Neuroscienze e processi cognitivi Alberto Oliverio Università di Roma, Sapienza.

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1 Neuroscienze e processi cognitivi Alberto Oliverio Università di Roma, Sapienza

2 Basi cerebrali dell’intelligenza

3 Aspetti evolutivi

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6 Gli studi sul cervello diviso condotti da Roger Sperry e Michael Gazzaniga hanno sottolineato le differenze emisferiche, avvalorando l’ipotesi che il solo emisfero sinistro sia in grado di sostenere funzioni cognitive superiori mentre il destro, dotato dello stesso numero di cellule, sarebbe incapace di svolgerle. Ciò ha portato a ritenere che il numero delle cellule corticali non sia sufficiente per spiegare completamente l’intelligenza umana.

7 Numerosi autori si sono soffermati sulle caratteristiche neuronali umane. Gordon Shepherd ha proposto un modello neuronale basato su un confronto tra le proprietà di membrana e sinaptiche di neuroni ippocampali di roditori ed esseri umani: i suoi risultati indicano che la semplice aggiunta di alcuni canali del calcio (dalla cui presenza dipende l’eccitabilità di un neurone) nella spina dendritica può portare a stabilirsi, a livello delle spine, di capacità computazionali notevolmente complesse e di conseguenza di capacità di elaborazione dell’informazione

8 Relazioni tra punteggi QI e velocità di conduzione nervosa NCV. I partecipanti sono stati divisi in 5 gruppi, dalla velocità più bassa (1) a quella più alta (5). La NCV veniva calcolata dividendo il tempo che intercorreva tra uno stimolo visivo e la comparsa dei potenziali evocati nelle aree visive, per la distanza tra occhi e occipite. (da Reed e Jensen, 1992).

9 Maggiore efficienza di elaborazione nel cervello di persone più intelligenti. Durante un compito che richiede attenzione la PET mostra che l’attività nervosa è inferiore del 20% nel cervello di persone intelligenti (b) rispetto a quello di persone con bassa intelligenza (a)

10 Una maggiore efficienza di elaborazione dipende dalla presenza di fibre nervose mielinizzate. Negli esseri umani il rapporto tra materia bianca (fibre nervose rivestire di mielina) e materia grigia (cellule nervose) è più elevato che in qualsiasi specie animale. White matter DTI Tractography by KL Narr UCLA

11 Intelligenza generale, fattore G

12 L’intelligenza come capacità singola o insieme di capacità indipendenti.

13 Le aree frontali sono state indicate come una possibile base del fattore g ma non è sorprendete che esse possano contribuire all’intelligenza generale dato che esse intervengono nella memoria operativa e nel controllo esecutivo della soluzione di problemi

14 Immagini PET mostrano le aree (in rosso) in cui aumenta l’attività nervosa durante i compiti ad alto e basso fattore G. Il compito spaziale attiva aree frontali destra e sinistra, il compito verbale attiva l’area di sinistra. L’attività delle aree occipitali e parietali durante i compiti spaziali riflette l’elaborazione sensoriale e spaziale dell’informazione. J. Duncan, Science 2000

15 L'intelligenza generale sarebbe mediata dalle connessioni neurali fra le regioni del cervello che integrano i processi verbali, visuo-spaziali, esecutivi e la memoria di lavoro. (Glascher J et al., PNAS 2010) Associazioni statisticamente significative sono state trovate fra "g" e network distribuiti nelle cortecce frontali e parietali, oltre che nella corteccia fronto-polare e nei tratti associativi di sostanza bianca.

16 Usando le scale Wechsler è evidente un’area (cerchiata in bianco) unica per G e silente in altri test. (Glascher J et al., PNAS 2010.

17 La teoria modulare

18 Autori come S. Dehaene o S. Pinker, ritengono che ogni abilità cognitiva dipenda da una complessa rete o modulo nervoso: in particolare ritengono che il cervello sia cablato per funzionare per il linguaggio o la matematica.

19 Dehaene e Pinker sostengono una concezione modulare dell’intelligenza basata su complesse reti. Il modulo del linguaggio dipenderebbe da strutture situate prevalentemente nei lobi frontale e temporale sinistri, La capacità spaziale dall’interazione delle funzioni somatosensoriali e visive con le strutture parietali dell’emisfero destro, La capacità matematica è invece associata alla regione frontale di sinistra e ai lobi parietali di entrambi gli emisferi. Le aree parietali utilizzano rappresentazioni visivo-spaziali della quantità (contare con le dita). Le aree frontali permettono di disporre i numeri in ordine crescente o decrescente, stimare ed eseguire calcoli.

20 Organizzazione modulare della struttura corticale nei giovani (A) e negli anziani (B): Modulo I: esecutivo strategico, Modulo II: uditivo-linguistico, Modulo III: visivo-integrativo (fascio visivo ventrale), Modulo IV: modulo di default, Modulo V: sensorimotorio/spaziale Chen et al. 2011 I confini dei moduli sono molto variabili nel tempo.

21 L’analisi fattoriale ha portato al concetto di una modularità dell’intelligenza: capacità linguistiche, logico-matematiche e spaziali. In seguito si è parlato (Meunier et al 2009) di una gerarchia cerebrale dei moduli

22 Motricità, percezione e processi cognitivi

23 L’importanza dell’azione. Il controllo motorio è in qualche modo il contrario di quanto si verifica nella percezione. Percepire significa costruirsi una rappresentazione del mondo esterno. L’azione, invece, inizia con un’ipotesi sulle conseguenze desiderate di un movimento e poi continua nella sua esecuzione. Nel corso del suo processo evolutivo, il cervello ha bisogno di fare esperienze tattili e motorie perché si sviluppino quelle aree sensorimotorie che rappresentano il punto di partenza per la maturazione delle aree superiori, quelle del linguaggio e del pensiero complesso.

24 Immaginazione, movimento, percezione. Il nostro cervello è un enorme archivio di repertori motori, complessi schemi che lo psicologo russo Alexander Lurija ha defi nito “melodie cinetiche”. Le tecniche di imaging hanno contribuito alla conoscenza degli schemi motori: se si chiede a una persona di pensare di muovere la mano, come se volesse afferrare un oggetto, la sua corteccia premotoria, situata davanti a quella motoria, nel lobo frontale, diviene attiva, il che indica come vi siano aree del cervello che predispongono il movimento e aree che lo realizzano. Questo parallelismo tra anticipazione e azione vale anche per l’immaginazione e la sensazione: così, il solo immaginare un oggetto, ad esempio una rosa, porta all’attivazione delle aree della corteccia visiva che vengono attivate quando quell’oggetto viene effettivamente visto.

25 Giochi di movimento I giochi di movimento o simbolici hanno un ruolo essenziale nella costruzione della socializzazione e nell’intelligenza emotiva, la capacità di saper leggere le emozioni degli altri e di mettere in atto risposte appropriate dal punto di vista dell’empatia. Un gioco di gruppo all’aria aperta comporta sensazioni, percezioni, emozioni, movimenti e, soprattutto, un vero e proprio esercizio cognitivo.

26 Attività aerobica e concentrazione Dopo meno di 30 minuti di attività fisica aerobica (correre) la capacità di concentrazione migliora notevolmente: queste conoscenze dovrebbero tradursi in un’anticipazione dell’ora di educazione fisica all’inizio della giornata scolastica o nel fare brevi pause di attività fisica nel corso delle ore scolastiche. Più in generale, si è visto che nei bambini che presentano deficit di attenzione la pratica di esercizi basati sul controllo motorio aumenta le capacità di concentrazione.

27 Rappresentazioni motorie e apprendimento L “apprendimento recitato” favorisce le associazioni tra rappresentazioni motorie e apprendimento. La tecnica sfrutta il fatto che le memorie motorie sono particolarmente robuste mentre quelle semantiche (per esempio, le memorie legate al significato delle parole) sono più fragili. L’apprendimento recitato è stato utilizzato per migliorare l’apprendimento di una seconda lingua: i bambini devono recitare in gruppo una serie di vocaboli accompagnandoli con gesti e movimenti che ne rappresentino il significato. Gli studenti hanno raggiunto prestazioni tre volte superiori rispetto agli studenti che hanno seguito il metodo convenzionale.

28 Parole e immagini. Rappresentare la realtà tramite immagini significa memorizzare in modo più efficace e, di conseguenza, imparare meglio di quanto non avvenga a mezzo della trasmissione orale o della lettura, cioè attraverso codici “semantici”, basati sul significato. Le esperienze visive sono 3-4 volte più efficaci di quelle uditive, quelle audiovisive sono a loro volta 2 volte più efficaci di quelle visive, il che indica che un metodo di apprendimento che passi prevalentemente attraverso il codice orale (parola scritta o parlata) è di gran lunga inferiore a un metodo di tipo audiovisivo.

29 Immagini e concetti Numerose esperienze ed apprendimenti infantili si basano su associazioni tra immagini e concetti: l’apprendimento viene così facilitato, in quanto le immagini si fissano facilmente nella mente infantile e in quella dell’adulto. Il nostro cervello dedica gran parte delle sue risorse alla visione. Relazioni semantiche in 3 diversi soggetti Huth et al, Neuron, 2015

30 Attenzione e apprendimento La maggior parte delle persone non analizza le situazioni in modo sistematico. Per superare questo stadio e sviluppare vere capacità di concentrazione e memoria dobbiamo imparare ad analizzare correttamente i messaggi, soprattutto quelli visivi. L’attenzione selettiva implica, anzitutto, un coinvolgimento dei sensi. In secondo luogo, si basa sull’individuazione dell’aspetto fondamentale o essenziale del messaggio e delle emozioni che esso suscita, e infine sull’interpretazione razionale.

31 Trappole percettive e cognitive

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33 Il costruttivismo. Il cervello non fotografa la realtà, la ricostruisce: ognuno di noi, attraverso la sua percezione, memoria, emozione, ricostruisce la realtà, ad es. un quadro, in modo diverso. Perciò, ciò che vede un critico d’arte non è ciò che vede un profano (e così al cinema ecc.).

34 La mente “riempie” le parti mancanti di un messaggio

35 Se i due punti sono distanti 7 cm circa, si chiude l ’ occhio sinistro e si fissa il punto destro con l ’ occhio destro, il cerchio tratteggiato scompare ma tutto lo sfondo resta grigio. La mente ha colmato di grigio il “ buco ”

36 Se i due punti sono distanti 7 cm circa, si chiude l ’ occhio sinistro e si fissa il punto destro con l ’ occhio destro, il rettangolo tratteggiato scompare ma la linea nera resta continua. La mente ha colmato di nero l ’ interruzione della linea.

37 ma la mente è anche sviata dal contesto…

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44 Vedere e pensare. Secondo Rudolf Arnheim, percezione e rappresentazione artistica sono simili, si servono degli stessi principi di organizzazione cerebrale. Gli studiosi della Gestalt, tra cui Kanizsa, indicano come nellarte visiva funzioni il principio di “completamento”: un particolare suggerisce l’interezza… Tutto il pensiero sarebbe fondato su base percettiva, non esiste differenza tra vedere e pensare in quanto nella percezione si risolvono meccanismi di strutturazione e astrazione dalla realtà che sfociano nello stesso linguaggio.

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47 Percepire nella totalità. Gombrich e gli psicologi dell’arte (Rudolph Arnheim, Ernst Kris e Gyorgy Kepes) si ispirano alla psicologia della percezione e della Gestalt (Koffka, Wertheimer e Koeler). Secondo la Gestalt, l’intero è maggiore della somma delle parti. La percezione dipende dalla organizzazione delle percezioni più che dalla loro associazione. Principi di prossimità (i punti neri in sequenza sono “righe”, di continuazione (completare una linea interrotta), di chiusura ecc… La percezione non funziona atomisticamente ma nella totalità.

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49 Ragione e sentimento In Ragione e sentimento Jane Austen mette in scena il contrasto tra la razionalità e l’emozione: l’impulsività di Marianne è all’origine di scelte sbagliate, mentre la sorella Elinor, logica e razionale, sceglie fin dall’inizio il marito giusto… Esiste un contrasto insanabile tra ragione e sentimento? Anni or sono Daniel Goleman ha affrontato la differenza tra “mente razionale” e “mente emozionale”, spiegando come la prima sia una modalità di comprensione della quale siamo solitamente coscienti, mentre la seconda sia un sistema di conoscenza impulsiva e potente.

50 L’INTELLIGENZA EMOTIVA I rapporti tra emozione e cognizione dipendono da quelli tra la corteccia cerebrale e il sistema limbico. La corteccia cerebrale ha il compito di integrare le reazioni dei nuclei del sistema limbico coinvolti nell’emozione e di paragonarle con quelle che hanno avuto luogo nel passato in occasione di eventi simili: in tal modo le informazioni del presente vengono allacciate a quelle del passato, il che assicura una dimensione temporale alla memoria. L’emozione conferisce così una dimensione calda ai ricordi, fa sì che essi non siano soltanto eventi ma eventi significativi.

51 Apprendimento linguistico. L’attività cerebrale delle persone che hanno appreso la prima lingua dalla nascita o la seconda entro i primi tre anni di vita (come avviene nel bilinguismo precoce) indica che reagiscono agli errori di grammatica con un’attivazione dell’emisfero sinistro: nei bambini o nelle persone che hanno appreso la seconda lingua dai 4 ai 13 anni, o oltre, l’ascolto di errori grammaticali comporta invece l’attivazione anche dell’emisfero destro. In altre parole, un apprendimento linguistico tardivo si compie attraverso la compartecipazione di un emisfero che, tendenzialmente, non è linguistico, quello di destra, il che comporta maggiori difficoltà, e tempi più lunghi.

52 Immaginare e rappresentare

53 Secondo Allan Paivio la funzione immaginativa è autonoma ed esiste una stretta interazione tra la componente visiva e la componente verbale dell'immaginazione, così come l'influenza di questa sulla capacità ed efficienza della memoria. La teoria del doppio codice di Paivio assume che il comportamento sia mediato da due sistemi in memoria a lungo termine: uno verbale e l’altro immaginativo. Questi due sistemi sono indipendenti ma interconnessi. Indipendenza significa che ogni sistema può lavorare autonomamente: l’idea che i due codici, visivo e verbale, siano indipendenti, implica quindi che un elemento possa essere recuperato se il soggetto ricorda il nome dell’oggetto, se ricorda la sua immagine o entrambe le cose. Interconnessione significa invece che l’informazione può essere facilmente tradotta da un codice a un altro.

54 Cultura, cervello e mente. Esistono “icone” dotate di vita propria, strutture in grado di esprimere significati che possono essere colti tramite la semiotica artistica. Ernst Gombrich e Richard Gregory: gli schemi figurativi danno all’immagine il valore di una codificazione che elimina il concetto di una visione innocente e “naturale” dei fatti visivi. Non esiste perciò soltanto una lettura artistica basata sul significato delle forme (semiotica) ma anche sulla psicologia della forma e della percezione: cultura, cervello e mente sono alla base di ogni rappresentazione.

55 Le immagini aprono serrature biologiche. Ernst Gombrich,1953: A cavallo di un manico di scopa, Einaudi). Esiste un rapporto metaforico tra realtà e rappresentazione, tra il manico di scopa usato come cavalluccio dai bambini, e il cavallo vero: è una rappresentazione per “sostituzione” [teoria psicologica] in cui il bambino sceglie l’immagine minima necessaria per sostituire il giocattolo con l’oggetto. La rappresentazione artistica non dipende dalla mimesi, dall’imitazione della forma esterna di un oggetto, ma da scelte di requisiti minimi della funzione di rappresentare. “Le immagini sono chiavi, capaci per puro caso di aprire certe serrature biologiche o psicologiche, altrimenti detto sono falsi gettoni, capaci tuttavia di far funzionare il meccanismo”.

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57 Le immagini mentali sono ben diverse rispetto alla produzione di un’immagine: è attraverso uno schizzo, l’osservazione e i rapporti con l’immagine prodotta che l’artista coglie nuovi aspetti e possibilità.

58 LA MENTE ESTESA E LE NEUROSCIENZE

59 Risorse al di fuori del cervello Lo studio della mente deve limitarsi a un’analisi del corpo, del cervello e del mondo naturale o deve anche includere quei sussidi e mezzi (penne, carta, computer, istituzioni) il cui il nostro cervello apprende, matura e opera? I sostenitori di una “mente estesa” puntano a una concezione sistemica che dà spazio a quelle parti della realtà esterna che funzionano come un magazzino situato al di fuori del cervello.

60 Uno degli aspetti della mente estesa riguarda le immagini mentali e la loro diversità rispetto alla produzione di un’immagine.

61 Dopo aver osservato una figura ambigua è difficile immaginarne i due diversi aspetti: al contrario, è facile ricostruirla disegnandola. L’immaginazione e la costruzione attraverso il disegno sono ben diverse: nel secondo caso la realtà viene esteriorizzata… Chambers e Reisberg, 1985

62 Esteriorizzare il pensiero. Perché c’è bisogno di fare un bozzetto? Perché non ci basiamo soltanto sulle immagini mentali e non realizziamo direttamente l’opera? Le immagini mentali sembrano fisse, non ci consentono di scoprire nuove forme e componenti. Il bozzetto non è soltanto una forma di memoria esterna ma anche un modo per esteriorizzare e percepire in modo nuovo la realtà, una strategia alla base del processo cognitivo artistico.

63 La scomposizione è una forma di trasformazione analitica che è difficile operare attraverso un’immagine mentale. Leeuwen et al., 1999

64 Una figura astratta non può essere costruita soltanto attraverso l’immaginazione: è necessario coglierne i rapporti concretamente, esteriorizzandola. Van Leeuwen et al., 1999

65 La mente estesa Parole, simboli, testi sono spesso alla base delle strategie di soluzione dei problemi che caratterizzano i cervelli biologici. Clark e Chambers indicano come attraverso la scrittura abbiamo la possibilità di “scaricare” memorie dal nostro cervello e affidarle a una varietà di media*. Questa possibilità non modificherebbe soltanto la massa di dati che possiamo maneggiare ma anche il tipo di operazioni di cui è capace la nostra mente. *A. Clark Mindware, Oxford U.P. 2001

66 Esteriorizzare il pensiero. L’uso di carta e penna permetterebbe di risolvere problemi lontani dalle caratteristiche del nostro cervello che, ad esempio, è versato nel riconoscere insiemi visivi o manipolare oggetti. Anche le parole dovrebbero quindi essere considerate parte della macchina cognitiva, etichette attraverso cui viene esteriorizzata un’idea.

67 Wideware, Mindware Secondo Andy Clark, un passo fondamentale dell’evoluzione cognitiva umana sarebbe il wideware (mindware), una struttura allargata che dipende da varie tecnologie cognitive in grado di espandere e dare nuova forma al pensiero umano*. Più di tutte le altre specie animali utilizziamo una struttura allargata non biologica (strumenti, media, annotazioni), complemento delle nostre capacità di elaborare l’informazione. Ciò ha consentito il diffondersi di sistemi cognitivi estesi le cui capacità sarebbero ben diverse e generalmente ben superiori a quelle del puro e semplice cervello. *A. Clark Mindware, Oxford U.P. 2001

68 Un “incastro” cognitivo. Il linguaggio è la “tecnologia cognitiva” fondamentale che ha dato origine a una valanga di sviluppi: secondo la concezione della “mente estesa” gran parte dei raggiungimenti umani possono essere spiegati con l’innesco di una cooperazione tra cervelli e tecnologie cognitive da cui sono derivati ambienti tecnologicamente arricchiti in cui (nuovi) cervelli e tecnologie di seconda generazione producono un nuovo ambiente in cui impara un nuovo tipo di cervelli e così via…

69 Strutture di transizione. Gli scimpanzé sprovvisti di un allenamento di tipo simbolico non sarebbero in grado di trattare problemi che comportano il riconoscimento di relazioni di ordine superiore, l’identità e la differenza. Quando gli animali si trovano al cospetto di due (diverse) coppie di oggetti identici (due bicchieri e due forchette) il compito di ordine superiore consiste nel giudicare che le due coppie di oggetti sono caratterizzate dalla stessa relazione, cioè che ci si trova di fronte a due casi o ricorrenze dell’identità.

70 Etichette esterne e rappresentazione simbolica. Il successo degli scimpanzé nel risolvere problemi di ordine superiore dipenderebbe da una precedente esperienza con gettoni simbolici “esterni”: quando si trovano di fronte a due oggetti identici come due tazze, rintracciano una rappresentazione mentale simbolica dell’identità (es. un disco rosso). Anche l’esposizione a due altri oggetti identici (due forchette) porta al rintraccio dello stesso gettone: a questo punto il compito di ordine superiore (cogliere la relazione tra Bicchiere/Bicchiere e Forchetta/Forchetta) viene ridotto a un compito di ordine inferiore, vale a dire identificare due gettoni di plastica rossa come “lo stesso”.

71 Due coppie di oggetti identici, una di oggetti diversi

72 In queste due triplette un oggetto è diverso dagli altri due (scarpa e cubo). Tuttavia le due triplette presentano un’analogia di relazione.

73 Un gettone rosso significa: coppia di oggetti identici Un gettone verde significa: coppia di oggetti diversi Thompson, Oden e Boyson, 1997

74 Anche se queste due coppie di oggetti sono diverse, esse rimandano a un’identità di relazione –come quella indicata in precedenza con un gettone rosso. (Thompson et al. 1997)

75 La necessità di un’esperienza con “gettoni simbolici” esterni è però discutibile: a seconda del test utilizzato, primati non umani, carnivori e roditori, dimostrano una notevole capacità di generalizzare tra situazioni diverse e di svolgere compiti di “ordine superiore”che dipendono da strutture corticali in grado padroneggiare concetti astratti.