Dai singoli neuroni alla percezione visiva

Dal neurone alla mappa: come il cervello rappresenta cio’ che vede

Ogni cellula della corteccia visiva risponde con scariche di potenziali d’azione ai propri stimoli preferiti: un orientamento particolare di una linea, una direzione di movimento, un colore, un contrasto specifico. Presa singolarmente, una di queste cellule “sa” pochissimo del mondo: registra soltanto la presenza di una caratteristica elementare nel proprio campo recettivo, cioe’ nella porzione di spazio visivo a cui e’ sensibile.

La ricchezza della percezione emerge quando milioni di queste risposte vengono combinate. Spesso il grosso dell’attivita’ neurale si verifica in moduli corticali molto distanti tra loro, ma temporalmente coordinati: e’ la sincronia delle scariche, piu’ che la loro semplice intensita’, a permettere al cervello di “legare” insieme le diverse caratteristiche di uno stesso oggetto, come il suo colore, la sua forma e il suo movimento.

Il campo recettivo: l’unita’ di base della visione

Il concetto di campo recettivo e’ la chiave per capire il lavoro del singolo neurone visivo. Ogni cellula reagisce solo a stimoli che cadono in una regione precisa del campo visivo e che possiedono le caratteristiche giuste. Salendo lungo la gerarchia corticale, i campi recettivi diventano progressivamente piu’ ampi e selettivi: si passa da neuroni che rispondono a semplici barre orientate a cellule che reagiscono a configurazioni complesse, fino, nelle aree piu’ avanzate, a neuroni sensibili a stimoli molto specifici come i volti.

La corteccia striata e cio’ che viene dopo

Il primo grande snodo corticale dell’informazione visiva e’ la V1, la corteccia visiva primaria, detta anche corteccia striata per via dell’aspetto a bande del suo tessuto. Qui arriva, attraverso il talamo, gran parte del segnale proveniente dalla retina, e qui inizia l’analisi sistematica delle caratteristiche elementari della scena.

Ma la V1 e’ solo l’inizio. Al di la’ della corteccia visiva primaria giacciono almeno una dozzina di aree corticali ben distinte, ciascuna delle quali contiene una propria mappa visiva del mondo che ci circonda. Ogni area e’ specializzata in un aspetto diverso dell’elaborazione: alcune privilegiano il movimento, altre il colore, altre ancora la forma o la profondita’. Il risultato e’ un’analisi parallela e distribuita, in cui la stessa scena viene scomposta e trattata simultaneamente da circuiti differenti.

Mappe multiple di una stessa realta’

Il fatto che esistano molte mappe visive distinte ha una conseguenza importante: non c’e’ un unico “schermo” interno su cui si proietta cio’ che vediamo. La realta’ visiva e’ rappresentata piu’ volte, in formati diversi, da popolazioni di neuroni che enfatizzano ciascuna determinati attributi. La percezione cosciente che ne deriva e’ il prodotto integrato di queste rappresentazioni multiple, non la lettura di una singola immagine cerebrale.

I due grandi flussi corticali: il “dove” e il “cosa”

I risultati emersi dalla ricerca confermano l’esistenza di due flussi corticali di larga scala che analizzano l’informazione visiva a partire dalla corteccia striata. Il primo si allunga dalla corteccia striata verso il lobo parietale; il secondo si proietta verso il lobo temporale. Questa organizzazione in due vie e’ uno dei modelli piu’ solidi e influenti delle neuroscienze della visione.

Il flusso diretto al lobo parietale e’ tradizionalmente associato all’elaborazione delle informazioni spaziali e alla guida dell’azione: dove si trova un oggetto, come si muove, come orientare verso di esso lo sguardo o la mano. Per questo viene spesso chiamato la via del “dove” o, in una formulazione piu’ recente, la via del “come”, per il suo ruolo nel coordinare i movimenti con cio’ che vediamo.

Il flusso diretto al lobo temporale e’ invece legato al riconoscimento e all’identificazione degli oggetti: di che cosa si tratta, a quale categoria appartiene, se lo abbiamo gia’ visto. E’ la via del “cosa”, quella che ci permette di distinguere un volto da un altro, di leggere una parola o di riconoscere un oggetto familiare anche se cambia posizione o illuminazione.

Due vie che collaborano

Sebbene la distinzione tra via dorsale verso il lobo parietale e via ventrale verso il lobo temporale sia molto utile, le due vie non lavorano in isolamento. Numerose connessioni le collegano fra loro e con altre regioni del cervello, e la percezione fluida e unitaria che sperimentiamo nasce proprio dal continuo scambio di informazioni tra questi sistemi. Afferrare una tazza, per esempio, richiede sia di riconoscerla come tazza (via temporale) sia di calcolarne con precisione la posizione per guidare la mano (via parietale).

Perche’ questo modello e’ importante

Comprendere come il cervello passi dai singoli neuroni alla percezione visiva ha ricadute che vanno ben oltre la teoria. La clinica neuropsicologica mostra che lesioni selettive delle diverse aree o dei diversi flussi producono disturbi specifici: difficolta’ a riconoscere i volti, incapacita’ di percepire il movimento, problemi nel localizzare gli oggetti pur vedendoli. Studiare queste dissociazioni ha permesso di confermare, nell’essere umano, l’organizzazione modulare emersa dagli studi sui neuroni.

Lo stesso modello ispira oggi lo sviluppo dei sistemi di visione artificiale, che spesso imitano l’idea di un’elaborazione gerarchica e parallela, e offre una cornice per interpretare fenomeni quotidiani come le illusioni ottiche, in cui la natura costruttiva della percezione diventa visibile.

Domande frequenti

Che cos’e’ la corteccia striata?

La corteccia striata e’ un altro nome della V1, la corteccia visiva primaria. E’ la prima grande area corticale che riceve e analizza il segnale visivo proveniente dalla retina attraverso il talamo, e prende il nome dall’aspetto a strie del suo tessuto. Da qui l’informazione si distribuisce verso le numerose aree visive successive.

Quante aree visive ci sono nel cervello?

Al di la’ della corteccia visiva primaria esistono almeno una dozzina di aree corticali distinte, ciascuna con una propria mappa visiva e specializzata in un aspetto diverso dell’elaborazione, come il movimento, il colore o la forma. La visione e’ quindi un processo distribuito su molti moduli che lavorano in parallelo.

Qual e’ la differenza tra via del “dove” e via del “cosa”?

La via del “dove” e’ il flusso che dalla corteccia striata raggiunge il lobo parietale e si occupa della posizione spaziale degli oggetti e della guida dell’azione. La via del “cosa” e’ il flusso che raggiunge il lobo temporale ed e’ dedicata al riconoscimento e all’identificazione degli oggetti. Le due vie collaborano costantemente.

Perche’ i neuroni devono scaricare in sincronia?

Poiche’ le diverse caratteristiche di un oggetto vengono elaborate da moduli corticali distinti e spesso distanti, il cervello ha bisogno di un meccanismo per “legarle” insieme. La sincronia temporale delle scariche neurali e’ considerata uno dei modi con cui colore, forma e movimento di uno stesso oggetto vengono integrati in un’unica percezione coerente.