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La scoperta dell’atlante semantico del nostro cervello

Uno studio ha individuato la mappa semantica del nostro cervello che mostra quali aree si attivano quando si associa un significato alle parole.  

ID Articolo: 121221 - Pubblicato il: 17 maggio 2016
La scoperta dell’atlante semantico del nostro cervello
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Per la prima volta è stata elaborata una mappa semantica della corteccia celebrale, definita atlante semantico, che mostra quali aree celebrali si attivano quando dobbiamo associare un significato alle parole che ascoltiamo.

Lo studio

Nel seguente articolo viene riportata la recente scoperta avvenuta nel campo delle neuroscienze ad opera dei ricercatori dell’Università di Berkeley in California: Alexander G. Huth, Wendy A. de Heer, Thomas L. Griffiths, Frederic E. Theunissen e Jack L. Gallant sono i nomi dei ricercatori che hanno partecipato e contribuito a questa nuova scoperta che può aprire importanti orizzonti nel campo delle neuroscienze e non solo.

Nello specifico, per la prima volta è stata elaborata una mappa semantica della corteccia celebrale, definita atlante semantico, che mostra quali aree celebrali si attivano quando dobbiamo associare un significato alle parole che ascoltiamo. È stato dimostrato così che il linguaggio impegna molte aree del cervello e non esclusivamente quelle a sinistra.

Lo studio che ha portato alla mappatura celebrale del sistema semantico dell’Università della California, Berkeley, è stato pubblicato sulla rivista Nature con il seguente titolo: “Natural speech reveals the semantic maps that tile human cerebral cortex” (Alexander G. Huth, Wendy A. de Heer, Thomas L. Griffiths, Frederic E. Theunissen e Jack L. Gallant, 2016).

Il gruppo – guidato da Alexander Huth, postdottorando di ricerca in neuroscienze, e Gallant, professore di psicologia – per le loro ricerche ha scelto sette soggetti volontari, ai quali è stato chiesto di ascoltare per circa un paio d’ore delle storie narrative dalla “Moth Radio Hour” (Carey B, 2016). È stata così mappata sistematicamente la selettività semantica attraverso la corteccia, utilizzando la modellazione voxel-wise dei dati forniti dalla risonanza magnetica funzionale (fMRI, questa permette di visualizzare in tempo reale l’attività dell’area celebrale che corrisponde alla facoltà utilizzata dal soggetto in quel dato momento) mentre i soggetti ascoltavano queste storie. I dati forniti sono stati utilizzati per calcolare una stima di modelli voxel-wise che anticipino l’attività in ogni voxel (pixel volumetrici) in base al significato delle parole nelle storie (disponile sul sito).

In altri termini: a questi volontari è stato fatto ascoltare lo stesso programma radiofonico e sono stati confrontati i risultati tra loro attraverso un programma che analizza semanticamente i testi della trasmissione.

Using novel computational methods, the group broke down the stories into units of meaning: social elements, for example, like friends and parties, as well as locations and emotions . They found that these concepts fell into 12 categories that tended to cause activation in the same parts of people’s brains at the same points throughout the stories. They then retested that model by seeing how it predicted M.R.I. activity while the volunteers listened to another Moth story. Would related words like mother and father, or times, dates and numbers trigger the same parts of people’s brains? The answer was yes.
(Carey B, 2016).

Messaggio pubblicitario I ricercatori hanno così dimostrato che il sistema semantico è organizzato in schemi intricati di popolazioni neuronali che mostrano una corrispondenza tra gli individui. Un dato interessante che emerge da questo studio è infatti che le mappe celebrali dei concetti semantici che risultano, sono simili tra i soggetti esaminati. Per fare un esempio, nella corteccia parietale laterale, tutti e sette hanno mostrato una zona selettiva per parole “sociali”, in relazione alle persone.

In questo modo è stato possibile creare il primo atlante semantico.

Our results suggest that most areas within the semantic system represent information about specific semantic domains, or groups of related concepts, and our atlas shows which domains are represented in each area
(Alexander G. Huth, Wendy A. de Heer, Thomas L. Griffiths, Frederic E. Theunissen e Jack L. Gallant, 2016).
Si è così scoperto che il sistema semantico è distribuito in più di 100 aree distinte che si trovano in entrambi gli emisferi celebrali.

Lo studio dei ricercatori dell’Università della California Berkeley, che ha elaborato la prima mappa cerebrale del sistema semantico, si può trovare sulla già citata rivista Nature (Alexander G. Huth, Wendy A. de Heer, Thomas L. Griffiths, Frederic E. Theunissen e Jack L. Gallant, 2016) con il seguente titolo: “Natural speech reveals the semantic maps that tile human cerebral cortex”.

È possibile guardare dei video che sinteticamente illustrano tale scoperta, quello prodotto da Nature e l’altro dalla National Science Foundation.

The Brain dictionary (l’articolo prosegue sotto il video)

 

Tour della mappa semantica

Sul sito è stata riportata la mappa semantica del cervello, un tour in 3D tratto da un modello confacente ad ogni cervello umano. I colori indicano la categoria di parole prevista per suscitare la più grande risposta in ciascun voxel. È possibile ruotare, ingrandire il modello del cervello per vederne i vari dettagli. Attraverso il comando “next” si può iniziare tale tour. Si hanno varie sezioni:

– Modelli voxel-wise
Viene qui allestito un modello di regressione separata per ciascuno di 60.000 voxel nella corteccia cerebrale. Un modo per immaginare un modello è quello di prevederne la sua risposta a 10.000 parole differenti e mostrare le 20 con la più alta risposta prevista. Questi voxel nel lobo sinistro occipito-temporale della corteccia, sembrano rispondere alle parole collegate alle informazioni sulla forma e spazio. Molte delle altre parole evidenziate in verde rispondono fortemente alle parole legate allo spazio e al tatto.

– Rappresentazione delle parole sociali
In questa sezione sono evidenziate le parole che sono collocate nel giro angolare nella parte destra. I ricercatori sostengono che lì ci possa essere una forte risposta alle parole che descrivono eventi drammatici, così come le parole che descrivono il tempo. Gli altri voxel, quelli rosso intenso e arancione, prevedono la risposta alle parole sociali o drammatiche. Il rosso scuro e il marrone invece rispondono a parole di tempo e luogo.

– Rappresentazione di parole numeriche
I voxel qui evidenziati sono localizzati nel solco destro precentrale. I ricercatori prevedono che lì ci sia una risposta selettiva ai numeri.

– Ingrandimento della superficie corticale
In questa sezione si mostra come molti dei voxel interessanti nel cervello siano nascosti alla vista, all’interno delle pieghe (circonvoluzioni) nella superficie corticale. I ricercatori sono stati in grado di “gonfiare” la corteccia in modo da rendere visibili alcuni di questi voxel, per vederlo basta premere nel menù (in alto a destra) il tasto “inflate” sotto il tasto “camera”. Per tornare alla vista originale basta premere “reset”.

– Conferma dei modelli voxel
Solo alcuni dei voxel nella corteccia celebrale rispondono selettivamente e in modo affidabile ad alcune categorie di parole. Per determinare quali sono queste categorie, i ricercatori hanno testato l’accuratezza di previsione di ogni modello di una storia a parte, che non era stata utilizzata per il modello di montaggio. Per attivare la visione di quanto detto è possibile premere il tasto “performance” a destra. Per ritornare alla visione originale premere il tasto “selectivity”.

– Atlante PrAGMATiC
Uno dei principali obiettivi della ricerca è stato creare un “atlas of semantic selectivity in the human brain” (dal sito, sezione settima, “PrAGMATiC atlas”); uno degli scopi è stato dunque quello di creare un atlante di selettività semantica nel cervello umano. A tal proposito è stato sviluppato un nuovo modello probabilistico di aree per rivestimento della corteccia per tale atlante. Il modello PrAGMATiC presuppone che ogni soggetto abbia le stesse aree funzionali, ma permette qualche variazione tra gli individui nella precisa posizione e dimensione di ogni area. L’atlante PrAGMATiC divide l’emisfero sinistro in 192 aree funzionali distinte, 77 delle quali sono semanticamente selettive. L’emisfero destro è diviso in 128 aree funzionali, di cui 63 sono semanticamente selettive. Per coloro che consultano questa visione 3D è possibile vedere i maggiori dettagli di selettività semantica (o la sua assenza) facendo un click sull’area che desiderano approfondire.

– PrAGMATiC area SPFC R10
Qui per visualizzare la selettività semantica di ogni area i ricercatori hanno calcolato una media tra i voxel-wise che costituiscono i modelli all’interno di tale area in tutti e sette i soggetti. Hanno poi previsto come quella zona risponderà a ciascuna delle 10.000 parole differenti e visualizzato le 20 parole previste per evocare la risposta più alta. L’area semanticamente selettiva evidenziata qui si trova nella corteccia prefrontale destra. I modelli prevedono una forte risposta alle parole che descrivono luoghi (spesso sedi di attività), ore e numeri.

 

Conclusioni

Messaggio pubblicitario In conclusione, possiamo dire che l’atlante semantico fornisce, per la prima volta, una mappa dettagliata di come il significato è rappresentato nella corteccia umana. Come è stato accennato all’inizio del presente articolo, questo risultato ha dato modo di scoprire che il linguaggio impegna ampie regioni del cervello e non è limitato solo ad alcune. Questo studio ha fornito, infatti, l’importante risultato di vedere che le rappresentazioni linguistiche sono bilaterali: le risposte nell’emisfero cerebrale destro sono grandi e varie circa quanto le risposte di quello sinistro. Viene così sfidata l’ipotesi (ricavata da studi sui deficit linguistici prodotti da lesioni celebrali) corrente, secondo cui il linguaggio coinvolga esclusivamente l’emisfero sinistro. È stata una sorpresa per i ricercatori stessi il fatto che il linguaggio interessi entrambi gli emisferi.

La recente scoperta fornisce una valida conoscenza per la comprensione dei meccanismi celebrali che sottostanno al linguaggio, ma potrebbe avere anche importanti implicazioni per studiare la riabilitazione a seguito di lesioni celebrali che abbiano danneggiato i settori legati al linguaggio. Gli studi futuri potranno chiarire come tali mappe cambino in presenza di disturbi legati al linguaggio (come la dislessia) o in condizioni neurologiche legate all’elaborazione del linguaggio.

I ricercatori comunque sottolineano il bisogno di approfondire questi studi in quanto, il campione a cui è stato sottoposto l’esperimento è in numero ristretto, per giunta dello stesso gruppo sociale, fattore che potrebbe inficiare sui risultati. Pertanto i ricercatori continueranno i loro studi estendendoli a campioni maggiori, con gruppi più eterogenei al fine di migliorare la precisione delle mappe e per comprendere le differenze individuali.

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