Dimostrata nei nuclei della base la fisiologia cerebrale in parallelo

 

 

ROBERTO COLONNA

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XVII – 31 ottobre 2020.

Testi pubblicati sul sito www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind & Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di studio dei soci componenti lo staff dei recensori della Commissione Scientifica della Società.

 

 

[Tipologia del testo: RECENSIONE]

 

Il cervello presenta una complessità morfo-funzionale tale che solo i principi più elementari possono costituire regole generali per tutti i sistemi neuronici che lo costituiscono; questo spiega perché la teoria dell’elaborazione distribuita in parallelo (PDP) di David Rumelhart e James McClelland è stata a lungo avversata, pur risultando utile come ponte concettuale fra neurofisiologia e modelli artificiali di reti neurali. L’elaborazione separata e simultanea delle informazioni è una realtà del nostro cervello, e costituisce una delle ragioni che rende la nostra intelligenza superiore a quella artificiale; la difficoltà consiste nel comprendere come e dove si realizza, con quali limiti rispetto ai processi di integrazione e sintesi che rappresentano un altro punto forte delle capacità cognitive umane.

Le tesi del processamento distribuito in parallelo – come è stata spesso tradotta la formula inglese Parallel Distributed Processing per conservare l’acronimo originale PDP – hanno consentito di superare i limiti della concezione modulare delle basi neurofisiologiche dei processi cognitivi, che affrontava la questione dell’elaborazione dell’informazione dal versante della specializzazione locale, ma non forniva elementi per comprendere come tali moduli interagissero nella simultanea elaborazione di informazioni differenti. Infine, i modelli che matematici, informatici e psicologi cognitivi hanno adottato per sviluppare i ragionamenti fondanti il PDP si basavano quasi esclusivamente su ipersemplificazioni della fisiologia della corteccia cerebrale.

Invece, proprio nel dominio sottocorticale dei nuclei della base o gangli basali si ha l’esempio maggiore di elaborazione in parallelo di informazioni sviluppate in atti mentali e motori. Ha, infatti, consenso unanime l’interpretazione dell’attività dei sistemi di neuroni che collegano la base encefalica con le strutture corticali come fisiologia simultanea e indipendente. In particolare, si ritiene che i circuiti a feedforward basali, anatomicamente separati e topograficamente organizzati, siano responsabili della modulazione in parallelo di molteplici comportamenti funzionali.

Però, per la certezza empirica, è mancato fino ad oggi l’accertamento che la segregazione originaria dei circuiti sia conservata nei nuclei di uscita dell’informazione e nei punti di arrivo a valle degli assoni di ciascuna via nervosa. Bernardo L. Sabatini, lavorando con Jaeeon Lee e Wengang Wang, ha fornito questa prova.

(Lee J., et al. Anatomically segregated basal ganglia pathways allow parallel behavioral modulation. Nature Neuroscience 23, 1388-1398, 2020).

 La provenienza degli autori è la seguente: Howard Hughes Medical Institute, Department of Neurobiology, Harvard Medical School, Boston, Massachusetts (USA).

Rumelhart e McClelland, nel capitolo introduttivo dell’opera che illustrava il PDP, si chiedevano cosa rendesse le persone più intelligenti dei computer, visto che questi possono eseguire operazioni logiche di qualsiasi genere ad una velocità superiore a quella di qualsiasi cervello umano, garantendo un’assoluta precisione nelle prestazioni. Dopo aver discusso di alcune differenze fra uomini e macchine, i due studiosi propongono la loro risposta al quesito: “… la gente è più intelligente degli odierni computer, perché i cervelli impiegano un’architettura computazionale di base più adatta ad affrontare un aspetto centrale dei compiti naturali di elaborazione dell’informazione […] questi compiti in genere richiedono un esame simultaneo di molte parti dell’informazione e di diversi vincoli. Ogni vincolo può essere specificato imperfettamente, o essere ambiguo, eppure ognuno di essi può giocare un ruolo potenzialmente decisivo nel determinare l’esito dell’elaborazione”[1]. I due scienziati cognitivi propongono degli esempi di attività, come riconoscere le parole o raggiungere ed afferrare oggetti, che compiamo automaticamente ma che implicano il rispetto di vincoli simultanei multipli: cosa possibile solo grazie all’elaborazione in parallelo di differenti flussi di informazione.

Anche se i modelli di computazione proposti dalla scuola di Rumelhart e McClelland sono stati progressivamente abbandonati per la loro distanza dalla complessa realtà dell’elaborazione neurofisiologica che ha effettivamente luogo nel nostro cervello, rimane la loro lezione sulla necessità e l’importanza dell’elaborazione in parallelo.

L’individuazione del trattamento contemporaneo di flussi separati di informazione nei circuiti dei nuclei della base equivale al riconoscimento di processi paradigmatici ed elementari alla base di un grande numero di funzioni.

Prima di esporre in sintesi i contenuti dello studio, qualche breve ricordo neuroanatomico. I nuclei della base del telencefalo, definiti anche nuclei grigi centrali o corpi optostriati, sono anche detti impropriamente gangli della base[2], perché derivati embriologicamente da una struttura detta ganglio basale, e comprendono il nucleo caudato, il nucleo lenticolare (distinto in putamen e pallido), il claustro e l’amigdala; quest’ultima, tradizionalmente descritta per le sue connessioni funzionali con il lobo limbico, in quanto principalmente mediatrice di stati emozionali ed affettivi, dell’ansia e della risposta allo stress, anche in anatomia è quasi costantemente esclusa dal novero dei nuclei della base, dai quali è spesso escluso anche il claustro per la sua difficile collocazione funzionale. Pertanto, le formazioni grigie identificate con il corpo striato degli antichi anatomisti e studiate prevalentemente per la loro partecipazione all’organizzazione dell’attività motoria e di processi cognitivi di base, ossia caudato e lenticolare, costituiscono i “gangli basali” tipici.

L’antico nome di corpo striato (distinto in neostriato e paleostriato), si deve all’aspetto cromatico non uniforme dovuto all’attraversamento di fasci di assoni provenienti dalla capsula interna che, col loro rivestimento mielinico, creano la caratteristica striatura.

Lo striato è dunque costituito dal nucleo caudato, che in parte sormonta la parte esterna del lenticolare con la sua struttura incurvata a virgola su un piano parasagittale, simile ad un embrione sottile e allungato, con una testa, diretta anteriormente, un corpo e una coda; e dal lenticolare, così detto perché, considerato nello sviluppo anteroposteriore, presenta una forma a lente biconvessa. Il nucleo lenticolare nelle sezioni frontali appare come un cuneo, con la parte espansa posta all’esterno e costituita dal putamen, e la porzione che decresce in direzione mediale corrispondente al pallido (globus pallidus), a sua volta distinto in una parte laterale e una mediale.

Da un punto di vista funzionale, il caudato e il putamen, posto subito sotto e medialmente, formano quasi un blocco unitario in molte attività di routine.

L’organizzazione topografica dei circuiti della base è stata descritta e analizzata dettagliatamente in tutti i suoi caratteri, ma, fino allo studio di Sabatini e colleghi, la separazione in termini di fisiologia sinaptica dei nuclei che costituiscono l’output del sistema neuronico locale e la conservazione di attività distinte fra circuiti, fino all’ultima destinazione post-sinaptica, non erano bene definite. I ricercatori hanno impiegato il tracciamento anterogrado trans-sinaptico focale per verificare la realtà funzionale delle connessioni. In tal modo hanno accertato e dimostrato che l’organizzazione topografica dello striato legata agli atti motori è conservata in tutti i nuclei di output sinaptico dei circuiti. L’osservazione sperimentale ha poi consentito di verificare che la coerenza della fisiologia con la topografia è mantenuta anche a valle dei nuclei della base encefalica, e in numerosi circoli paralleli chiusi (parallel closed loops), che forniscono l’informazione in entrata nelle formazioni dello striato.

Interessanti gli esperimenti che hanno messo alla prova il valore comportamentale della segregazione anatomo-funzionale: l’attivazione focale di due regioni striatali distinte e considerate responsabili di due differenti comportamenti ha prodotto in maniera evidente ed esclusiva, nel primo caso il leccamento, nel secondo caso la rotazione, in perfetta coerenza con il ruolo fisiologico dei due rispettivi bersagli anatomici, raggiunti dalle due vie in uscita dai nuclei della base.

I risultati di questo studio costituiscono una conferma del modello plurifunzionale parallelo dei nuclei della base encefalica, e suggeriscono che l’integrazione e la competizione dell’informazione rapportata ai differenti comportamenti si verifica in gran parte fuori dalle strutture dello striato.

 

L’autore della nota ringrazia la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla lettura delle recensioni di studi di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).

 

Roberto Colonna

BM&L-31 ottobre 2020

www.brainmindlife.org

 

 

 

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[1] Rumelhart D. E. & McClelland J. L., PDP – Microstruttura dei processi cognitivi, pp. 31-32, Il Mulino, Bologna 1991.

[2] La denominazione di gangli basali (basal ganglia) è tradizionalmente adoperata in neurofisiologia e negli studi comparati.