Come fa il nostro cervello a dare un senso a una sinfonia di luci in movimento, creando un’esperienza visiva coerente? Questa è la domanda che ha guidato la ricerca di Valeria Centanino, Gianfranco Fortunato e Domenica Bueti del gruppo di Neuroscienze cognitive della SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste).
Il loro studio rivela una gerarchia funzionale all’interno della corteccia cerebrale umana, dove spazio e tempo vengono elaborati in modo diverso a seconda della regione cerebrale coinvolta.
Il cervello umano e l’elaborazione di spazio e tempo
Nelle regioni posteriori del cervello, dove le informazioni visive vengono ricevute per la prima volta, spazio e tempo vengono elaborati congiuntamente. Questo significa che i neuroni in queste aree rispondono sia alla posizione che alla durata degli stimoli visivi, integrando queste due dimensioni in un’unica rappresentazione. Immaginate che questi neuroni siano come “sensori” che registrano sia dove si trova una lucciola, sia per quanto tempo rimane accesa.
Man mano che l’elaborazione delle informazioni visive si sposta verso le aree parietali e frontali, spazio e tempo iniziano a essere elaborati separatamente. In queste aree, i neuroni diventano più selettivi, rispondendo specificamente alla posizione o alla durata degli stimoli, ma non a entrambe contemporaneamente. È come se la materia cerebrale dividesse il lavoro, con alcune aree specializzate nel “dove” e altre nel “quando“.
Un’altra scoperta interessante dello studio è che il modo in cui il tempo viene codificato varia nelle diverse regioni del cervello. Nelle aree posteriori, dove spazio e tempo sono elaborati insieme, il tempo è codificato nell’attività della stessa popolazione neurale. Ciò significa che più a lungo rimane accesa una lucciola, più intensamente si attivano questi neuroni. Nelle aree parietali e frontali, invece, dove spazio e tempo sono elaborati separatamente, il tempo è codificato da popolazioni neurali distinte, ciascuna delle quali risponde a specifiche durate. È come se avesse un “orologio interno” con diverse “lancette” che si attivano a seconda della durata da misurare.
Questa gerarchia funzionale, in cui l’elaborazione di spazio e tempo si evolve dalle aree posteriori alle aree parietali e frontali, permette di gestire in modo efficiente le informazioni visive complesse. L’elaborazione congiunta di spazio e tempo nelle aree posteriori consente di creare una rappresentazione integrata degli stimoli visivi, mentre la separazione di queste due dimensioni nelle aree parietali e frontali permette di analizzare le informazioni in modo più dettagliato e flessibile.
Lo studio della SISSA apre nuove prospettive sulla comprensione dei meccanismi neurali che sottendono la percezione di spazio e tempo. Queste scoperte potrebbero avere implicazioni importanti per la ricerca su disturbi neurologici che compromettono la capacità di elaborare le informazioni visive, come ad esempio la negligenza spaziale o i disturbi dell’attenzione.
Il cervello umano elabora le informazioni visive relative a spazio e tempo attraverso una gerarchia funzionale, passando da un’elaborazione congiunta nelle aree posteriori a una separata nelle aree parietali e frontali. Il modo in cui il tempo viene codificato varia anch’esso a seconda della regione cerebrale coinvolta. Questa organizzazione permette al cervello di gestire in modo efficiente le informazioni visive complesse e potrebbe essere cruciale per la ricerca su disturbi neurologici.
Simulazione e registrazione dell’attività cerebrale
Per comprendere meglio come il cervello elabora le informazioni visive in contesti dinamici, i ricercatori hanno condotto un esperimento in cui i partecipanti sani dovevano valutare la durata di stimoli visivi presentati in diverse posizioni e per periodi di tempo variabili. Durante questo compito, l’attività cerebrale dei partecipanti è stata monitorata attraverso la risonanza magnetica funzionale (fMRI) ad alta risoluzione spaziale.
La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una tecnica di neuroimaging che permette di misurare l’attività cerebrale in modo non invasivo. In questo studio, l’fMRI è stata utilizzata per registrare le risposte neurali dei partecipanti mentre svolgevano il compito di valutazione della durata degli stimoli visivi. L’alta risoluzione spaziale della fMRI ha permesso ai ricercatori di identificare con precisione le aree del cervello coinvolte nell’elaborazione di spazio e tempo.
Nella regione posteriore del cervello, precisamente nella corteccia visiva occipitale, deputata all’elaborazione iniziale degli input visivi, spazio e tempo sono strettamente interconnessi. In questa area del cervello, i neuroni rispondono sia alla posizione che alla durata di uno stimolo visivo. L’attività cerebrale in queste popolazioni di neuroni aumenta in proporzione alla durata dello stimolo visivo. In altre parole, più a lungo viene mostrato uno stimolo, maggiore è l’attivazione neuronale in quest’area.
Lo studio ha evidenziato come il legame tra spazio e tempo nel cervello umano sia tutt’altro che statico, variando a seconda delle aree cerebrali coinvolte. In particolare, è stato osservato che nella corteccia visiva occipitale, spazio e tempo vengono elaborati congiuntamente, con l’attività neuronale che riflette la durata dello stimolo visivo.
Se nelle regioni posteriori del cervello, in particolare nella corteccia visiva occipitale, spazio e tempo vengono elaborati congiuntamente, nelle regioni anteriori si assiste a un cambiamento significativo. Nelle aree premotorie frontali, coinvolte nella pianificazione dei movimenti, il tempo viene elaborato in modo indipendente dalla posizione dello stimolo visivo. In altre parole, queste aree cerebrali si concentrano esclusivamente sull’elaborazione del “quando”, senza tenere conto del “dove”.
Gli autori dello studio hanno fatto un’altra scoperta interessante: “Nelle aree frontali, la durata viene codificata in modo diverso rispetto alle aree posteriori. Qui, popolazioni di neuroni distinte rispondono a specifiche durate, e neuroni che preferiscono durate simili sono raggruppati sulla superficie corticale, formando delle vere e proprie ‘mappe del tempo‘”.
In una regione intermedia di questa gerarchia corticale, nello specifico nella corteccia parietale, nota per integrare diverse fonti di informazione e situata funzionalmente tra la corteccia premotoria occipitale e quella frontale, la relazione tra spazio e tempo è multiforme. I tre ricercatori spiegano: “Alcune popolazioni neuronali rispondevano sia alla posizione che alla durata dello stimolo, mentre altre rispondevano solo a una di queste dimensioni. La risposta al tempo era, in alcuni casi, monotona come nella corteccia occipitale, mentre in altri mostrava selettività per durate specifiche, simili alle aree anteriori.”
In una posizione intermedia nella gerarchia corticale, la corteccia parietale si distingue per la sua capacità di integrare diverse fonti di informazione. Situata funzionalmente tra la corteccia occipitale (che elabora le informazioni visive iniziali) e la corteccia frontale (che si occupa della pianificazione dei movimenti), la corteccia parietale gioca un ruolo cruciale nell’elaborazione di spazio e tempo.
La corteccia parietale, situata in una posizione cruciale nella gerarchia dell’elaborazione corticale, svolge un ruolo fondamentale nell’integrazione di diverse fonti di informazione, tra cui spazio e tempo. Questa regione del cervello, posta tra la corteccia occipitale (che elabora le informazioni visive iniziali) e la corteccia frontale (che si occupa della pianificazione dei movimenti), mostra una relazione complessa tra spazio e tempo.
I ricercatori hanno osservato che nella corteccia parietale coesistono diversi meccanismi di elaborazione. Alcune popolazioni neuronali, che potremmo definire “integratori“, rispondono sia alla posizione che alla durata dello stimolo visivo, suggerendo un’integrazione di queste due dimensioni. Altre popolazioni neuronali, invece, che potremmo chiamare “specializzate“, rispondono selettivamente solo alla posizione o solo alla durata dello stimolo, indicando una separazione funzionale.
Anche la codifica del tempo varia all’interno della corteccia parietale. In alcuni casi, la risposta al tempo è simile a quella osservata nella corteccia occipitale: l’attività neuronale aumenta in proporzione alla durata dello stimolo. In altri casi, invece, i neuroni mostrano una preferenza per durate specifiche, come nelle aree frontali. La complessità dell’elaborazione spazio-temporale nella corteccia parietale suggerisce che questa regione svolge un ruolo fondamentale nell’integrare le informazioni sensoriali e nel guidare il comportamento. La coesistenza di diversi meccanismi di elaborazione potrebbe riflettere la necessità di adattarsi a diverse situazioni e compiti.
Conclusioni
“Il nostro studio“, concludono Centanino, Fortunato e Bueti, “rappresenta un importante passo avanti nella comprensione di come spazio e tempo, due pilastri fondamentali della nostra esperienza del mondo, vengono elaborati e integrati nel cervello umano“.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications.
