Gli scienziati del Cluster of Excellence CITEC svelano i meccanismi dell’elaborazione multisensoriale in una nuova pubblicazione su “Nature Communications”.
Utilizzare le informazioni provenienti da tutti i sensi e fondamentale per costruire una rappresentazione ricca e affidabile di cio che ci circonda. Ma di fronte alla mole di informazioni multisensoriali che ci raggiunge di continuo, come fa il cervello a sapere quali segnali vanno insieme e devono quindi essere combinati? E in che modo integra segnali cosi correlati? Gli scienziati del Cluster of Excellence Cognitive Interaction Technology (CITEC) dell’Universita di Bielefeld e del Max Planck Institute for Biological Cybernetics hanno proposto un modello computazionale che spiega l’integrazione multisensoriale nell’uomo tramite un’unita di elaborazione sorprendentemente semplice. La ricerca, finanziata dal Bernstein Center for Computational Neuroscience, compare nel numero corrente di “Nature Communications”.
Un’esplosione improvvisa, suoni secchi e lampi di luce. In un batter d’occhio ti rendi conto che suoni e luci vanno insieme, guardi in basso e vedi dei petardi sul marciapiede. Il cervello umano e sorprendentemente efficiente nell’elaborare le informazioni multisensoriali. Eppure ancora non sappiamo come risolva il compito apparentemente semplice di decidere se suono e luce vadano insieme oppure no. “Trovare una corrispondenza tra i sensi non e affatto un problema banale” afferma il dottor Cesare Parise, che lavora al CITEC nel gruppo di ricerca Cognitive Neurosciences. Parise, attivo anche presso il Max Planck Institute for Biological Cybernetics, e il primo autore del nuovo studio, scritto insieme al professor Marc Ernst, che ha condotto ricerche all’Universita di Bielefeld fino al marzo 2016. “Pur avendo origine dagli stessi eventi fisici, le informazioni visive e uditive vengono elaborate in vie neurali in gran parte indipendenti; eppure, senza alcuno sforzo apparente, sappiamo dire all’istante quali segnali vanno insieme. Un compito simile sarebbe impegnativo persino per i robot piu avanzati”.
Per capire come gli esseri umani combinino informazioni visive e uditive, alcuni volontari hanno accettato di partecipare a un esperimento percettivo in cui osservavano sequenze casuali di click e lampi. Dopo ogni sequenza dovevano riferire se suono e luce fossero percepiti come appartenenti insieme e quale segnale comparisse per primo. Le analisi statistiche hanno rivelato che le risposte umane erano determinate in modo sistematico dalla somiglianza, cioe dalla correlazione, delle sequenze temporali di click e lampi. “E’ un risultato molto importante” dice il professor Marc Ernst, “non solo perche mostra che il cervello usa la correlazione temporale di suono e luce per capire se sono fisicamente collegati, ma anche perche apre una domanda ancora piu intrigante: come fa il cervello a rilevare la correlazione tra i sensi?”.
Il rilevatore di correlazione multisensoriale
Per rispondere a questa domanda, Parise ed Ernst hanno usato la modellazione computazionale e simulazioni al computer, individuando un meccanismo neurale elementare capace di replicare fedelmente la percezione umana. Tale meccanismo, chiamato Multisensory Correlation Detector (rilevatore di correlazione multisensoriale), monitora i sensi e cerca la somiglianza (correlazione) tra segnali visivi e uditivi: se gli stimoli hanno una struttura temporale simile, il cervello conclude che appartengono insieme e li integra. Sorprendentemente, questo meccanismo e molto simile ai rilevatori di movimento presenti nel cervello degli insetti.
“E’ entusiasmante perche mostra che il cervello sfrutta in modo sistematico strategie di elaborazione generali, applicabili a domini della percezione molto diversi in cui la correlazione tra segnali e una caratteristica chiave: la percezione del movimento visivo, la percezione tridimensionale tramite disparita binoculare, l’udito binaurale e ora l’elaborazione multisensoriale. Inoltre, meccanismi di correlazione di questo tipo si ritrovano in specie animali molto diverse, dagli insetti ai vertebrati, uomo compreso” dice il professor Marc Ernst, che ha appena accettato un nuovo incarico all’Universita di Ulm. Per verificare ulteriormente la generalizzabilita del modello, Parise ed Ernst hanno eseguito altre simulazioni al computer, usando il Multisensory Correlation Detector per replicare diversi risultati precedenti sugli aspetti temporali e spaziali della percezione multisensoriale. Senza ulteriori modifiche, lo stesso modello si e dimostrato capace di riprodurre la percezione umana in tutti gli studi simulati, mostrando gli stessi vincoli temporali e spaziali osservati negli esseri umani.
“Nell’ultimo decennio abbiamo scoperto che il cervello integra le informazioni multisensoriali in modo statisticamente ottimale. Tuttavia, la natura dei meccanismi neurali sottostanti aveva finora resistito a una spiegazione scientifica adeguata” dice il dottor Cesare Parise. “Questo studio segna una pietra miliare nella comprensione della percezione umana, perche fornisce per la prima volta un meccanismo generale in grado di spiegare un’ampia varieta di risultati nella percezione multisensoriale”.
Applicazioni cliniche e per la percezione artificiale
“Questo risultato ha un forte potenziale applicativo” dice il dottor Parise, che ha appena accettato un nuovo incarico come ricercatore presso Oculus VR (Facebook): “Una comprensione profonda dell’elaborazione multisensoriale apre nuove prospettive cliniche per le sindromi neurologiche associate a deficit multisensoriali, come il Disturbo dello Spettro Autistico e la Dislessia. Inoltre, il nostro modello computazionale potrebbe essere facilmente implementato per l’uso in robot e nella percezione artificiale”.
Il Dipartimento di Neuroscienze Cognitive della Facolta di Biologia e affiliato al Cluster of Excellence Cognitive Interaction Technology (CITEC) dell’Universita di Bielefeld. Il Dipartimento si concentra sulla percezione multisensoriale umana, l’integrazione sensomotoria, l’apprendimento percettivo e l’interazione uomo-macchina, combinando la sperimentazione psicofisica sull’uomo con la modellazione computazionale. Al momento conta 15 membri con background disciplinari diversi: biologia, scienze cognitive, psicologia, medicina, fisica e ingegneria.
Pubblicazione originale
Cesare Parise, Marc Ernst: Correlation detection as a general mechanism for multisensory integration. Nature Communications, 2016.
Contatti
Dr. Cesare V. Parise, Faculty of Biology e CITEC, Universita di Bielefeld. Telefono: +49 521 106-5703. Email: cesare.parise presso uni-bielefeld.de
Domande frequenti
Come fa il cervello a capire quali segnali sensoriali vanno insieme?
Secondo lo studio, il cervello si basa sulla correlazione temporale: se un suono e una luce hanno una struttura temporale simile, conclude che appartengono allo stesso evento e li integra. Le risposte dei volontari nell’esperimento con click e lampi erano determinate in modo sistematico proprio da questa somiglianza tra le sequenze.
Che cos’e il Multisensory Correlation Detector?
E il meccanismo neurale elementare individuato da Parise ed Ernst: monitora i sensi e cerca la correlazione tra segnali visivi e uditivi, integrandoli quando la loro struttura temporale coincide. Sorprendentemente, e molto simile ai rilevatori di movimento presenti nel cervello degli insetti.
Perche questa scoperta e importante?
Mostra che il cervello sfrutta strategie di elaborazione generali, valide per la percezione del movimento, la visione tridimensionale, l’udito binaurale e ora l’integrazione multisensoriale, e presenti in specie molto diverse, dagli insetti all’uomo. Un unico meccanismo spiega un’ampia varieta di risultati sperimentali.
Quali applicazioni pratiche apre lo studio?
Una comprensione profonda dell’elaborazione multisensoriale offre nuove prospettive cliniche per sindromi associate a deficit multisensoriali, come il Disturbo dello Spettro Autistico e la Dislessia. Il modello computazionale, inoltre, potrebbe essere implementato in robot e sistemi di percezione artificiale.
leggendo l’articolo non riesco a farmi un’idea del livello e posizione che hanno i ricercatori di questo studio,però se fosse vero quello riportato mi sembrerebbe il tutto un po’ strano,quasi una provocazione nei confronti di neuro scienziati seri che sanno e fanno bene il loro mestiere.
Un conto è fare delle verifiche su cose già note per approfondirle e capirle meglio,un’altra cosa è meravigliarsi delle banalità, “scoperte”,nei loro studi.
Questi pseudo ricercatori,studiosi,o neuro scienziati,dimostrano di essere allo stesso livello di conoscenza riguardo al funzionamento del cervello umano,di una persona comune che stimolata da una curiosità si pone una domanda.
Dal qualche anno mi sono reso conto che studiare troppa matematica fa male al cervello,limita la fantasia e la creatività,e questo mi ha aiutato molto nella rimozione del senso di colpa che avevo per non averla mai studiata.