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Gli esseri umani vivono costantemente nei loro pensieri: immaginano che cosa faranno il giorno dopo, cosa prepareranno per cena, dove andare per le vacanze. Tuttavia, i ricercatori del Janelia Research Campus dell’HHMI hanno scoperto che anche gli animali possiedono immaginazione e attraverso un sistema innovativo che combina la realtà virtuale e un’interfaccia cervello-macchina sono riusciti a sondare i pensieri interiori dei ratti.
In particolare, i ricercatori hanno scoperto che, come gli esseri umani, anche gli animali possono pensare a luoghi e oggetti che non sono proprio davanti a loro, usando i loro pensieri per immaginare di camminare verso un luogo o di spostare un oggetto remoto in un punto specifico.
Come gli esseri umani, quando i roditori sperimentano luoghi ed eventi, si attivano specifici modelli di attività neurale nell’ippocampo, un’area del cervello responsabile della memoria spaziale. Il nuovo studio ha scoperto che i ratti possono generare volontariamente questi stessi schemi di attività e farlo per ricordare luoghi lontani dalla loro posizione attuale.
“Il ratto può effettivamente attivare la rappresentazione di luoghi nell’ambiente senza recarvisi“, spiega Chongxi Lai, primo autore di un articolo che descrive i nuovi risultati. “Anche se il suo corpo fisico è fisso, i suoi pensieri spaziali possono andare in un luogo molto lontano”.
Questa capacità di immaginare luoghi lontani dalla propria posizione attuale è fondamentale per ricordare eventi passati e immaginare possibili scenari futuri. Il nuovo lavoro dimostra quindi che gli animali, come gli esseri umani, possiedono una forma di immaginazione, secondo gli autori dello studio. “Immaginare è una delle cose più straordinarie che gli esseri umani possono fare. Ora abbiamo scoperto che anche gli animali possono farlo e abbiamo trovato un modo per studiarlo“, afferma Albert Lee, ex coordinatore del gruppo Janelia e ora ricercatore HHMI presso il Beth Israel Deaconess Medical Center.
Una nuova interfaccia cervello-macchina
Il progetto è iniziato nove anni fa, quando Lai è arrivato a Janelia con l’idea di verificare se un animale potesse pensare. Il suo consulente, Tim Harris, suggerì a Lai di parlarne con Lee, il cui laboratorio aveva domande simili. Insieme, i laboratori hanno lavorato per sviluppare un sistema per capire cosa pensano gli animali: un “rilevatore di pensiero” in tempo reale in grado di misurare l’attività neurale e di tradurne il significato.
Il sistema utilizza un’interfaccia cervello-macchina (BMI), che fornisce una connessione diretta tra l’attività cerebrale e un dispositivo esterno. Nel sistema del team, la BMI produce una connessione tra l’attività elettrica dell’ippocampo del ratto e la sua posizione in un’arena di realtà virtuale a 360 gradi.
L’ippocampo immagazzina mappe mentali del mondo che servono a ricordare eventi passati e a immaginare scenari futuri. Il richiamo della memoria comporta la generazione di specifici modelli di attività dell’ippocampo legati a luoghi ed eventi. Ma nessuno sapeva se gli animali potessero controllare volontariamente questa attività.
Il BMI consente ai ricercatori di verificare se un ratto può attivare l’attività dell’ippocampo solo per pensare a un luogo nell’arena senza recarvisi fisicamente – in sostanza, rilevando se l’animale è in grado di immaginare di recarsi in quel luogo.
Sondare i pensieri interiori del ratto
Una volta sviluppato il sistema, i ricercatori hanno dovuto creare un “dizionario del pensiero” che permettesse loro di decodificare i segnali cerebrali del ratto. Questo dizionario raccoglie i modelli di attività quando il ratto sperimenta qualcosa, in questo caso i luoghi dell’arena VR.
Il ratto è imbrigliato nel sistema VR, progettato da Shinsuke Tanaka, del Laboratorio Lee. Mentre il ratto cammina su un tapis roulant sferico, i suoi movimenti vengono tradotti sullo schermo a 360 gradi. Il ratto viene premiato quando raggiunge l’obiettivo.
Allo stesso tempo, il sistema BMI registra l’attività dell’ippocampo del ratto. I ricercatori possono vedere quali neuroni si attivano quando il ratto naviga nell’arena per raggiungere ogni obiettivo. I segnali forniscono la base per un IMC in tempo reale, con l’attività dell’ippocampo del cervello tradotta in azioni sullo schermo.
Successivamente, i ricercatori scollegano il tapis roulant e premiano il topo che riproduce il modello di attività dell’ippocampo associato alla posizione di un obiettivo. In questo compito “Jumper” – che prende il nome dall’omonimo film del 2008 – il BMI traduce l’attività cerebrale dell’animale in movimenti sullo schermo della realtà virtuale. In sostanza, l’animale usa i suoi pensieri per raggiungere la ricompensa, pensando prima a dove deve andare per ottenerla. Questo processo di pensiero è qualcosa che gli esseri umani sperimentano regolarmente. Per esempio, quando ci viene chiesto di andare a fare la spesa in un negozio conosciuto, possiamo immaginare i luoghi che attraverseremo lungo il percorso prima ancora di uscire di casa.
Nel secondo compito, il compito “Jedi” – un’allusione a Guerre Stellari – il topo sposta un oggetto in un luogo solo con il pensiero. Il topo è fissato in un luogo virtuale, ma “sposta” un oggetto verso un obiettivo nello spazio VR controllando l’attività dell’ippocampo, come una persona seduta in ufficio potrebbe immaginare di prendere una tazza vicino alla macchina del caffè e riempirla di caffè. I ricercatori hanno poi cambiato la posizione dell’obiettivo, chiedendo all’animale di produrre modelli di attività associati alla nuova posizione.
Il team ha scoperto che i ratti possono controllare con precisione e flessibilità la loro attività ippocampale, come probabilmente fanno gli esseri umani. Gli animali sono anche in grado di sostenere l’attività dell’ippocampo, mantenendo i loro pensieri su un determinato luogo per molti secondi, un lasso di tempo simile a quello in cui gli esseri umani rivivono eventi passati o immaginano nuovi scenari.
“La cosa sorprendente è che i ratti imparano a pensare a quel luogo, e a nessun altro, per un periodo di tempo molto lungo, in base alla nostra nozione, forse ingenua, della capacità di attenzione di un ratto“, dice Harris.
La ricerca dimostra inoltre che l’IMC può essere utilizzata per sondare l’attività dell’ippocampo, fornendo un nuovo sistema per studiare questa importante regione cerebrale. Poiché la BMI è sempre più utilizzata nelle protesi, questo nuovo lavoro apre anche la possibilità di progettare nuovi dispositivi protesici basati sugli stessi principi, secondo quanto affermano gli stessi autori.
