Attivazione dei neuroni
Le cellule nervose del cervello possono rilevare un piccolo numero di cose meglio di un gran numero in base a due meccanismi di trasformazione separati
Quando ci vengono poste davanti due, tre o quattro mele, siamo in grado di riconoscere molto rapidamente il numero delle mele. Tuttavia, se ci sono cinque o più mele, abbiamo bisogno di molto più tempo e spesso indoviniamo anche il numero sbagliato. In effetti, il cervello registra effettivamente un numero minore di cose in modo diverso rispetto a quantità più grandi. Ciò è stato dimostrato in un recente studio condotto dall'University of Tübingen, University of Bonn e dall'University Hospital Bonn. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature Human Behavior (1).
Se piccole quantità numeriche siano rappresentate da uno speciale sistema di subitizzazione distinto da un sistema di stima di grandi numeri è stato dibattuto per oltre un secolo. Gli scienziati teorizzano che due meccanismi neurali separati sono alla base della rappresentazione di numeri piccoli e grandi. Essi hanno trovato un confine nella codifica neuronale attorno al numero 4 che è correlato alla transizione comportamentale dalla subitizzazione alla stima. Nell'intervallo di subitizzazione, i neuroni hanno mostrato una selettività di sintonizzazione superiore accompagnata da effetti di soppressione suggestivi dell'inibizione dell'ambiente circostante come meccanismo di aumento della selettività. Al contrario, la selettività di sintonizzazione diminuiva con l'aumento dei numeri oltre 4, caratterizzando un sistema di stima dei numeri dipendente dal rapporto. I due sistemi con il confine di codifica che li separa sono stati indicati anche utilizzando analisi di decodificazione e clustering.
Immaginiamo che qualcuno ci mostri la foto di un quartetto d'archi e ci chieda di dire quante persone ci sono nella foto. Non c’è abbastanza tempo per contarli ma tutti possiamo rispondere di colpo: “Quattro!” L'immagine successiva mostra un settetto (settimino) e ancora una volta ci viene concesso solo il tempo sufficiente per dare una rapida occhiata. Esitiamo e questa volta non siamo così sicuri: “Otto”. Il numero corretto in realtà è sette ma eravamo molto vicini.
Sembra che ci siano due modi distinti in cui noi come esseri umani tendiamo a elaborare un numero di cose: di solito siamo in grado di rilevare piccoli numeri di cose molto rapidamente e correttamente. Questo è anche descritto come “subitizing” nei circoli di ricerca. Tuttavia, questo metodo cambia improvvisamente quando ci sono cinque o più elementi: abbiamo bisogno di sempre più tempo per rispondere e le nostre risposte diventano sempre più imprecise.
Alcuni ricercatori hanno quindi ipotizzato che nel cervello esistano due diversi metodi di elaborazione: uno preciso per i piccoli numeri e un meccanismo di stima per un numero maggiore di cose. «Tuttavia questa idea è stata finora contestata», spiega il professor Florian Mormann del Dipartimento di epilettologia dell'University Hospital Bonn, che svolge ricerca presso l'University of Bonn. «Potrebbe anche darsi che il nostro cervello faccia sempre una stima, ma i tassi di errore per un numero minore di cose sono così bassi che semplicemente passano inosservati».
I neuroni per un numero minore di cose sono più selettivi
Il recente studio, tuttavia, indica in realtà che elaboriamo effettivamente piccole e grandi quantità di cose in modo diverso. I gruppi di ricerca coinvolti nel progetto sono riusciti alcuni anni fa a dimostrare che nel cervello sono presenti cellule nervose responsabili di ciascun numero. Alcuni neuroni, ad esempio, si attivano principalmente per due elementi, altri per quattro elementi e altri ancora per sette elementi. «Tuttavia, i neuroni si attivano anche in risposta a leggere variazioni nel numero», spiega il professor Andreas Nieder (2) dell'University of Tübingen, che è stato l'altro autore principale dello studio insieme a Mormann. «Una cellula cerebrale per un numero di “sette” elementi si attiva quindi anche per sei e otto elementi, ma più debolmente. La stessa cellula è ancora attivata ma ancora meno per cinque o nove elementi».
Il dottor Nieder è già riuscito a dimostrare questo “effetto della distanza numerica” in esperimenti su scimmie. È interessante notare che questo effetto sembra verificarsi solo negli esseri umani in numeri più elevati. «Sembra che esista un ulteriore meccanismo per i numeri inferiori a cinque elementi che rende questi neuroni più precisi», afferma il neurobiologo.
Quando una cellula cerebrale per un numero di tre cose si attiva, inibisce contemporaneamente le cellule cerebrali per i numeri due e quattro. Ciò riduce il rischio che queste celle si attivino in modo errato anche per il numero tre. Tuttavia, questo meccanismo non esiste per i neuroni attivati per i numeri cinque, sei o otto. Questo è il motivo per cui esiste un tasso di errore più elevato per questi numeri.
Osservazione delle singole cellule cerebrali al lavoro
Una particolarità dell'University Hospital Bonn è stata utile ai ricercatori nel loro studio: il dipartimento di epilettologia dell'ospedale è specializzato in chirurgia cerebrale. I medici cercano di curare l'epilessia eseguendo operazioni per rimuovere il tessuto nervoso malato. Per identificare la posizione del focolaio epilettogeno, a volte inseriscono prima degli elettrodi nel cervello della persona colpita.
Diciassette pazienti hanno partecipato all'ultimo studio. Per prepararsi all'intervento venivano inseriti nel lobo temporale dei microelettrodi sottili quanto un capello umano. «Con loro abbiamo potuto misurare la reazione delle singole cellule nervose agli stimoli visivi», spiega la dottoressa Esther Friederice Kutter (3), che ha effettuato gran parte degli esperimenti per il suo dottorato nel gruppo di ricerca diretto dal Professor Florian Mormann (4).
I soggetti del test erano seduti davanti allo schermo di un computer sul quale apparivano diversi numeri di punti per mezzo secondo. Ai partecipanti è stato poi chiesto di dichiarare se avevano visto un numero pari o dispari di punti. Sono stati in grado di rispondere molto rapidamente e praticamente non hanno commesso errori fino a un numero di quattro punti. Successivamente, il numero di errori aumentava con il numero di punti, così come la quantità di tempo di riflessione necessaria ai partecipanti per completare il proprio compito.
Il sistema di subitizzazione a piccoli numeri identificato potrebbe essere collegato all'attenzione e alla memoria di lavoro che mostrano limitazioni di capacità comparabili. Questo lavoro aprirà nuove conoscenze su come i numeri vengono elaborati nel cervello umano. A lungo termine, i risultati potrebbero portare a una migliore comprensione della discalculia, un disturbo dello sviluppo associato a una scarsa comprensione dei numeri.
Allo studio hanno partecipato: The University of Tübingen, l'University of Bonn e l'University Hospital Bonn. La ricerca è stata finanziata dal German Research Foundation (DFG), dal German Federal Ministry for Education and Research (BMBF) e dal Behave Research Network con sede in North Rhine-Westphalia.
Riferimenti:
(1) Distinct neuronal representation of small and large numbers in the human medial temporal lobe
(2) Andreas Nieder
(4) Florian Mormann
Descrizione foto: Raffigurazione di come i neuroni si attivano. - Credit: Christian Burkert/Volkswagen-Stiftung/University of Bonn.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Nerve cells can detect small numbers of things better than large numbers of things