresa una proprietà di un animale, essa rimane intatta nel cervello, anche dopo che si apprendono altre proprietà dell'animale. Questa scoperta indica la durata neurale relativa a ciò che si impara.

"Ogni volta che si impara qualcosa, si modifica in modo permanente il nostro cervello, e in modo sistematico", ha detto Bauer, autore principale dello studio. "E' stato emozionante vedere il nostro studio fissare con successo le informazioni su animali estinti nelle posizioni previste nel sistema di archiviazione del cervello".

Just ritiene che lo studio fornisca una base per permettere ai ricercatori del cervello di tracciare il camino di un nuovo concetto nel cervello, dalle parole/grafica usate per insegnare, prefigurando una capacità di valutare i progressi nell'apprendere un concetto complicato come ad esempio quelli di una lezione di fisica nelle scuole superiori. Le analisi dello schema fMRI potrebbero diagnosticare quali aspetti di un concetto non sono capiti (o poco capiti) dagli studenti, un modo per guidare la prossima iterazione di istruzione.

I risultati di questo studio indicano anche che può essere possibile usare un approccio simile per comprendere la 'perdita' di conoscenze in vari disturbi cerebrali, come la demenza o l'Alzheimer, o nelle lesioni cerebrali. La perdita di un concetto nel cervello può essere l'inverso del processo che ha osservato lo studio.