Come funzionano le reti neurali per la percezione dello spazio – Le ultime scoperte forniscono metodi preziosi per analizzare i dati sui disturbi neurocognitivi che coinvolgono l’apprendimento e la memoria, come il morbo di Alzheimer.
Le reti neurali responsabili della percezione spaziale cambiano in modo non lineare. A scoprirlo, un team di scienziati del Salk Institute for Biological Studies in California, hanno scoperto che il tempo trascorso a esplorare un ambiente fa crescere le rappresentazioni neurali in modi sorprendenti. I risultati, pubblicati su Nature Neuroscience, mostrano che i neuroni nell’ippocampo essenziali per la navigazione spaziale, la memoria e la pianificazione rappresentano lo spazio in un modo conforme a una geometria iperbolica non lineare, una distesa tridimensionale che cresce esponenzialmente verso l’esterno.
In altre parole, la percezione spaziale ha la forma dell’interno di una clessidra in espansione. I ricercatori hanno anche scoperto che la dimensione di quello spazio cresce con il tempo trascorso in un luogo. E la dimensione sta aumentando in modo logaritmico che corrisponde al massimo aumento possibile delle informazioni elaborate dal cervello. Questa scoperta fornisce metodi preziosi per analizzare i dati sui disturbi neurocognitivi che coinvolgono l’apprendimento e la memoria, come il morbo di Alzheimer.
“Il nostro studio dimostra che il cervello non agisce sempre in modo lineare. Invece, le reti neurali funzionano lungo una curva in espansione, che può essere analizzata e compresa utilizzando la geometria iperbolica e la teoria dell’informazione – afferma la professoressa di Salk Tatyana Sharpee, titolare della cattedra Edwin K. Hunter, che ha guidato lo studio – è emozionante vedere che le risposte neurali in quest’area del cervello hanno formato una mappa che si è espansa con l’esperienza in base alla quantità di tempo dedicata in un dato luogo. L’effetto valeva anche per minuscole deviazioni nel tempo, quando l’animale correva più lentamente o più velocemente nell’ambiente”.
Il laboratorio di Sharpee utilizza approcci computazionali avanzati per comprendere meglio come funziona il cervello. Recentemente hanno aperto la strada all’uso della geometria iperbolica per comprendere meglio i segnali biologici come le molecole dell’odore, così come la percezione dell’olfatto. Nello studio attuale, gli scienziati hanno scoperto che la geometria iperbolica guida anche le risposte neurali. Le mappe iperboliche di molecole ed eventi sensoriali sono percepite con mappe neurali iperboliche. Le rappresentazioni dello spazio si sono espanse dinamicamente in correlazione con la quantità di tempo che il ratto trascorreva esplorando ogni ambiente.
E, quando un topo si muoveva più lentamente attraverso un ambiente, acquisiva più informazioni sullo spazio, il che faceva crescere ancora di più le rappresentazioni neurali. “I risultati forniscono una nuova prospettiva su come le rappresentazioni neurali possono essere alterate con l’esperienza – afferma Huanqiu Zhang, assistente del laboratorio di Sharpee. “I principi geometrici identificati nel nostro studio possono anche guidare gli sforzi futuri nella comprensione dell’attivita’ neurale in vari sistemi cerebrali”.
“Si potrebbe pensare che la geometria iperbolica si applichi solo su scala cosmica, ma non è vero – afferma Sharpee – i nostri cervelli lavorano molto più lentamente della velocità della luce, il che potrebbe essere una ragione per cui si osservano effetti iperbolici su spazi afferrabili invece che astronomici. Successivamente, vorremmo saperne di più su come queste rappresentazioni iperboliche dinamiche nel cervello crescono, interagiscono e comunicano tra loro”, conclude lo scienziato.
