Comprendere il funzionamento del cervello, capire cosa succede in presenza di malattie neurodegenerative come quella di Alzheimer, ma anche indagare le similitudini tra la mente umana e le reti neurali artificiali: sono questi gli obiettivi di Atcom - An attentional code for memory, il progetto di ricerca che il neuroscienziato Roberto Bottini coltiverà i prossimi cinque anni nei laboratori del Centro interdipartimentale Mente/Cervello (Cimec) dell’Università di Trento. Un progetto che è valso a Bottini un consolidator grant dell’European Research Council.
«L’idea – racconta Bottini – è quella di comprendere il codice attraverso il quale organizziamo la nostra conoscenza. Vogliamo indagare in particolare la "memoria dichiarativa", quella a cui accediamo in modo cosciente e che possiamo manipolare». Un tipo di memoria intenzionale, diversa da quella che ci permette di svolgere azioni in modo quasi automatico, ad esempio guidare l’automobile, andare in bicicletta o giocare a tennis.
«La memoria dichiarativa – prosegue Bottini – è quella a cui abbiamo accesso in modo cosciente, ad esempio quando ricordiamo cosa abbiamo fatto la sera prima, come è andato il nostro ultimo compleanno o dove siamo stati in vacanza. Ci permette anche di accedere a informazioni generali cosiddette ‘tipiche’, ad esempio qual è la capitale di uno stato o le condizioni meteo legate a una situazione presente (è nuvoloso, quindi pioverà)».
Questo è anche il tipo di memoria legato al futuro: «Le stesse strutture neurali cognitive che utilizziamo per pensare al passato ci permettono di pensare al futuro cioè di immaginare dove sarò tra dieci anni e che cosa starò facendo, oppure più semplicemente pensare a come andrà la cena di stasera».
La memoria dichiarativa è quella che viene intaccata in alcuni tipi di demenza, come la malattia di Alzheimer: «È una memoria intrinsecamente relazionale, non solo ci permette di ricordare eventi o cose, ma anche come sono legati tra loro. Questa rete di relazioni tiene insieme tutto quello che sappiamo e ci permette di pensare. Senza questo scheletro, i nostri ricordi sarebbero delle monadi e non potremmo pensare in modo creativo, cioè mettere insieme queste informazioni attraverso relazioni nuove e inaspettate».
Queste relazioni sono organizzate attraverso mappe attenzionali a bassa dimensionalità, quelle che garantiscono la maggior flessibilità e che possono essere applicate in contesti molto diversi: «L’idea delle mappe attenzionali è basata da una parte su fatti, dall’altra su intuizioni. Sappiamo che esistono strutture informazionali a bassa dimensionalità in alcune aree del cervello, le mappe cognitive. Abbiamo anche delle evidenze che queste mappe siano ‘attenzionali’, cioè che prendano le informazioni strutturali di cui hanno bisogno dai movimenti o ‘patterns’ dell’attenzione».
E ancora: «Le strutture neurocognitive che i mammiferi hanno evoluto per rappresentare lo spazio intorno a sé sono basate su un sistema di navigazione che esiste nel nostro cervello. Lo stesso sistema può essere usato per navigare la memoria e la conoscenza. Non è un caso che la malattia di Alzheimer – la situazione paradigmatica di danneggiamento di questi processi neurocognitivi – porti a perdere la capacità di mettere in relazione i punti nello spazio, ma anche le informazioni concettuali».
Per condurre le sue ricerche, Bottini utilizza diverse tecniche: l’eye tracking, un tracciatore a infrarossi che misura i movimenti oculari, per capire come la mente risponda a determinati stimoli; la risonanza magnetica, per visualizzare plasticamente la struttura del cervello; la magnetoencefalografia, per localizzare l’attività neurale e seguirla con precisione nel tempo.
Quali sono le prospettive di questa ricerca? Sostanzialmente tre: «La prima – risponde Bottini – riguarda la ricerca di base, per capire in generale come funziona il cervello, cosa ci rende quello che siamo, cosa ci rende uguali ma anche diversi dagli altri animali». La seconda riguarda invece la parte più applicativa, cioè «la necessità di conoscere quali sono i meccanismi che ci permettono di pensare, di costruire la nostra memoria, di ricordare nel modo in cui lo facciamo. Anche per capire cosa succede quando qualcosa non funziona, soprattutto in presenza di malattie neurodegenerative come quella di Alzheimer». Ma gli studi di Bottini guardano anche fuori dal corpo umano, verso l’AI: «questo progetto è stato ispirato anche dai progressi delle reti neurali artificiali. Non è possibile infatti rimanere indifferenti a quanto sta succedendo in questo campo. Per quanto ancora lontana da quella umana, l’intelligenza artificiale presenta delle comunanze che non possono essere sottovalutate».
Reading the mind through the eyes
In his ERC project, Roberto Bottini investigates the neural mechanisms behind human memory
In the next five years Roberto Bottini, a neuroscientist at the Center for Mind/Brain Sciences-Cimec of the University of Trento, will focus on Atcom - An attentional code for memory, a research project that aims to understand the workings of the brain, from the impact of neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease to the similarities between the human mind and artificial neural networks. This project earned Bottini a consolidator grant from the European Research Council.
"The idea behind the project – says Bottini – is to understand the code through which we organize our knowledge. In particular, our goal is to investigate the declarative memory, the type of memory we consciously use and that we can manipulate." This is an intentional memory, unlike the memory we use to perform actions such as driving a car, riding a bicycle or playing tennis."
"Declarative memory – continues Bottini – is the memory we consciously use for example when we remember what we did the night before, how our last birthday went or where we went on holiday. It also allows us to access the so-called ‘typical‘ general information, for example what is the capital of a certain state or the weather associated with a given event (it is cloudy, so it may rain)."
This is the type of memory that is linked to the future: "The cognitive neural structures that we use to think about the past are the same we use to think about the future or, in other words, to imagine where we will be in ten years and what we will be doing or, more simply, to think about how tonight's dinner will go."
Declarative memory is affected in some types of dementia, such as Alzheimer's disease: "This is an intrinsically relational memory. It not only allows us to remember events or things, but also how they are related to each other. This network of relationships holds together everything we know and allows us to think. Without it, our memories would be isolated and we could not think creatively, that is, connect this information through new and unexpected relationships."
These relationships are organized through low-dimensional attentional maps, that ensure the greatest flexibility and can be applied to very different contexts: "The idea of attentional maps is based on facts on the one hand, and on intuitions on the other. We know that there are low-dimensional information structures in some areas of the brain, i.e. cognitive maps. We also know that these maps are ‘attentional’, which means that they take the structural information they need from attention movements or patterns".
"The neurocognitive structures that in mammals have evolved to represent the space around them are based on a navigation system that exists in our brain. This system can be used to navigate memory and knowledge. It is no coincidence that patients with Alzheimer's disease – the typical situation in which these neurocognitive processes are compromised – gradually lose the ability to connect points in space, but also to connect conceptual information."
Bottini uses several techniques to conduct his research: eye tracking, an infrared tracker that measures eye movements, to understand how the mind responds to certain stimuli; MRI, magnetic resonance imaging, to plastically visualize the structure of the brain; magnetoencephalography, to locate neural activity and track it accurately over time.
What are the prospects of this research work? "In basic research – answers Bottini –, we can try to understand how the brain works in general, what makes us who we are, what makes us similar but also different from other animals." A second like of research is more application-oriented, focusing on "the need to identify the mechanisms that allow us to think, to build our memory, to remember in the way we do. This could also help us understand what happens when something is not working, especially in the presence of neurodegenerative disorders such as Alzheimer's disease." The studies of Bottini however can explore beyond the human body, towards AI: "This project was also inspired by the advances of artificial neural networks. In fact, it is not possible to ignore what is going on in this field. AI is still far from human intelligence but shares with it some common features that cannot be underestimated."