Esplorazione della modulazione attenzionale delle rappresentazioni neurali nella cognizione dei bambini

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L’attenzione è un’abilità cognitiva cruciale che ci consente di concentrarci su informazioni rilevanti e ignorare le distrazioni. Tuttavia, l’attenzione si sviluppa lentamente nei bambini ed è influenzata da molti fattori, come l’età, la motivazione e la difficoltà del compito.

In che modo l’attenzione influisce sul modo in cui i bambini percepiscono e codificano le informazioni nel loro cervello?

E in cosa differisce dagli adulti?

In un recente studio pubblicato sul Journal of Neuroscience, i ricercatori dell’Università di Toronto hanno studiato i meccanismi neurali dell’attenzione nei bambini e negli adulti utilizzando la risonanza magnetica funzionale (fMRI). Hanno chiesto ai partecipanti di eseguire un compito one-back, in cui dovevano indicare se lo stimolo attuale era lo stesso di quello precedente.

Gli stimoli consistevano in due immagini sovrapposte: un oggetto e un motivo a punti in movimento. In ogni prova, i partecipanti sono stati istruiti a prestare attenzione all’oggetto o alla direzione del movimento, ignorando l’altra caratteristica.

I ricercatori hanno utilizzato l’analisi del pattern multivoxel (MVPA) per misurare quanto bene potevano decodificare le informazioni sull’oggetto e il movimento dai modelli di attività cerebrale in diverse regioni di interesse (ROI). Hanno scoperto che negli adulti l’attenzione migliorava le rappresentazioni neurali delle informazioni rilevanti per il compito e sopprimeva le rappresentazioni delle informazioni irrilevanti per il compito.

Ad esempio, nella condizione oggetto assistito, potrebbero decodificare l’identità dell’oggetto meglio della direzione del movimento dalla corteccia visiva. Tuttavia, nei bambini, l’attenzione non modulava allo stesso modo le rappresentazioni neurali. In effetti, potevano decodificare sia l’oggetto che il movimento ugualmente bene dalla corteccia visiva, indipendentemente da quale caratteristica fosse presente.

Inoltre, i ricercatori hanno eseguito un’analisi dell’intero cervello per confrontare il modo in cui bambini e adulti rappresentavano informazioni irrilevanti per il compito in diverse regioni del cervello. Hanno scoperto che i bambini hanno mostrato una maggiore accuratezza di decodifica per le informazioni irrilevanti per il compito rispetto agli adulti in diverse aree, inclusa la corteccia prefrontale, che è coinvolta nelle funzioni esecutive e nel controllo cognitivo.

Ciò suggerisce che i bambini potrebbero avere più difficoltà a filtrare le informazioni irrilevanti rispetto agli adulti e che il loro cervello potrebbe elaborare più informazioni del necessario per l’attività.

Questi risultati dimostrano che l’attenzione ha un ruolo unico nel plasmare le rappresentazioni neurali nel cervello dei bambini. A differenza degli adulti, che migliorano e sopprimono selettivamente le informazioni in base ai loro obiettivi di attenzione, i bambini rappresentano ugualmente bene sia le informazioni assistite che quelle non assistite nella loro corteccia visiva.

Inoltre, i bambini rappresentano più informazioni irrilevanti per il compito rispetto agli adulti in altre regioni del cervello, indicando che possono avere una portata di attenzione più ampia rispetto agli adulti. Questi risultati hanno importanti implicazioni per comprendere come lo sviluppo dell’attenzione influenzi l’apprendimento e la memoria nei bambini


Approfondimenti ….

L’attenzione è un processo cognitivo fondamentale che ci consente di concentrarci su informazioni rilevanti e ignorare le distrazioni.

È essenziale per l’apprendimento, la memoria e la risoluzione dei problemi. Ma in che modo l’attenzione influisce sullo sviluppo del cervello nei bambini?

Le rappresentazioni neurali sono modelli di attività nel cervello che corrispondono a specifici stimoli, concetti o stati mentali. Ad esempio, quando vediamo un volto, una certa regione del cervello chiamata area del viso fusiforme diventa più attiva di altre regioni. Questa regione è specializzata nell’elaborazione dei volti e ci aiuta a riconoscere le persone familiari e le loro emozioni.

Le rappresentazioni neurali non sono fisse, ma piuttosto cambiano nel tempo man mano che apprendiamo nuove informazioni e abilità. Sono anche influenzati dall’attenzione, che può aumentare o sopprimere l’attività di alcune regioni del cervello a seconda di ciò su cui ci concentriamo.

L’attenzione ha un ruolo unico nel plasmare le rappresentazioni neurali nel cervello dei bambini perché i loro cervelli sono più plastici e adattabili di quelli degli adulti. La plasticità si riferisce alla capacità del cervello di cambiare la sua struttura e funzione in risposta all’esperienza. I cervelli dei bambini hanno livelli di plasticità più elevati perché si stanno ancora sviluppando e formando nuove connessioni tra i neuroni. Ciò significa che possono imparare più velocemente e in modo più efficiente rispetto agli adulti, ma anche che sono più sensibili alle influenze ambientali e alle distrazioni.

Un modo per misurare gli effetti dell’attenzione sulle rappresentazioni neurali è usare l’elettroencefalografia (EEG), una tecnica che registra l’attività elettrica del cervello usando elettrodi attaccati al cuoio capelluto. L’EEG può rivelare come diverse regioni del cervello rispondono a diversi tipi di stimoli, come visivi, uditivi o tattili. Confrontando le risposte EEG dei bambini che prestano attenzione a uno stimolo rispetto a quelli che lo ignorano, i ricercatori possono dedurre come l’attenzione modula le rappresentazioni neurali di quello stimolo.

Ad esempio, uno studio di Rossion et al. (2015) hanno utilizzato l’EEG per misurare le risposte neurali di bambini e adulti di 5 anni a volti e automobili. Ai partecipanti sono state mostrate immagini di volti e automobili in rapida successione e gli è stato chiesto di premere un pulsante ogni volta che vedevano uno stimolo bersaglio (un volto o un’automobile) tra i distrattori (l’altra categoria).

I ricercatori hanno scoperto che sia i bambini che gli adulti hanno mostrato risposte EEG ai volti più forti rispetto alle automobili nell’area del viso fusiforme, indicando che questa regione è specializzata per l’elaborazione del volto in entrambi i gruppi di età. Tuttavia, hanno anche scoperto che i bambini hanno mostrato risposte EEG più forti alle auto rispetto agli adulti in un’altra regione chiamata complesso occipitale laterale (LOC), che è coinvolta nel riconoscimento degli oggetti. Ciò suggerisce che i bambini hanno rappresentazioni neurali degli oggetti più generali e flessibili rispetto agli adulti e che l’attenzione può migliorare queste rappresentazioni quando sono rilevanti per il compito.

Un altro modo per misurare gli effetti dell’attenzione sulle rappresentazioni neurali è utilizzare la risonanza magnetica funzionale (fMRI), una tecnica che misura il flusso sanguigno nel cervello utilizzando un potente magnete. La fMRI può rivelare quali regioni del cervello sono più attive quando si esegue un determinato compito o si elabora un certo tipo di informazioni. Confrontando l’attività fMRI dei bambini che prestano attenzione a un compito rispetto a quelli che non lo fanno, i ricercatori possono dedurre come l’attenzione influisce sulle rappresentazioni neurali coinvolte in quel compito.

Ad esempio, uno studio di Stevens et al. (2016) hanno utilizzato la fMRI per misurare l’attività neurale di bambini e adulti di età compresa tra 8 e 12 anni mentre eseguivano un compito di memoria di lavoro. La memoria di lavoro è la capacità di conservare e manipolare le informazioni nella mente per un breve periodo di tempo. È fondamentale per il ragionamento, la risoluzione dei problemi e l’apprendimento.

Ai partecipanti è stata mostrata una serie di lettere su uno schermo e gli è stato chiesto di ricordarle in ordine. Sono stati anche presentati con distrattori (lettere o numeri irrilevanti) che hanno dovuto ignorare. I ricercatori hanno scoperto che sia i bambini che gli adulti hanno mostrato una maggiore attività fMRI nella corteccia prefrontale (PFC), una regione che controlla l’attenzione e la memoria di lavoro, quando hanno dovuto ignorare i distrattori. Tuttavia, hanno anche scoperto che i bambini mostravano una ridotta attività fMRI nella corteccia parietale (PC), una regione che supporta la memoria di lavoro e l’elaborazione spaziale, quando dovevano ignorare i distrattori.

Ciò suggerisce che i bambini hanno rappresentazioni neurali meno efficienti della memoria di lavoro rispetto agli adulti e che l’attenzione può interferire con queste rappresentazioni quando non sono rilevanti per il compito.

Questi studi illustrano come l’attenzione abbia un ruolo unico nel modellare le rappresentazioni neurali nel cervello dei bambini e come ciò possa avere implicazioni per l’educazione e l’intervento. Comprendendo come l’attenzione influisce sullo sviluppo del cervello nei bambini, potremmo essere in grado di progettare ambienti e strategie di apprendimento migliori che ottimizzino il loro potenziale cognitivo e riducano al minimo le loro distrazioni.

Potremmo anche essere in grado di identificare e aiutare i bambini che hanno difficoltà con l’attenzione o la memoria di lavoro, come quelli con disturbo da deficit di attenzione/iperattività (ADHD) o dislessia. L’attenzione non è solo un’abilità cognitiva, ma anche un meccanismo neurale che modella il cervello e le sue funzioni.

Noradrenalina e attenzione: come la macchia blu del cervello ci aiuta a concentrarci

L’attenzione è una funzione cognitiva cruciale che ci consente di filtrare le informazioni irrilevanti e concentrarci su ciò che conta. Tuttavia, la nostra attenzione non è sempre stabile e può fluttuare a seconda del nostro umore, motivazione e ambiente. In che modo il cervello regola la nostra attenzione e passa da uno stato di distrazione a uno stato di allerta?

In questa sezione esploreremo il ruolo di una minuscola struttura cerebrale chiamata locus coeruleus (LC), che letteralmente significa “macchia blu” per via del suo colore. Il LC si trova nel tronco cerebrale, in profondità sotto la corteccia, ed è la principale fonte di un neurotrasmettitore chiamato noradrenalina (NA). L’NA è coinvolta in varie funzioni come lo stress, la memoria e l’attenzione e può modulare l’attività dei neuroni in tutto il cervello attraverso le sue proiezioni diffuse.

Esamineremo alcune prove recenti da studi su animali e umani che suggeriscono che il sistema LC-NA gioca un ruolo chiave nel controllare la nostra attenzione regolando la sensibilità del nostro cervello alle informazioni rilevanti. Discuteremo anche di come questo sistema possa essere influenzato dall’invecchiamento e dalle malattie neurodegenerative e di come potrebbe essere preso di mira da interventi per migliorare l’attenzione e la cognizione.

Il sistema LC-NA e le oscillazioni alfa

Un modo per misurare l’attenzione è registrare l’attività elettrica del cervello usando l’elettroencefalografia (EEG). I segnali EEG riflettono l’attivazione sincrona di grandi popolazioni di neuroni e possono essere scomposti in diverse bande di frequenza che corrispondono a diversi stati cognitivi. Una di queste bande di frequenza è la banda alfa, che va da 8 a 12 Hertz (Hz), ed è tipicamente associata a uno stato di veglia rilassata o disattenzione.

Si pensa che le oscillazioni alfa fungano da filtro che sopprime l’elaborazione di input sensoriali che non sono rilevanti per l’attività corrente. Ad esempio, quando chiudiamo gli occhi o meditiamo, aumentiamo il nostro potere alfa e riduciamo la nostra sensibilità agli stimoli esterni. Al contrario, quando apriamo gli occhi o ci concentriamo su uno stimolo specifico, diminuiamo il nostro potere alfa e miglioriamo la nostra elaborazione sensoriale.

Ma cosa controlla l’aumento e la diminuzione delle oscillazioni alfa nel cervello? Un possibile candidato è il sistema LC-NA. Studi sugli animali hanno dimostrato che l’NA può modulare l’attività dei neuroni in varie regioni del cervello, comprese quelle che generano oscillazioni alfa. Inoltre, NA può influenzare la sincronizzazione delle oscillazioni alfa attraverso diverse aree cerebrali, che possono riflettere l’integrazione di informazioni provenienti da diverse modalità sensoriali.

Gli studi sull’uomo hanno anche fornito prove di un legame tra NA e oscillazioni alfa. Ad esempio, le manipolazioni farmacologiche che aumentano o diminuiscono i livelli di NA possono influenzare il potere alfa e le prestazioni dell’attenzione. Inoltre, tecniche non invasive come la risonanza magnetica (MRI) e la pupillometria possono essere utilizzate per misurare indirettamente l’attività LC e il rilascio di NA nell’uomo. La risonanza magnetica può rilevare i cambiamenti nel flusso sanguigno o nel contenuto di ferro nella LC, mentre la pupillometria può misurare i cambiamenti nella dimensione della pupilla, che sono correlati con l’attivazione della LC e il rilascio di NA.

Utilizzando queste tecniche, i ricercatori hanno scoperto che l’attività LC e le dimensioni della pupilla sono inversamente correlate al potere alfa e positivamente correlate alle prestazioni di attenzione. Ad esempio, quando ai partecipanti viene presentato uno stimolo inaspettato o un segnale che segnala uno stimolo target imminente, la loro attività LC e le dimensioni della pupilla aumentano, la loro potenza alfa diminuisce e le loro prestazioni di attenzione migliorano. Questi risultati suggeriscono che il sistema LC-NA può regolare dinamicamente il filtro alfa in base alle esigenze dell’attività e al contesto ambientale.

Un nuovo framework per la funzione LC-NA

Sulla base di queste osservazioni, i ricercatori hanno proposto un nuovo quadro su come il sistema LC-NA regola la nostra attenzione. Secondo questo quadro, ci sono tre fattori principali che influenzano l’attività LC e il rilascio di NA: eccitazione, incertezza e rilevanza del compito.

L’eccitazione si riferisce al livello di vigilanza o veglia che sperimentiamo in un dato momento. L’eccitazione può essere modulata da fattori interni come i ritmi circadiani o le emozioni, o da fattori esterni come il rumore o la caffeina. L’eccitazione può influenzare l’attività LC e il rilascio di NA a forma di U: un’eccitazione troppo bassa o troppo alta può compromettere le prestazioni dell’attenzione riducendo o aumentando troppo la potenza alfa, mentre un’eccitazione ottimale può migliorare le prestazioni dell’attenzione regolando la potenza alfa in modo appropriato.

L’incertezza si riferisce al grado di imprevedibilità o variabilità che incontriamo nel nostro ambiente. L’incertezza può essere indotta da stimoli nuovi, ambigui o probabilistici. L’incertezza può aumentare l’attività LC e il rilascio di NA in modo lineare: una maggiore incertezza porta a una maggiore riduzione della potenza alfa e prestazioni di attenzione più elevate. Ciò può riflettere un meccanismo di adattamento che ci consente di aumentare la nostra sensibilità a informazioni nuove o incerte e aggiornare di conseguenza le nostre aspettative.

La rilevanza del compito si riferisce al grado di importanza o salienza che assegniamo a uno stimolo o a un compito. La rilevanza del compito può essere determinata dai nostri obiettivi, motivazioni o preferenze. La rilevanza del compito può modulare l’attività LC e il rilascio di NA in modo dipendente dal contesto: una maggiore rilevanza del compito porta a una maggiore riduzione del potere alfa e a prestazioni di attenzione più elevate solo quando lo stimolo o il compito è congruente con i nostri obiettivi attuali, ma non quando è incongruente o irrilevante. Ciò può riflettere un meccanismo selettivo che ci consente di filtrare i distrattori e concentrarci su ciò che conta.

Il quadro propone inoltre che questi tre fattori interagiscano tra loro e con lo stato del cervello per determinare il livello ottimale di attività LC e rilascio di NA per la messa a fuoco dell’attenzione. Ad esempio, quando siamo in uno stato di bassa eccitazione, potremmo aver bisogno di maggiore incertezza o pertinenza del compito per attivare il sistema LC-NA e ridurre il potere alfa. Al contrario, quando siamo in uno stato di alta eccitazione, potremmo aver bisogno di meno incertezza o pertinenza del compito per evitare un’eccessiva attivazione del sistema LC-NA e un’eccessiva riduzione della potenza alfa.

Implicazioni e direzioni future

Il framework fornisce un resoconto completo e verificabile di come il sistema LC-NA controlla la nostra attenzione regolando il filtro alfa. Ha anche implicazioni per capire come questo sistema può essere influenzato dall’invecchiamento e dalle malattie neurodegenerative, come il morbo di Alzheimer o il morbo di Parkinson, che sono associate a disturbi dell’attenzione e della cognizione. Ad esempio, l’invecchiamento e la neurodegenerazione possono alterare la struttura e la funzione del sistema LC-NA, portando a cambiamenti nell’elaborazione dell’eccitazione, dell’incertezza e della rilevanza del compito, e di conseguenza nelle oscillazioni alfa e nelle prestazioni dell’attenzione.

Il quadro suggerisce anche potenziali interventi che potrebbero mirare al sistema LC-NA per migliorare l’attenzione e la cognizione. Ad esempio, gli agenti farmacologici che modulano i livelli di NA potrebbero essere utilizzati per ottimizzare la potenza alfa e le prestazioni dell’attenzione in diverse situazioni. In alternativa, interventi non farmacologici come l’allenamento cognitivo, l’esercizio fisico o la meditazione potrebbero essere utilizzati per migliorare l’eccitazione, l’incertezza e l’elaborazione della rilevanza del compito, e quindi modulare l’attività LC e il rilascio di NA.

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