Il rumore neurale ti aiuta a imparare 30.03.2015

Vent'anni fa, i neuroscienziati di Stanford scoprirono una strana attività di rumore in alcuni neuroni del cervello: rispondevano a stimoli che sembravano non avere nulla a che fare con loro. E tale attività è sorta proprio quando il cervello ha preso una decisione. L'esperimento stesso era il seguente: gli animali da esperimento dovevano determinare come si muovono i punti sullo schermo, da destra a sinistra o da sinistra a destra; in caso di risposta corretta veniva assegnato un premio. Con l'aiuto di un tale modello, è possibile studiare quali processi nel cervello accompagnano la formazione di categorie. La categorizzazione di oggetti e fenomeni è una delle caratteristiche più generali della psiche che sta alla base dell'apprendimento, e sarebbe davvero interessante sapere cosa sta succedendo nel cervello in questo momento. In questo caso, come è facile intuire, era necessario distinguere due classi di oggetti: quelli che si muovono in una direzione, e quelli che si muovono nella direzione opposta.

Di conseguenza, è stato possibile trovare un gruppo di neuroni che rispondono al movimento, e tra questi c'erano quelli che diventavano particolarmente attivi nel momento stesso in cui si prendeva una decisione. Tuttavia, la loro attività sembrava che alcune cellule gridassero "da destra a sinistra!" in risposta al punto, mentre altre gridassero "da sinistra a destra!" in risposta allo stesso punto, indipendentemente da dove si sposta effettivamente il punto. Il livello di rumore è stato ridotto con l'aiuto di una ricompensa per la risposta corretta: ha sintonizzato i neuroni, rendendoli più esigenti e meno rumorosi, in modo che iniziassero a rispondere principalmente solo ai punti di una "loro" categoria. E ciò che era particolarmente strano era che il rumore neurale non si verificava affatto in quelle aree della corteccia che di solito sono associate al processo decisionale.

Perché i neuroni sono rumorosi nella parte "non core" del cervello, siamo riusciti a scoprirlo in parte solo ora, con l'aiuto di un modello al computer sviluppato da Tatiana Engel e dai suoi colleghi; i risultati del loro lavoro sono pubblicati su Nature Communications. Il modello ha imitato il lavoro dei circuiti neurali che collegano le aree sensoriali del cervello con quelle di categorizzazione. I neuroni virtuali "osservavano" punti che si muovevano in direzioni diverse e che dovevano essere divisi nelle stesse due classi, "destra" e "sinistra" - come nell'esperimento originale con gli animali.

Un circuito neurale simulato, a differenza di uno reale, può essere privato della capacità di emettere rumore, cosa che hanno fatto i ricercatori. Ma si è scoperto che senza il rumore neurale che accompagna la scelta, la formazione di categorie è impossibile. In altre parole, affinché una classe di punti che si spostano da destra a sinistra si formi nella mente, il cervello deve fare una scelta in condizioni "rumorose", quando alcuni neuroni "agiteranno" simultaneamente per la risposta sbagliata. Se ignoriamo i punti e prendiamo un esempio più realistico, immagina di scegliere ogni mattina tra una tazza di caffè e una tazza di tè. Fai una scelta ogni giorno per una settimana, due settimane, un mese, sei mesi e alla fine arrivi alla conclusione che una tazza di caffè mattutina è esattamente ciò di cui hai bisogno. Ma se all'improvviso succede che il tuo cervello fa una scelta senza alcun rumore, allora semplicemente non formerai una connessione tra le ore del mattino e il caffè, il concetto stesso di caffè del mattino sarà assente.

Naturalmente, qui c'è una grande tentazione di interpretare il rumore neurale come "dubbio", o come "la necessità di considerare tutte le possibili soluzioni". Tuttavia, tali formulazioni appartengono piuttosto al campo della filosofia, che difficilmente possiamo correlare con specifici fenomeni neurofisiologici finora. Tuttavia, potrebbe benissimo essere che nuovi dati in futuro consentiranno la creazione di alcuni metodi hardware che migliorano le capacità cognitive, attraverso la gestione del rumore neurale. Ma per ora resta da vedere da dove viene effettivamente: se sono i dipartimenti sensoriali a generarlo, o se è prodotto da altre aree del cervello che sono direttamente correlate al processo decisionale, o se sia sensoriale che cognitivo i dipartimenti sono coinvolti qui.