Riuscire a capire come pedalare in bici e memorizzare le regole degli scacchi sono attività che richiedono due tipi diversi di apprendimento e ora per la prima volta dei ricercatori sono riusciti a distinguere ogni tipo di apprendimento dalla forma dell'onda cerebrale che produce.

Queste firme neurali divergenti potrebbero guidare gli scienziati mentre studiano la neurobiologia sottostante all'apprendimento sia di abilità motorie che di complessi compiti cognitivi, dice Earl K. Miller, Professore di Neuroscienze del MIT e autore senior della ricerca pubblicata l'11 ottobre su Neuron.

Quando i neuroni 'sparano', producono segnali elettrici che si combinano per formare onde cerebrali oscillanti a diverse frequenze. "Il nostro obiettivo finale è aiutare le persone con deficit di memoria e di apprendimento", osserva Miller. "Potremmo trovare un modo per stimolare il cervello umano o ottimizzare le tecniche di addestramento per mitigare quei deficit".

Le firme neurali potrebbero aiutare a identificare i cambiamenti nelle strategie di apprendimento che avvengono in malattie come l'Alzheimer, con un occhio alla loro diagnosi precoce, o a migliorare alcuni tipi di apprendimento per aiutare i pazienti ad affrontare il disordine, afferma Roman F. Loonis, il primo autore dello studio, i cui coautori sono Scott L. Brincat, ricercatore dell'Istituto Picower ed Evan G. Antzoulatos, ex post-dottorato del MIT ora all'Università della California di Davis.

Apprendimento esplicito vs implicito

Gli scienziati pensavano che tutto l'apprendimento fosse uguale, spiega Miller, fino a quando non hanno saputo di pazienti come il famoso Henry Molaison o "HM", che ha sviluppato una grave amnesia nel 1953 dopo che è stata rimossa una parte del suo cervello in un'operazione, per controllare le sue crisi epilettiche. Molaison non riusciva più a ricordare di aver fatto colazione qualche minuto dopo, ma era in grado di apprendere e trattenere le competenze motorie che aveva imparato, come tracciare oggetti tipo una stella a cinque punte in uno specchio.

“H.M. e altre amnesici migliorano queste abilità nel tempo, anche se non hanno alcuna ricordo di aver fatto queste cose prima", dice Miller. La linea di demarcazione ha rivelato che il cervello si impegna in due tipi di apprendimento e di memoria: esplicito e implicito.

L'apprendimento esplicito "è imparare di avere una consapevolezza cosciente, quando pensi a ciò che stai imparando e che puoi esprimere ciò che hai imparato, come memorizzare un lungo brano di un libro o apprendere le fasi di un gioco complesso come gli scacchi", spiega Miller.

"L'apprendimento implicito è il contrario. Potresti chiamarlo apprendimento delle abilità motorie o memoria muscolare, il tipo di apprendimento a cui non hai accesso cosciente, come imparare a correre in bicicletta o a correre", aggiunge. "Facendolo, migliori sempre di più, ma non puoi realmente esprimere quello che stai imparando". Molte attività, come imparare a suonare un nuovo pezzo musicale, richiedono entrambi i tipi di apprendimento, osserva.

Onde cerebrali da studi precedenti

Quando i ricercatori del MIT hanno studiato il comportamento degli animali che imparavano diversi compiti, hanno trovato i segni che compiti diversi potrebbero richiedere l'apprendimento esplicito o implicito. Nelle mansioni che richiedevano di confrontare e far corrispondere due cose, ad esempio, gli animali sembravano usare risposte sia corrette che non corrette, per migliorare le corrispondenze successive, indicando una forma esplicita di apprendimento.

Ma in un compito in cui gli animali hanno imparato a spostare lo sguardo in una direzione o in un'altra in risposta a diversi modelli visivi, hanno migliorato le loro prestazioni reagendo solo a risposte corrette, suggerendo l'apprendimento implicito.

Inoltre, i ricercatori hanno trovato che questi diversi tipi di comportamento sono accompagnati da diversi modelli di onde cerebrali. Durante compiti di apprendimento espliciti, si è verificato un aumento delle onde cerebrali alfa2-beta (oscillanti a 10-30 hertz) dopo una scelta corretta e un aumento delle onde delta-theta (3-7 hertz) dopo una scelta errata. Le onde alpha2-beta aumentavano con l'apprendimento durante compiti espliciti, poi diminuivano mentre l'apprendimento progrediva.

I ricercatori hanno anche visto segni di un picco neurale nelle attività che si verificano in risposta a errori comportamentali, chiamati 'negatività correlate agli eventi', solo nei compiti che si pensava richiedessero l'apprendimento esplicito.

L'aumento delle onde cerebrali alfa-2-beta durante l'apprendimento esplicito "potrebbe riflettere la costruzione di un modello del compito", spiega Miller. "E poi, dopo che l'animale apprende l'operazione, i ritmi alpha-beta cadono, perché il modello è già stato costruito".

Al contrario, i ritmi delta-theta aumentavano solo con risposte corrette durante un compito di apprendimento implicito e diminuivano durante l'apprendimento. Miller dice che questo modello potrebbe riflettere il "riavvolgimento" neurale che codifica l'abilità motoria durante l'apprendimento. "Questo ci ha dimostrato che esistono meccanismi in gioco durante l'apprendimento esplicito che sono diversi da quello implicito", osserva.

Il potenziamento futuro dell'apprendimento

Loonis afferma che le firme d'onda del cervello potrebbero essere particolarmente utili per modellare il modo di insegnare o addestrare una persona mentre impara un compito specifico. "Se potessimo individuare il tipo di apprendimento che sta avvenendo, potremmo potenziare o fornire migliori risposte a quell'individuo", dice. "Ad esempio, se sta usando di più l'apprendimento implicito, è più probabile che si stia basando su risposte positive e potremmo modificare il suo apprendimento per trarre un beneficio da ciò".

Loonis dice che le firme neurali potrebbero anche aiutare a individuare malattie come l'Alzheimer in una fase precedente: "Con la demenza, nell'Alzheimer scompare di fatto una specie di apprendimento esplicito, e ci può essere una regressione a un tipo diverso di apprendimento implicito", spiega. "Poiché uno dei sistemi di apprendimento è spento, devi contare sull'altro".

Studi precedenti avevano dimostrato che alcune parti del cervello, come l'ippocampo, sono legate più strettamente all'apprendimento esplicito, mentre aree come i gangli basali sono coinvolti di più nell'apprendimento implicito. Ma Miller dice che lo studio delle onde cerebrali indica "molta sovrapposizione tra questi due sistemi: condividono molte delle stesse reti neurali".