Un controllo corticale per velocità
e precisione
ROBERTO
COLONNA
NOTE E NOTIZIE - Anno XX – 30 settembre
2023.
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 comportamento motorio degli animali, anche in
ambienti poco noti e in circostanze non prevedibili, è sorprendentemente
continuo, rapido e preciso. Le ragioni di questa efficienza sono state
rintracciate nel controllo senso-motorio, ma ancora non è noto come agiscano le
singole componenti neurofunzionali, e per questo sono stati modellati degli
schemi ipotetici da mettere alla prova. I modelli del controllo sensomotorio,
disegnati sulla base della teoria del controllo, assumono che l’informazione
sensoriale proveniente dall’ambiente porti alle azioni, le quali poi agiscono
di ritorno sull’ambiente, creando un singolo, unidirezionale, loop
percezione-azione. Ma, il loop senso-motorio contiene dei
ritardi (delays) interni nelle vie sensoriali e motorie, che potrebbero
portare ad un controllo instabile.
Jing Shuang Li con John C.
Doyle e colleghi hanno indagato a questo riguardo i segnali di feedback
interno che fluiscono in direzione retrograda, dalle aree motorie alle aree
sensoriali della corteccia cerebrale, ottenendo risultati rilevanti.
(Li
J. S., et al., Internal feedback in the cortical perception-action loop
enables fast and accurate behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences USA – Epub ahead
of print doi: 10.1073/pnas.2300445120,
2023).
La provenienza degli autori è la seguente: Control and Dynamical Systems, Division of Engineering
and Applied Science, California Institute of Technology (CIT), Pasadena, CA (USA);
Vanderbilt University School of Medicine, Nashville, TN (USA); Department of
Neurobiology, Computational Neurobiology Laboratory, The Salk Institute for
Biological Studies, La Jolla, CA (USA); Department of Neurobiology, University
of California San Diego (UCSD), La Jolla, CA (USA).
Le proiezioni a feedback interno sono segnali
che, dalle aree motorie o dalla tarda elaborazione sensoriale, fluiscono a
ritroso verso le regioni dell’elaborazione sensoriale precoce, quali le aree
corticali primarie visiva e uditiva. Tali proiezioni a feedback interno
sono ubique nel sistema nervoso senso-motorio e sono di numero equivalente o
superiore a quello delle proiezioni a feedforward. Il ruolo funzionale
del feedback interno è scarsamente compreso, particolarmente nel
contesto della prestazione in compiti specifici. Jing
Shuang Li e colleghi hanno impiegato la teoria del
controllo e semplici modelli per dimostrare che il feedback
interno facilita buone prestazioni nei compiti, quando vi sono limiti di
comunicazione quali ritardi del tempo interno e viraggi tra velocità e
precisione, che motivano segnali a feedback compensatori per
contrastare movimenti auto-generati e prevedibili. La teoria del controllo
spiega perché i segnali legati ai processi motori si rilevano attraverso la
corteccia sensoriale e perché la corteccia motoria è dominata da dinamiche
interne.
I ricercatori hanno cercato di dare risposta all’interrogativo
su come mai i ritardi nelle vie sensoriali e motorie contenuti nei cicli (loop)
sensomotori non portano a un controllo instabile. Gli esiti delle osservazioni
sperimentali offrono una risposta esaustiva: i ritardi possono essere
compensati da segnali di feedback interno che fluiscono in direzione
retrograda, dalle aree motorie a quelle sensoriali. Tale retroazione intrinseca
è ubiqua nei sistemi sensomotori neuronici, e i ricercatori mostrano come questa
soluzione riesca a compensare i ritardi interni. In particolare, il risultato è
ottenuto selezionando – mediante un filtro per esclusione – i cambiamenti
auto-generati e altre prevedibili variazioni, così che l’informazione
attivabile possa essere rapidamente trasmessa verso l’azione, da parte delle
componenti più rapide, comprimendo efficacemente l’input sensoriale per
un uso più efficiente delle vie a feedforward.
I tratti formati dagli assoni di neuroni giganti
rapidi, necessariamente convogliano segnali meno precisi rispetto ai tratti
costituiti dai cilindrassi di cellule nervose molto più piccole, ma rimangono
cruciali per azioni comportamentali veloci e precise.
I ricercatori hanno usato un modello di controllo
trattabile matematicamente, per dimostrare che il feedback interno ha un
ruolo indispensabile per ottenere le seguenti funzioni: 1) stima dello stato; 2)
localizzazione della funzione (come parti diverse della corteccia cerebrale
controllano specificamente parti diverse del corpo); 3) attenzione.
Tutte e tre le funzioni elencate sono indispensabili
per un controllo sensomotorio ottimale.
Questo modello di controllo può spiegare osservazioni
anatomiche, fisiologiche e comportamentali, includenti: segnali motori nella
corteccia visiva, cinetica eterogenea dei recettori sensoriali, presenza di
cellule giganti nella corteccia cerebrale umana, pattern di feedback
interni e inspiegata eterogeneità dei sistemi neuronici.
L’autore della nota ringrazia la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e
invita alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del
sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
Roberto Colonna
BM&L-30 settembre 2023
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