Non solo gli esseri umani sono capaci di “sognare ad occhi aperti”, anzi, i topi riescono anche a spostare oggetti solo col pensiero
Gli esseri umani spesso vivono nei loro pensieri, che siano riflessioni su cosa cucinare per cena o sogni sulla loro ultima vacanza al mare. Ora, i ricercatori dell’HHMI’s Janelia Research Campus hanno scoperto che anche gli animali possiedono un’immaginazione.
Lo scenario prima dello studio
Prima dello studio sui ratti, si sapeva che gli esseri umani possiedono la capacità di immaginare e navigare in mondi immaginari attraverso la formazione di mappe cognitive all’interno dell’ippocampo. Questa abilità è stata associata alla memoria spaziale e all’immaginazione, consentendo agli individui di ricordare e ricreare ambienti mentalmente senza spostarsi fisicamente.
In passato, molte ricerche si erano concentrate su questa capacità umana, ma l’idea che anche i ratti, animali considerati meno complessi rispetto agli esseri umani, potessero avere una forma di immaginazione era meno consolidata. Gli studi sugli animali tendevano a concentrarsi su aspetti più basici della cognizione, come l’apprendimento, la memoria e la navigazione basata sugli stimoli ambientali reali.
Cosa succede nella testa dei topi?
Un team dei laboratori Lee e Harris ha sviluppato un sistema innovativo che combina la realtà virtuale e un’interfaccia cervello-macchina per esplorare i pensieri interiori dei ratti.
Hanno scoperto che, come gli esseri umani, gli animali possono pensare a luoghi e oggetti che non sono proprio di fronte a loro, utilizzando i loro pensieri per immaginare di camminare verso una posizione o spostare un oggetto remoto in un punto specifico.
Quando i roditori vivono esperienze legate a luoghi ed eventi, vengono attivati specifici modelli di attività neuronale nell’ippocampo, un’area del cervello responsabile della memoria spaziale. Il nuovo studio ha rilevato che i ratti possono generare volontariamente questi stessi modelli di attività e farlo per ricordare posizioni remote distanti dalla loro posizione attuale.
“Il ratto può attivare la rappresentazione dei luoghi nell’ambiente senza andarci”, afferma Chongxi Lai. “Anche se il suo corpo fisico è fermo, i suoi pensieri spaziali possono andare in un luogo molto remoto.”
Questa capacità di immaginare luoghi lontani dalla posizione attuale è fondamentale per ricordare eventi passati e immaginare possibili scenari futuri. Pertanto, il nuovo lavoro dimostra che gli animali, come gli esseri umani, possiedono una forma di immaginazione, secondo gli autori dello studio.
Lo studio
Il progetto è iniziato nove anni fa quando Lai è arrivato a Janelia come studente di dottorato con l’idea di testare se un animale potesse pensare. Il suo supervisore, Tim Harris, ha suggerito a Lai di parlare con Lee, il cui laboratorio aveva domande simili.
Insieme, i laboratori hanno lavorato per sviluppare un sistema per capire cosa stanno pensando gli animali: un “rilevatore di pensieri” in tempo reale che potesse misurare l’attività cerebrale e tradurla in significato.
Il sistema utilizza un’interfaccia cervello-macchina (BMI), che fornisce una connessione diretta tra l’attività cerebrale e un dispositivo esterno. Nel sistema del team, il BMI stabilisce una connessione tra l’attività elettrica nell’ippocampo del ratto e la sua posizione in un’arena di realtà virtuale a 360 gradi.
Il BMI consente ai ricercatori di testare se un ratto può attivare l’attività ippocampale per pensare solo a una posizione nell’arena senza andarci fisicamente, ossia se l’animale è in grado di immaginare di raggiungere quella posizione.
Una volta sviluppato il sistema, i ricercatori hanno dovuto creare il “dizionario dei pensieri” che consentisse loro di decodificare i segnali cerebrali del ratto. Questo dizionario raccoglie cosa sembrano i modelli di attività quando il ratto sta vivendo qualcosa, in questo caso, luoghi nell’arena VR.
Il ratto è fissato nel sistema VR, progettato da Shinsuke Tanaka, un dottorando nel laboratorio di Lee. Mentre il ratto cammina su un tapis roulant sferico, i suoi movimenti vengono tradotti sullo schermo a 360 gradi. Il ratto viene premiato quando naviga verso il suo obiettivo.
Nello stesso momento, il sistema BMI registra l’attività ippocampale del ratto. I ricercatori possono vedere quali neuroni vengono attivati quando il ratto naviga nell’arena per raggiungere ogni obiettivo. Questi segnali forniscono la base per un BMI ippocampale in tempo reale, con l’attività ippocampale del cervello tradotta in azioni sullo schermo.
Successivamente, i ricercatori scollegano il tapis roulant e premiano il ratto per riprodurre il modello di attività ippocampale associato a una posizione obiettivo. In questo compito “Jumper”, chiamato così in onore di un film del 2008 con lo stesso nome, il BMI traduce l’attività cerebrale dell’animale in movimento sullo schermo della realtà virtuale. In sostanza, l’animale usa i suoi pensieri per navigare verso il premio pensando prima a dove deve andare per ottenere il premio. Questo processo di pensiero è qualcosa che gli esseri umani sperimentano regolarmente. Ad esempio, quando ci viene chiesto di comprare generi alimentari in un negozio familiare, potremmo immaginare i luoghi che passeremo lungo il percorso prima ancora di lasciare casa.
Nel secondo compito, il compito “Jedi” – un omaggio a Star Wars – il ratto sposta un oggetto in una posizione solo con i pensieri. Il ratto è fissato in un luogo virtuale ma “sposta” un oggetto verso un obiettivo nello spazio VR controllando la sua attività ippocampale, come una persona seduta nel proprio ufficio potrebbe immaginare di prendere una tazza accanto alla macchina del caffè e riempirla di caffè. I ricercatori cambiano quindi la posizione dell’obiettivo, richiedendo all’animale di produrre modelli di attività associati alla nuova posizione.
Il team ha scoperto che i ratti possono controllare in modo preciso e flessibile la loro attività ippocampale, allo stesso modo in cui probabilmente fanno gli esseri umani. Gli animali sono in grado di mantenere questa attività ippocampale, mantenendo i loro pensieri su una data posizione per molti secondi, un intervallo di tempo simile a quello in cui gli esseri umani rivivono eventi passati o immaginano nuovi scenari.
“La cosa sorprendente è come i ratti imparano a pensare a quel luogo e a nessun altro per un periodo molto lungo, basandoci sulla nostra, forse ingenua, nozione della durata dell’attenzione di un ratto”, dice Harris.
La ricerca mostra anche che il BMI può essere utilizzato per esplorare l’attività ippocampale, fornendo un nuovo sistema per lo studio di questa importante regione cerebrale. Poiché il BMI viene utilizzato sempre più spesso nelle protesi, questo nuovo lavoro apre anche la possibilità di progettare nuovi dispositivi protesici basati sugli stessi principi, secondo gli autori.
La funzione delle mappe cognitive
Come gli esseri umani, i ratti possiedono neuroni chiamati “cellule di luogo” all’interno di una regione del cervello chiamata ippocampo, centrale sia alla memoria che all’immaginazione. Mentre i roditori si muovono, queste cellule di luogo si attivano in configurazioni sempre mutevoli che rappresentano l’ambiente in cui si trovano in un determinato momento.
Nell’ippocampo umano, i modelli di attivazione di queste cellule di luogo sono ricordati e memorizzati come “mappe cognitive”. Come modelli mentali di ambienti precedentemente sperimentati, queste mappe possono essere richiamate e ripercorse nella nostra immaginazione in qualsiasi momento, consentendoci di trasportarci in luoghi lontani senza muovere il nostro corpo.
Queste scoperte sono significative perché suggeriscono che gli animali hanno una forma di immaginazione simile a quella umana. Questo potrebbe avere implicazioni importanti per la comprensione delle capacità cognitive degli animali e potrebbe aprire nuove vie per lo sviluppo di interfacce cervello-macchina e protesi basate su principi simili. Inoltre, potrebbe portare a una migliore comprensione della memoria spaziale e della capacità di immaginare scenari futuri negli animali.
Lo studio è pubblicato sulla rivista Science.
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