Hai un qualcosa davanti agli occhi ma non riesci a vederlo? Finalmente uno studio definisce il perché

Il cervello non riesce a discriminare due stimoli proposti in rapida successione

Il cervello umano è in grado di percepire e classificare le immagini mostrate in rapida successione con tempi di presentazione straordinariamente brevi, con velocità fino a 70 immagini al secondo.

Ma cosa accade quando ci vengono presentati più stimoli alla volta?

Gli studi sull’interferenza visiva

Traendo ispirazione dall'innovativo lavoro di Hubel e Wiesel (Hubel & Wiesel 1962, 1968) e anche da lavori più recenti (Riesenhuber & Poggio, 2000; Hong, Yamins, Majaj e DiCarlo, 2016), questa interferenza visiva è stata analizzata da uno studio riportato nel Journal of Vision.

Il fenomeno, chiamato anche "arresto anomalo dell'elaborazione visiva", si verifica quando i neuroni impegnati nell'elaborare un'immagine sono incaricati di elaborarne un'altra troppo rapidamente e quindi una o entrambe le immagini non raggiungono la consapevolezza cosciente.

Lo studio conferma la teoria secondo la quale, in alcuni casi, è possibile il verificarsi di un collo di bottiglia nel percorso neuronale che coinvolge stimoli visivi.

Il percorso inizia nella parte posteriore del cervello e si estende in avanti, elaborando rapidamente i segnali visivi fino alla corteccia frontale (feed forward) e rimandandoli di nuovo alle aree in cui gli stimoli sono stati inizialmente elaborati (feedback).

Tuttavia, negli ultimi anni, gli studi hanno dimostrato che l’elaborazione visiva non segue la tradizionale gerarchia.

Ne emerge invece che vi sia in alcuni casi un periodo di feedback di circa 200-250 ms durante il quale le aree frontali di livello superiore inviano nuovamente ai soggetti segnali in aree visive di livello inferiore (Williams et al., 2008), limitando il rilevamento e la categorizzazione degli stimoli.

Lo studio includeva una serie di esperimenti EEG in cui i partecipanti vedevano immagini di scene naturali trasmesse loro in brevi lampi auna velocità di 12 al secondo e rispondevano alla quantificazione e alla categorizzazione degli animali visualizzati.

Secondo i ricercatori che hanno condotto l’esperimento l'incidente nell'elaborazione visiva si verifica quando la parte posteriore del cervello viene stimolata di nuovo con una seconda immagine prima che il feed forward e il ciclo di feedback necessari per la prima immagine siano completati.

Anche se i neuroni della corteccia frontale sembrano aver già rilevato la presenza del bersaglio visivo a 170ms, la consapevolezza di quel particolare obiettivo sembra basarsi sul feedback a circa 230ms (Pollen, 1999).

Gli scopi del feedback visivo

Lo studio prova che il collo di bottiglia può derivare da interferenze tra i segnali di feedback "top-down" e il segnale bottom-up del secondo bersaglio.

Anche se è stato recentemente dimostrato che i segnali di feedback sono importanti per il rilevamento visivo, questo cortocircuito nell’elaborazione neurale ha influenzato sia il rilevamento e categorizzazione di entrambi gli obiettivi.

L'investigatore senior dello studio, il neuroscienziato Maximilian Riesenhuber - PhD, professore di neuroscienze presso il Georgetown University Medical Center- afferma in tal senso che:

"Precedenti studi hanno dimostrato che le persone sono piuttosto povere nel rilevare oggetti di interesse che appaiono vicini nel tempo, anche se il cervello umano può elaborare fino a 70 immagini al secondo. Lo studio mostra una specifica limitazione del sistema visivo e spiega perché la nostra coscienza non può tenere il passo. Quando qualcuno ti dice che non ha visto qualcosa che si è verificato in una situazione caotica, forse lo ha fatto ma non ne aveva consapevolezza. L'ondata di feedback sembra essere cruciale per i partecipanti nel diventare effettivamente consapevoli degli stimoli che i loro cervelli hanno elaborato nel passaggio 'feedforward'".

Aggiunge l'autore principale dello studio, Jacob G. Martin, PhD:

"il nostro studio mostra anche come evitare il" crash "del segnale neuronale aumentando la consapevolezza. Quando abbiamo ridotto sperimentalmente l'interferenza tra le parti feedforward e feedback dei due stimoli, abbiamo infatti osservato prestazioni di rilevamento e categorizzazione migliorate".

I risultati indicano un ruolo chiave del rientro top-down dei segnali di feedback e mostrano come sia la loro interferenza a determinare il processo feedforward del target successivo nel comportamento umano.

La conoscenza dell’interferenza visiva può migliorare le capacità cognitive

Mentre nello studio originale di Hubel e Wiesel si è dimostrato che la visione è ottenuta grazie ad un passaggio di elaborazione feedforward alla corteccia visiva di stimoli semplici, nello studio sopra citato l’attività di rientro si è dimostrata cruciale sia per l’apprendimento che per l’elaborazione degli stimoli in aree di basso livello che si occupano di compiti specifici.

L’ interferenza tra segnali di bottom up e top down può compromettere la capacità di elaborare due immagini in rapida successione. L’esecuzione di diverse operazioni cognitive lungo la gerarchia visiva (elaborazione degli oggetti, consapevolezza e conseguente apprendimento) può creare quelle strozzature di interferenza che limitano il rilevamento di oggetti e la capacità di categorizzazione.

I risultati mostrano anche com’è possibile migliorare le capacità cognitive partendo proprio dalla conoscenza di questi colli di bottiglia.

Negli esperimenti di S. Thorpe et al. (1996), sono state utilizzati flussi di immagini a una velocità rapida, distinte in immagini bersaglio (animali) e distrattori (paesaggi), presentate in diversi tempi. Con il supporto dell’EEG durante le prove in cui veniva presentato solo un bersaglio, i flussi e i tempi neurali corrispondevano con il modello di riconoscimento e categorizzazione descritto da Hubel e Wiesel.

In conclusione questi risultati non sono rilevanti solo per la nostra comprensione di come, quando e dove possono sorgere limiti nelle capacità di elaborazione del cervello, ma ci spiegano anche come la conoscenza dei meccanismi neuronali possa essere impiegata nel miglioramento dell’apprendimento e nelle funzioni esecutive.

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Fonti:

Georgetown University Medical Center, Why, sometimes, we don't see what we actually saw, 23 October 2019, in https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191023121839.htm

Martin J.G.;Cox P.H.; Scholl C.A.,Riesenhuber M.. A crash in visual processing: Interference between feedforward and feedback of successive targets limits detection and categorization. Journal of Vision, 2019 DOI: 10.1167/19.12.20

Riesenhuber, M., & Poggio, T. (2002). Neural mechanisms of object recognition. Current Opinion in Neurobiology, 12 (2), 162–168. Available from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12015232

Thorpe, S., Fize, D., & Marlot, C. (1996, June 6). Speed of processing in the human visual system. Nature, 381 (6582), 520–522, https://doi.org/10.1038/381520a0.