L’immaginazione dei ratti (VIDEO)

Anche gli animali sono in grado si immaginare luoghi e oggetti che non sono di fronte a loro

[7 Novembre 2023]

Come esseri umani, viviamo nei nostri pensieri: riflettiamo su cosa preparare per cena o sogniamo ad occhi aperti la nostra ultima vacanza. Ora, il nuovo studio “Volitional activation of remote place representations with a hippocampal brain–machine interface”, pubblicato su Science da Chongxi Lai, Shinsuke Tanaka, Timothy Harris e Albert Lee del Janelia Research Campus dell’Howard Hughes Medical Institute, suggerisce che anche gli animali possiedono l’immaginazione.

Al Janelia spiegano che «Un team dei laboratori Lee e Harris ha sviluppato un nuovo sistema che combina la realtà virtuale e un’interfaccia cervello-macchina per sondare i pensieri interiori del ratto. Hanno scoperto che, come gli esseri umani, gli animali possono pensare a luoghi e oggetti che non sono proprio di fronte a loro, usando i loro pensieri per immaginare di camminare verso un luogo o di spostare un oggetto remoto in un punto specifico. Come gli esseri umani, quando i roditori sperimentano luoghi ed eventi, vengono attivati ​​specifici schemi di attività neurale nell’ippocampo, un’area del cervello responsabile della memoria spaziale».

Il nuovo studio rileva che «I ratti possono generare volontariamente questi stessi modelli di attività e lo fanno per ricordare luoghi remoti distanti dalla loro posizione attuale».

Il principale autore dello studio, Chongxi Lai, sottolinea che «Il ratto può effettivamente attivare la rappresentazione dei luoghi nell’ambiente senza andarci. Anche se il suo corpo fisico è fermo, i suoi pensieri spaziali possono andare in luoghi molto remoti».

Questa capacità di immaginare luoghi lontani dalla propria posizione è fondamentale per ricordare eventi passati e immaginare possibili scenari futuri. Quindi, il nuovo studio suggerisce che «Gli animali, come gli esseri umani, possiedono una forma di immaginazione».

Lee, ora ricercatore Howard Hughes Medical Institute (HHMI) al Beth Israel Deaconess Medical Center, sottolinea che «Immaginare è una delle cose straordinarie che gli esseri umani possono fare. Ora abbiamo scoperto che anche gli animali possono farlo e abbiamo trovato un modo per studiarlo».

Il progetto è iniziato 9 anni fa quando Lai arrivò a Janelia come studente laureato con l’idea di verificare se un animale potesse pensare. Il suo consulente Harris gli suggerì di andare a fare due chiacchiere con Lee, il cui laboratorio stava lavorando a tematiche simili. Da allora, i due laboratori hanno lavorato insieme per sviluppare un sistema per capire cosa pensano gli animali: «Uun “rilevatore di pensiero” in tempo reale in grado di misurare l’attività neurale e tradurre ciò che significava – spiegano ancora gli scienziati – Il sistema utilizza un’interfaccia cervello-macchina (BMI), che fornisce una connessione diretta tra l’attività cerebrale e un dispositivo esterno. Nel sistema, il BMI produce una connessione tra l’attività elettrica nell’ippocampo del ratto e la sua posizione in un’arena di realtà virtuale a 360 gradi. L’ippocampo immagazzina mappe mentali del mondo coinvolte nel ricordare eventi passati e nell’immaginare scenari futuri. Il richiamo della memoria comporta la generazione di specifici modelli di attività dell’ippocampo relativi a luoghi ed eventi. Ma nessuno sapeva se gli animali potessero controllare volontariamente questa attività. Il BMI consente ai ricercatori di testare se un ratto può innescare l’attività dell’ippocampo solo per pensare a un luogo nell’arena senza recarsi fisicamente lì, in sostanza, rilevando se l’animale è in grado di immaginare di recarsi in quel luogo».

Una volta sviluppato il sistema, i ricercatori hanno dovuto creare il “dizionario del pensiero” che avrebbe permesso loro di decodificare i segnali cerebrali dei ratti. Un dizionario che compila quali sono i modelli di attività quando il ratto sperimenta qualcosa, in questo caso, luoghi nell’arena della realtà virtuale.

Il ratto è imbrigliato nel sistema VR, progettato da Tanaka, un postdoc del Lee Lab. Mentre il topo cammina su un tapis roulant sferico, i suoi movimenti vengono tradotti sullo schermo a 360 gradi. Il ratto viene ricompensato quando raggiunge il suo obiettivo. Intanto, il sistema BMI registra l’attività dell’ippocampo del ratto. I ricercatori possono vedere quali neuroni vengono attivati ​​quando il ratto percorre l’arena per raggiungere ciascun obiettivo e dicono che «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 aver riprodotto il modello di attività dell’ippocampo associato a una posizione obiettivo. Secondo il team del Janelia<, «In questo compito “Jumper” – che prende il nome da un film omonimo del 2008 – il BMI traduce l’attività cerebrale dell’animale in movimento sullo schermo della realtà virtuale. In sostanza, l’animale usa i suoi pensieri per raggiungere la ricompensa pensando prima a dove deve andare per ottenere la ricompensa. Questo processo di pensiero è qualcosa che gli esseri umani sperimentano regolarmente. Ad esempio, quando ci viene chiesto di fare la spesa in un negozio che conosciamo, potremmo immaginare i luoghi che attraverseremo lungo il percorso prima di uscire di casa».

Nel secondo compito, il compito “Jedi” – un omaggio a Star Wars – il ratto sposta un oggetto in una posizione solo con il pensiero. Funziona così: «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 hanno poi cambiano la posizione dell’obiettivo, richiedendo all’animale di produrre schemi di attività associati alla nuova posizione».

Il team ha scoperto che «I ratti possono controllare in modo preciso e flessibile la loro attività dell’ippocampo, nello stesso modo in cui probabilmente lo fanno gli esseri umani. Gli animali sono anche in grado di sostenere questa attività dell’ippocampo, mantenendo i propri pensieri su un dato luogo per molti secondi, un lasso di tempo simile a quello in cui gli esseri umani rivivono eventi passati o immaginano nuovi scenari».

Harris aggiunge: «La cosa sorprendente è il modo in cui i ratti imparano a pensare a quel luogo, e a nessun altro, per un periodo di tempo molto lungo, sulla base della nostra nozione, forse ingenua, della capacità di attenzione di un topo».

Il team di scienziati conclude: «La ricerca mostra anche che il BMI può essere utilizzato per sondare l’attività dell’ippocampo, fornendo un nuovo sistema per studiare questa importante regione del cervello. Poiché il BMI è sempre più utilizzato nelle protesi, questo nuovo lavoro apre anche la possibilità di progettare nuovi dispositivi protesici basati sugli stessi principi».