L’attività cerebrale durante stati di apparente riposo, come la deambulazione in un parco o l’esplorazione di un centro commerciale, costituisce un’area di crescente interesse scientifico. Sebbene l’individuo non sia impegnato in un processo di apprendimento intenzionale, recenti ricerche condotte presso il Janelia Research Campus suggeriscono che il cervello possa comunque essere coinvolto in una sofisticata attività di acquisizione di conoscenze. Questa nuova prospettiva apporta un livello di comprensione inedito ai meccanismi fondamentali dell’apprendimento.
Il cervello impara anche quando ti rilassi
Registrando simultaneamente decine di migliaia di neuroni nei topi, un team di neuroscienziati ha scoperto che è in grado di sviluppare capacità di riconoscimento di schemi estremamente complesse attraverso la sola esposizione, senza la necessità di ricompense, feedback o sforzo cosciente: “Anche quando sei distratto o stai semplicemente camminando o non pensi di fare nulla di speciale o difficile, il tuo cervello probabilmente sta ancora lavorando duramente per aiutarti a memorizzare dove ti trovi, a organizzare il mondo intorno a te, in modo che quando non sei più distratto, quando hai effettivamente bisogno di fare qualcosa e prestare attenzione, sei pronto a dare il massimo“, ha affermato Marius Pachitariu, leader del Janelia Group.
Guidato dal ricercatore Lin Zhong, il team ha ideato un esperimento per differenziare i vari tipi di apprendimento. I topi sono stati posti in un ambiente di realtà virtuale e lasciati muoversi lungo corridoi adornati con diverse texture naturalistiche, come motivi a foglie o circolari.
Un gruppo ha ricevuto una ricompensa (acqua) quando ha risposto correttamente a specifici motivi, mentre un altro gruppo ha sperimentato le stesse immagini senza ricevere alcuna ricompensa: “Sono rimasto molto sorpreso“, ha ammesso Zhong: “Faccio esperimenti comportamentali fin dal mio dottorato e non mi sarei mai aspettato che, senza addestrare i topi a svolgere un compito, si potesse riscontrare la stessa neuroplasticità”.
Per esplorare questa plasticità neuronale – ovvero i cambiamenti nell’attività neurale che sottostanno all’apprendimento – i ricercatori hanno impiegato un sistema di imaging specializzato capace di registrare l’attività di fino a 90.000 neuroni del cervello contemporaneamente. Hanno inoltre utilizzato Rastermap, uno strumento di visualizzazione, per analizzare i modelli neurali su larga scala.
Nuove scoperte sulla plasticità neuronale
Il team di ricerca ha fatto una scoperta interessante: sia i topi addestrati con ricompense sia quelli semplicemente esposti passivamente alle immagini hanno sviluppato cambiamenti quasi identici nelle regioni del cervello dedicate alla visione. La maggior parte di questa plasticità si è manifestata nelle aree responsabili dell’elaborazione visiva di livello superiore, in particolare quelle che gli scienziati chiamano aree visive superiori mediali (HVA).
Questa esposizione non supervisionata ha un effetto notevole: ha preparato i topi ad apprendere più velocemente in seguito. Quando è stato loro assegnato un nuovo compito di riconoscimento di schemi, i topi che avevano esplorato passivamente l’ambiente lo hanno assimilato in modo significativamente più rapido rispetto a quelli che lo vedevano per la prima volta. Come ha spiegato Lin Zhong: “Significa che non hai sempre bisogno di un insegnante che ti insegni: puoi sempre imparare a conoscere l’ambiente circostante inconsciamente, e questo tipo di apprendimento può prepararti per il futuro”.
Sebbene lo studio sia stato condotto sui topi, i risultati hanno implicazioni affascinanti per l’apprendimento umano. Il cervello sembra costruire modelli interni del mondo semplicemente attraverso l’esposizione, il che potrebbe aiutarci ad apprendere nuovi compiti in modo più efficiente quando se ne presenta la necessità.
La ricerca ha inoltre rivelato che diverse aree del cervello sono specializzate in vari tipi di apprendimento. L’apprendimento non strutturato, basato sull’esplorazione, sembra attivare un certo insieme di regioni, mentre l’apprendimento orientato a un obiettivo e basato su un compito ne attiva un altro. Nei topi addestrati a svolgere un compito, un segnale distinto è apparso nelle aree cerebrali anteriori, monitorando specificamente le ricompense attese, una caratteristica non osservata nel gruppo sottoposto a esposizione passiva.
Marius Pachitariu ha commentato: “È una porta d’accesso allo studio di questi algoritmi di apprendimento non supervisionato nel cervello. E se questo è il modo principale con cui il cervello impara, a differenza di un modo più istruito e orientato a un obiettivo, allora dobbiamo studiare anche quella parte“.
Le implicazioni dell’apprendimento inconscio
Sebbene l’esperimento si sia focalizzato sull’elaborazione visiva, le sue implicazioni si estendono ben oltre il senso della vista. Questo modello a doppio binario, in cui l’apprendimento non supervisionato costruisce rappresentazioni fondamentali e l’apprendimento supervisionato aggiunge significato, potrebbe essere il meccanismo alla base dell’acquisizione di abilità complesse come la musica, il linguaggio, i segnali sociali o persino le capacità di ragionamento astratto.
I risultati di questa ricerca indicano anche nuovi approcci per lo sviluppo dell’intelligenza artificiale, maggiormente ispirati alla biologia. La maggior parte dei sistemi di apprendimento automatico attuali si basa su enormi set di dati con input etichettati. Tuttavia, se il cervello degli animali può ottenere così tanto con la sola esposizione, l’IA del futuro potrebbe apprendere in modo più efficiente imitando questa strategia non supervisionata: “È del tutto possibile che gran parte della plasticità del cervello derivi semplicemente dall’esplorazione dell’ambiente da parte dell’animale stesso“, ha affermato Marius Pachitariu.
In conclusione, lo studio dipinge un quadro interessante di un cervello che lavora costantemente dietro le quinte, anche quando non ne siamo consapevoli. Ogni sguardo, ogni momento di input visivo, potrebbe plasmare il modo in cui comprendiamo il mondo. Quindi, la prossima volta che pensi di essere distratto, ricorda: il tuo cervello potrebbe comunque stare diventando più intelligente.
Lo studio è stato pubblicato su Nature.
