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Più che semplici ricordi: nuovo ruolo dell'ippocampo nell'apprendimento

hippocampus recognizes poison ivyL'ippocampo (viola) ricorda, e comunica allo striato (giada), le associazioni nelle caratteristiche dell'ambiente, come il fatto che le piante di edera velenosa hanno le tre foglioline rosse in autunno e primavera, ma verdi in estate.

Gli escursionisti esperti sanno che devono essere prudenti con le piante che hanno foglie composte da tre foglioline, se sono rosse in primavera o in autunno. I genitori di tutto il mondo conoscono il rapporto precario tra la vicinanza al momento di coricarsi e le risse tra i loro figli.


Come riescono gli escursionisti a collegare alla stagione il colore di una foglia per determinare se si tratta di edera velenosa? In che modo i genitori sanno collegare l'ora del giorno con il livello di eccitazione di un bambino per determinare il successo della routine di andare a dormire?


Proprio come i cani di Pavlov producevano saliva quando suonava una campanella, le persone imparano a riconoscere le piante velenose o a prevenire le lacrime da esaurimento del bambino formando associazioni tra i dettagli attorno a loro e ciò che accade.


I ricercatori dell'Arizona State University e della Stanford University hanno analizzato gli schemi dell'attività cerebrale nell'uomo e hanno scoperto un ruolo in precedenza ignoto dell'ippocampo (un'area cerebrale importante per la memoria) nella formazione di associazioni durante l'apprendimento. Lo studio è stato pubblicato il 6 marzo su Nature Communications.


"Questo studio ha implicazioni importanti per capire come i sistemi di memoria del cervello contribuiscono all'apprendimento e al processo decisionale", ha affermato Vishnu Murty, assistente professore di psicologia alla Temple University che non è stato coinvolto nella ricerca. "I risultati potrebbero aiutarci a comprendere la complessità dei deficit decisionali nelle popolazioni in cui l'attenzione si è concentrata principalmente sui deficit di memoria, come il morbo di Alzheimer, altri disturbi psicopatologici e nell'invecchiamento normale".


Quando le persone imparano, costruiscono associazioni tra caratteristiche - come l'ora del giorno e l'umore di un bambino - per prevedere un risultato, tipo se i conflitti tra i bambini finiranno in lacrime.


"Queste associazioni hanno una grande influenza sul comportamento", ha detto Ian Ballard, che ha recentemente conseguito il dottorato in neuroscienza alla Stanford University ed è il primo autore della ricerca. "Ma nel mondo reale, gli oggetti o gli eventi sono definiti da più di una caratteristica o combinazioni di caratteristiche e volevamo capire in che modo il cervello costruisce associazioni su configurazioni simili di caratteristiche".


Per svelare il modo in cui il cervello gestisce il problema della costruzione di associazioni su informazioni complesse e reali, il team di ricerca si è concentrato su una piccola struttura cerebrale che assomiglia a un guscio di lumaca.

 

Un'area del cervello minuscola ma potente

L'ippocampo è circa un terzo delle dimensioni di una gomma da masticare a pallina e questa piccola struttura cerebrale è cruciale per la formazione della memoria. Senza di essa, le persone non possono creare nuovi ricordi su fatti o eventi, come il giorno odierno o i nomi dei colleghi. Durante la formazione della memoria, l'ippocampo rappresenta i singoli dettagli di un evento, come dove hai parcheggiato la tua auto, per essere il più diversi possibile l'uno dall'altro.


"Una sfida della memoria è che è difficile distinguere esperienze simili. Quindi, se usi lo stesso garage per parcheggiare al lavoro ogni giorno, devi ricordare a quale piano e spazio andare alla fine della giornata", ha affermato Samuel McClure, professore associato di psicologia dell'ASU e autore senior dello studio. "Il problema è che è facile confondere dove hai parcheggiato in giorni diversi. L'ippocampo è fondamentale per ricordare la combinazione di dove e quando".


Il modo in cui l'ippocampo forma i ricordi ha fornito un meccanismo del modo in cui combinazioni complesse di caratteristiche potrebbero essere rappresentate nel cervello, ma era tuttora una questione aperta se la piccola struttura a spirale contribuisce effettivamente a far sì che le persone apprendano il mondo.


Per capire come l'ippocampo contribuisce al modo di formare associazioni nel mondo reale, i ricercatori hanno progettato un compito di apprendimento che richiedeva ai partecipanti di usare combinazioni di funzioni per prevedere se ci sarebbe stato un risultato.


Facevano apparire sequenzialmente su uno schermo una serie di immagini con stimoli, come una singola faccia o una faccia insieme a un edificio. I partecipanti dovevano quindi prevedere se dopo le immagini di stimolo sarebbe apparsa un'immagine specifica. L'obiettivo del compito era rispondere il più rapidamente possibile a qualsiasi immagine obiettivo che si presentava.


Solo le combinazioni di due immagini di stimoli, come un viso in coppia con una casa di città, potevano essere usate per prevedere quando sarebbe apparso un obiettivo. Gli stimoli singoli, come l'immagine del viso, non erano utili da soli per la predizione.


Mentre i partecipanti erano impegnati nel compito, il team di ricerca ha usato la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per misurare l'attività cerebrale dell'ippocampo e di altre strutture cerebrali note per essere coinvolte nell'apprendimento. Il team ha poi esaminato gli schemi di attività durante il compito e hanno notato qualcosa di interessante sull'attività nell'ippocampo.


Era l'unica struttura del cervello che rappresentava le immagini dello stimolo legate insieme, il che è importante perché il successo nel compito richiedeva la formazione di associazioni sulle combinazioni per rispondere con precisione alle immagini bersaglio. "Abbiamo scoperto che l'ippocampo rappresentava caratteristiche legate in modo univoco: i volti e le case erano distinti da un volto e una casa uniti", ha detto Ballard.

 

Un nuovo modo con cui l'ippocampo contribuisce all'apprendimento

Quando il team di ricerca ha esaminato come gli schemi di attività nell'ippocampo erano correlati ad altre aree del cervello, hanno scoperto che l'attività dell'ippocampo era strettamente correlata con l'attività nello striato.


Immerso sotto la corteccia, lo striato è costituito da tre strutture separate (il caudato, il putamen e il nucleo accumbens) e ha un ruolo importante nell'apprendere ciò che predice esiti desiderabili. "L'ippocampo formava associazioni legate a molteplici caratteristiche che supportavano l'apprendimento nello striato circa la configurazione di molteplici funzioni nell'ambiente", ha affermato Ballard.


Il modo in cui lo striato gestisce le informazioni durante l'apprendimento è ben noto, ma non si sapeva ancora da dove provengono tutte le informazioni. Ballard ha aggiunto che questo studio inizia a erodere quella domanda mostrando che l'ippocampo fornisce allo striato informazioni sulle combinazioni di caratteristiche e che tali informazioni sono usate per imparare come riuscire nell'attività.


Fino a poco tempo fa, si pensava che il cervello avesse sistemi di apprendimento separati, ma i risultati suggeriscono che il sistema di memoria dell'ippocampo e il sistema di apprendimento striatale di rinforzo sono correlati.


"È davvero importante pensare al cervello come a una struttura interconnessa, con parti diverse che lavorano insieme per produrre le nostre impressionanti imprese mentali. La neuroscienza e la psicologia hanno fatto un buon lavoro nel comprendere come funzionano le singole parti. È emozionante iniziare a cercare di capire come iniziano a lavorare insieme", ha detto McClure. "Sospettiamo che per capire le funzioni mentali normali e quelle malate dobbiamo capire come tutte le parti lavorano insieme .. o no".

 

 

 


Fonte: Arizona State University (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: Ian C. Ballard, Anthony D. Wagner & Samuel M. McClure. Hippocampal pattern separation supports reinforcement learning. Nature Communications, 6 Mar 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08998-1

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