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Ricerca

Natura Vs Esperienza

Come si adatta la parte visiva del cervello quando manca la vista. Uno studio del CIMeC pubblicato da eLife

22 aprile 2020
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di Stefania Mattioni e Olivier Collignon
Mattioni ha conseguito il dottorato di ricerca a UniTrento, attualmente è post-doc alla UCLouvain (Belgio). Collignon è ricercatore al National Fund for Scientific Research (FRS-FNRS, Belgio); professore alla UCLouvain e visiting professor al CIMeC.

Il mondo che ci circonda è ricco di informazioni, spesso complesse e in continuo movimento. Per poterle interpretare e attribuire loro un significato senza esserne costantemente sopraffatti, il cervello umano tende a riunire i vari stimoli in gruppi di categorie differenti, per esempio esseri umani, animali, volti, utensili, case, paesaggi. Una delle parti del cervello maggiormente implicate in questo compito di categorizzazione è la parte anteriore della corteccia visiva (definita con l’acronimo inglese VOTC da Ventral Occipito-Temporal Cortex), dove le informazioni di forma, colore, taglia e movimento vengono integrate per formare rappresentazioni compiute di cose, animali, facce, utensili, ecc. 

Ma cosa succede a questa parte del cervello quando la vista viene a mancare, magari dalla nascita o quando si è ancora molto piccoli? Cosa succede a questa parte del sistema nervoso, che tanto è importante per mettere ordine nella nostra mente e per imparare dalla nostra esperienza del mondo, quando il mondo non può manifestarsi nei colori e nelle forme che siamo soliti vedere? 

Il nostro gruppo di ricerca ha pensato che un modo per poter rispondere a queste domande fosse quello di osservare la risposta della corteccia visiva a diverse categorie presentate, non visivamente ma in forma acustica, sia a persone vedenti che a persone non vedenti dalla nascita. I volontari di entrambi i gruppi hanno così partecipato a un esperimento di risonanza magnetica in cui sentivano suoni riconducibili a diverse categorie: il suono di una risata (essere umano), il suono di una chitarra (strumento musicale), le onde del mare (paesaggio), il nitrito di un cavallo (animale) e così via. I volontari vedenti, inoltre, hanno fatto un secondo esperimento in cui gli stessi concetti venivano presentati attraverso immagini visive (come la foto di un cavallo, di una chitarra, o altro). 

Se la corteccia visiva è programmata fin dalla nascita per creare categorie e concetti solo in base ad aspetti visivi degli stimoli, l’attività in quella porzione di cervello nei non vedenti sarà chiaramente diversa da quella tipica dei vedenti. Ma c’è anche un’altra possibilità. La programmazione genetica delle funzioni cerebrali potrebbe non essere così stringente, e adattarsi alle condizioni in cui avvengono le prime esperienze di vita: la corteccia visiva potrebbe adattarsi alle nuove condizioni e, in assenza di input visivi, potrebbe iniziare a distinguere concetti e costruire categorie sulla base di input sensoriali tattili e uditivi.

I risultati di questo studio supportano questa seconda ipotesi, con qualche sorpresa. L’organizzazione categoriale del sistema visivo (in particolare la sua porzione più anteriore) in risposta ai suoni, sia nei vedenti che nei non vedenti, è simile all’organizzazione tipica della VOTC per stimoli visivi nei vedenti. Tuttavia il grado di similarità è nettamente più elevato nel caso dei non vedenti. In questo gruppo, infatti, la mancanza di input visivi fin dalla nascita fa sì che la risposta a stimoli acustici aumenti, estendendosi anche in parti del cervello normalmente considerate visive nei vedenti, un fenomeno conosciuto come plasticità cross-modale. 

Nonostante il grado generale di similarità tra vedenti e non vedenti, i risultati dello studio hanno mostrato delle differenze in alcune specifiche categorie. Per esempio, le aree all’interno della VOTC che preferiscono le immagini di paesaggi nelle persone vedenti sono le stesse, o quasi, che preferiscono i suoni di paesaggi anche nelle persone non vedenti. Mentre la posizione delle aree che preferiscono le categorie di animali e persone tende a essere più variabile tra i due gruppi. Inoltre, una curiosità interessante è che solo nelle persone non vedenti la risposta alle categorie di animali è più simile a quella delle categorie inanimate (utensili e paesaggi) piuttosto che a quella degli esseri umani. Mentre nelle persone vedenti la VOTC tende a categorizzare gli animali come più simili agli esseri umani che alle restanti categorie. 

Questa differenza potrebbe derivare dal modo diverso che i vedenti e i non vedenti hanno nel percepire la presenza degli animali e nell’interagire con gli animali stessi. Per prima cosa è importante chiarire che solo uno dei sei animali presentati in questo studio era un animale domestico. In effetti, se si escludono gli animali da compagnia come cani o gatti, le persone vedenti normalmente percepiscono la presenza degli animali attraverso la vista (per esempio, gli uccelli che volano nel cielo, gli animali in campagna o su un documentario in televisione). Le persone non vedenti invece percepiscono e imparano la forma degli animali soprattutto attraverso il tatto (per esempio attraverso l’uso di miniature statiche degli animali), in una maniera simile a quella utilizzata nell’interazione con gli oggetti. Inoltre, quando le persone non vedenti sentono il suono degli animali nell’ambiente che li circonda senza vederli, potrebbero più facilmente combinare il loro suono con quello dell’ambiente circostante e questo potrebbe, in parte, spiegare perché il loro cervello tende a rappresentare gli animali e i paesaggi in modo più simile che i vedenti.

Sicuramente, se avessimo incluso più animali da compagnia sarebbero di sicuro emerse altre importanti informazioni, vista la grande importanza del contatto fisico per molte persone non vedenti con i propri animali (specialmente con i cani guida, ma non solo). Un argomento interessante da poter affrontare in studi futuri.

Ma cosa ci dice questo studio più globalmente sul funzionamento e sullo sviluppo del cervello umano? Uno dei punti più importanti e affascinanti di questo lavoro è quello di mostrare come la natura e l’esperienza interagiscano continuamente ed inestricabilmente nel modellare lo sviluppo del cervello umano. Un’area visiva del cervello, geneticamente programmata per rappresentare diverse categorie, sembra avere la capacità di rimodellare la sua natura sensoriale in persone non vedenti, pur mantenendo la sua funzione originale. Abbiamo visto, infatti, come quest’area cerebrale inizi a rispondere a stimoli sonori nelle persone non vedenti, pur continuando nella sua funzione di rappresentare le diverse categorie. Questi dati, così affascinanti, rappresentano un’importante dimostrazione di come la natura umana sia incredibilmente e costantemente in grado di (ri)adattarsi alle esperienze e alle situazioni differenti e variegate che la vita pone continuamente davanti all’essere umano. Un altro piccolo tassello si aggiunge al grande, e ancora incompiuto, puzzle sulla scoperta della natura umana.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati il 28 febbraio 2020 dalla rivista scientifica eLife nell’articolo “Categorical representation from sound and sight in the ventral occipito-temporal cortex of sighted and blind” di Stefania Mattioni, Mohamed Rezk, Ceren Battal, Roberto Bottini, Karen E Cuculiza Mendoza, Nikolaas N Oosterhof, Olivier Collignon.
Lo studio è stato ideato al Centro interdipartimentale Mente/Cervello (CIMeC) dell’Università di Trento, dove sono stati anche raccolti i dati, ed è stato sviluppato in collaborazione con l’Istituto di ricerca in Psicologia (IPSY) e con l’Istituto di Neuroscienze (IoNS) dell’Università cattolica di Louvain. Stefania Mattioni si è dedicata a questa ricerca durante il corso di dottorato, svolto all’Università di Trento, sotto la supervisione del professor Olivier Collignon.
In download "Experimental design and topographical selectivity maps". 


Nature VS Experience
How the visual brain adapts to vision loss. A study by CIMeC published in eLife

by Stefania Mattioni and Olivier Collignon
Mattioni earned a doctoral degree at the University of Trento and is currently a postdoc researcher at UCLouvain (Belgium). Collignon is a researcher at the National Fund for Scientific Research (FRS-FNRS, Belgium); professor at UCLouvain and visiting professor at CIMeC, UniTrento.

The world around us is full of complex and constantly changing information. To process this information and understand it without being overwhelmed, the human brain groups inputs into categories such as human beings, animals, faces, tools, houses, landscapes. One of the parts of the brain that helps categorize the inputs is the anterior part of the visual cortex, the Ventral Occipito-Temporal Cortex-VOTC, which integrates information on shape, colour, size and movement to create a representation of things, animals, tools, and so on. 

What happens to this brain region in individuals who have been blind since birth or from a very young age? What happens to this part of the nervous system, which is crucial to categorize things in our mind and to learn from experience, when the world does not appear in the colours and shapes we were used to? 

Our research group tried to answer these questions by examining the response of the visual cortex of the participants in the study, both sighted and early blind, who were presented with different categories using sounds. The participants of both groups were examined in an fMRI in which they could hear sounds belonging to different categories: the sound of laughing (human beings), the sound of a guitar (musical instrument), sea waves (landscape), a horse neighing (animal), and so on. Sighted participants were also tested in another experiment, where the same categories were presented to them with visual images (the picture of a horse, of a guitar, etc.). 

If the visual cortex is programmed since birth to create categories and ideas based exclusively on visual stimuli, the activity of that brain region in blind individuals will clearly be different than in sighted individuals. But it may not necessarily be so. The genetic programming of brain functions may not be so rigorous, and maybe it adapts to the conditions in which it acquires the first life experiences: the visual cortex may adapt to new conditions and, if it does not receive any visual inputs, it is possible that it starts to differentiate ideas and to categorize based on touch and sound.

The research findings support this assumption, with some surprising data. The way in which both sighted and blind individuals categorize information responding to acoustic stimuli is similar to the way in which the VOTC organizes visual information in sighted individuals. However, there are many more similarities in blind individuals. The fact that these individuals have not received any visual inputs since birth increases their response to sound stimuli, which extends to brain regions that are usually considered "visual" in sighted individuals, a phenomenon that is known as cross-modal plasticity. 

Despite the general similarities between sighted and non-sighted people, the findings of the study highlighted some differences in a number of specific categories. For example, the regions within the VOTC that prefer landscape images in sighted people are the same, or quite the same, that prefer landscape sounds in blind individuals. While the positions of the regions that prefer animals and people categories are more variable between the two groups. 

Besides, it is interesting that only in blind individual the response to animal categories is more similar to the response to inanimate objects (tools and landscapes) than to the category of human beings. In sighted people, on the other hand, the VOTC tends to categorize animals as more similar to human beings than to the other categories. 

This difference may be caused by the different way in which sighted and blind people perceive animals and interact with them. First of all, we must clarify that in this study we presented one pet and five animals. If we exclude pets, like cats and dogs, sighted people usually perceive the presence of animals through vision, for example by seeing birds flying in the sky, animals in the country or by watching a documentary on TV. 

Blind people, on the other hand, perceive and learn the shape of animals through touch (for example, by touching static miniature models of animals), in a way that is similar to the way in which they interact with objects. Moreover, when blind people hear the sounds of these animals in their surrounding environment without seeing them, they might combine these sounds with the rest of the environmental sounds, and this may, in part, explain why their brain tends to categorize animals and landscapes in a similar way, which is different from what happens is sighted individuals.

However, if we had included more pets in the study, we would have discovered other important information, given the crucial role of physical contact for many blind people in their relationships with their pets (especially with their guide dogs, but also in general). Maybe this interesting aspect will be explored in future studies.

But, more in general, what does this study tell us about brain functioning and development? One of the most important and fascinating aspects that emerged from the study is that it showed us how nature and experience work together and inseparably in modelling the development of human brain. A region of the brain known to encode visual information that is genetically programmed to represent different categories can remodel its nature in early blind individuals, and yet maintain its original function. We have observed that this area of the brain starts responding to acoustic inputs in blind individuals, while also continuing to represent the different categories. These fascinating data demonstrate that human nature has the incredible ability to constantly re-adapt to experience and to the various and different circumstances of human life. These findings are small pieces of the puzzle of human nature.

The research findings were published on 28 February 2020 in eLife in an article, “Categorical representation from sound and sight in the ventral occipito-temporal cortex of sighted and blind”, by Stefania Mattioni, Mohamed Rezk, Ceren Battal, Roberto Bottini, Karen E Cuculiza Mendoza, Nikolaas N Oosterhof, Olivier Collignon. 
The study was undertaken at the Centre for Mind/Brain Sciences (CIMeC) of the University of Trento, where data were collected, and was developed in collaboration with the Institute of research in Psychology (IPSY) and the Institute of Neuroscience (IoNS) of the University of Louvain (UCLouvain). Stefania Mattioni worked on this research project during her doctoral studies at the University of Trento under the supervision of Professor Olivier Collignon. In download "Experimental design and topographical selectivity maps". 

[Traduzione di Paola Bonadiman]