Così il cervello elabora le immagini in movimento

Credit: Karen Bleier/Getty Images 
Il nostro sistema visivo è in grado di trattenere le informazioni acquisite in movimento senza dover elaborare da capo le immagini di un oggetto o di una persona per poterlo riconoscere. La scoperta della Sissa di Trieste
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IMMAGINATE la vostra vita come un vecchio filmato di animazione in stop-motion: una sequenza di fotogrammi statici, fatti scorrere rapidamente, produce l’illusione del movimento. Illusione, appunto, perché l’impercettibile procedere a scatti, priva della 'scia' che caratterizza il movimento, inganna solo temporaneamente il cervello finendo per generare uno stato di incertezza. Fortunatamente non è così. Il nostro sistema visivo è in grado di trattenere le informazioni acquisite in movimento – senza dover elaborare da capo le immagini di un oggetto o di una persona per poterlo riconoscere – e dunque ci permette una visione più stabile del mondo esterno.

A queste conclusioni giunge uno studio condotto dalla SISSA di Trieste in collaborazione con l’Università della Pennsylvania e l’Università Cattolica di Lovanio, pubblicato su Nature Communications, che spiega l’origine neuronale di questo fenomeno."Una delle grandi sfide di tutti i sistemi sensoriali è quella di mantenere una rappresentazione stabile del mondo esterno, nonostante i continui cambiamenti che avvengono attorno a noi. Questo vale anche per il sistema visivo", premette Davide Zoccolan, direttore del laboratorio di Neuroscienze visive dell’istituto triestino. Per capirlo, basta guardarsi intorno: oggetti, animali, persone sono in continuo movimento. "Ciò provoca fluttuazioni molto rapide dei segnali acquisiti dalla retina ma finora non era chiaro se lo stesso tipo di variazioni caratterizzassero le strutture più profonde della corteccia visiva, dove l’informazione viene integrata ed elaborata. Se così fosse vivremmo in una condizione di grande instabilità".

Gli stimoli visivi

È noto ormai da tempo che, a seguito di stimoli visivi, i segnali generati dalla retina raggiungono diversi stadi di elaborazione della corteccia visiva, organizzati secondo una gerarchia ben precisa. È questo processo di elaborazione che ci permette di riconoscere un oggetto o un volto e di farlo indipendentemente dalla sua posizione o angolatura. Sebbene ciò fosse stato dimostrato nel caso degli stimoli statici, mancava ancora la prova per le situazioni dinamiche. Per verificarne l’esistenza, alcuni ricercatori della SISSA, dell’Università della Pennsylvania e dell’Università Cattolica di Lovanio, hanno analizzato i segnali generati dai neuroni presenti nelle diverse aree visive corticali di alcuni roditori in seguito a stimoli visivi di tipo dinamico. "Abbiamo utilizzato tre distinti set di dati: uno acquisito a Trieste, uno a Lovanio e uno messo a libera disposizione della comunità scientifica dall’Allen Institute for Brain Science di Seattle" spiega il neuroscienziato, che precisa: "gli stimoli visivi utilizzati erano di tipo diverso. In SISSA abbiamo realizzato dei filmati appositi con oggetti in movimento a diverse velocità. Gli altri dati sono stati acquisiti utilizzando spezzoni di film di vario genere, anche cinematografici".

L'elaborazione delle scene visive

Per verificare che i segnali neurali evolvano secondo scale temporali diverse, i ricercatori hanno analizzato i segnali registrati nelle diverse aree della corteccia visiva e dunque applicato modelli matematici per mettere in relazione le immagini nei filmati con l’attività dei singoli neuroni. "La difficoltà di quest’analisi consiste nell’identificare un metodo che consenta di capire se l’elaborazione delle scene visive diventi più lenta man mano che si scende più in profondità nel cervello", spiega il fisico Vijay Balasubramanian dell’Università della Pennsylvania. "Diversi stadi del cervello elaborano l’informazione visiva a scale temporali diverse – alcuni segnali diventano più stabili, altri variano più velocemente. È molto difficile capire se le scale temporali variano in modo sistematico lungo il sistema visivo. Il nostro contributo è stato sviluppare un metodo robusto e affidabile per comprenderlo".

Indipendentemente dalla natura dello stimolo visivo, i risultati sono stati gli stessi: "Abbiamo osservato una maggiore persistenza dei segnali acquisiti negli strati più profondi, una sorta di costanza percettiva che garantisce una certa stabilità all’informazione, eliminando le fluttuazioni osservate negli strati più superficiali" riprende Zoccolan.

Il ricordo dell'immagine

Ma non solo. I ricercatori hanno notato che esiste una sorta di persistenza intrinseca che aumenta lungo la gerarchia di aree visive. Nelle aree più profonde, la risposta neuronale permane per alcune centinaia di millisecondi anche quando lo stimolo sparisce, imponendo così una durata minima alla codifica delle immagini che garantisce che l’informazione venga elaborata in modo corretto. E quindi, che anche la reazione allo stimolo sia tarata correttamente. In altri termini, per garantirci un mondo più stabile, il sistema visivo riduce da un lato le fluttuazioni troppo rapide ma dall’altro temporeggia per non farci perdere informazioni potenzialmente preziose.