Argomenti Le neuroscienze cognitive dello sviluppo e lo studio del cambiamento Un approccio interdisciplinare. Metodologie di indagine

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1 Lezione 7 Neuroscienze cognitive Argomenti Le neuroscienze cognitive dello sviluppo e lo studio del cambiamento Un approccio interdisciplinare Biologia, Genetica, Embriologia, Etologia, Neuroscienze Metodologie di indagine Modelli animali, Sindromi genetiche, connessionismo, neuroimaging funzionale Il ruolo dell esperienza Lo sviluppo come processo probabilistico Lo sviluppo come processo sistemico

2 Le neuroscienze cognitive dello sviluppo ANNI 90 => neuroscienze cognitive dello sviluppo In questo quadro: connessionismo e il neurocostruttivismo Discipline che studiano il cambiamento: Biologia Etologia Genetica Embriologia Neuroscienze Domanda Come strutture complesse (genotipo, embrione, corpo, cervello, mente) si sviluppano a partire da strutture semplici

3 La prospettiva biologica Piaget intelligenza come forma di adattamento biologico Waddington paesaggio epigenetico Darwin intelligenza come forma di adattamento biologico

4 Il contributo della genetica Rapporti non lineari tra genotipo e fenotipo L azione di un gene è influenzata da variabili ambientali Azione di altri geni: geni regolatori Segnali dell ambiente esterno Esempio: un gene si esprime nelle aree motorie (in seguito ad attività motoria legata la canto) nelle aree uditive (in seguito all ascolto del canti di altri uccelli) L uomo e lo scimpanzé condividono il 98% dei loro geni mentre scimpanzé e gorilla solo il 93%

5 Il contributo dell embriologia La forma che assume un organo a partire dal tessuto varia in base all ambiente molecolare e chimico Se ne roditori si trapianta una porzione di corteccia da un area ad un altra, viene ad assumere funzioni diverse (in base all area di destinazione) Per tale ragione, un elevata complessità fenotipica può essere raggiunta a partire da una limitata quantità di geni

6 Il contributo dell etologia Ruolo dell ambiente tipico della specie Nel plasmare lo sviluppo del cervello e i processi cognitivi

7 Il contributo delle neuroscienze e della neuropsicologia L attività cognitiva come prodotto del cervello Legame tra cervello e cognizione: plasticità Il ruolo dei processi epigenetici Espressione dei geni Sviluppo dell embrione Sviluppo cerebrale Cognizione Rappresentazione della conoscenza nella mente e nel cervello adulto specializzazione funzionale e strutturale Linguaggio Elaborazione di numeri Volto umano Ruolo dell esperienza (in interazione con predisposizioni innate) nell emergere della specializzazione cognitiva

8 Metodologie di indagine 1 Modelli animali Individuazione principi applicabili allo sviluppo umano Esempio: imprinting nel pulcino Disordini evolutivi di origine genetica che comportano deficit cognitivi selettivi Down Williams X fragile

9 Sindromi genetiche Sindrome di Down Deficit in varie aree dello sviluppo cognitivo Sindrome di Williams Sviluppo normale nello in ambito linguistico e sociale Deficit nelle abilità numeriche e visuospaziali Sindrome X-fragile Deficit in diverse aree: attenzione, cognizione visuo-spaziale, memoria a breve termine Alla base delle sindromi genetiche Non c è il danneggiamento di specifici moduli innati localizzati in aree specifiche del cervello Bensì, alterazioni diffuse e aspecifiche che, solo nel corso dell ontogenesi, possono assumere in alcuni casi un apparenza dominio specifica

10 Metodologie di indagine 2 Connessionismo Uso del computer per simulare la struttura e le proprietà del cervello La plasticità delle reti riproduce fenomeni di cambiamento

11 Metodologie di indagine 3 Tecniche di visualizzazione dell attività cerebrale Rilevare l attivazione cerebrale in tempo reale Ottenere mappe funzionali dell attività cerebrale Risonanza magnetica funzionale (fmri) Flusso sanguigno cerebrale Localizzare l area Potenziali evocati relati all evento (ERP) Attività elettrica in alcune aree cerebrali Determinare la sequenza temporale Tomografia ad emissione di positroni (PET) Infusione in vena di una sostanza di contrasto

12 Vantaggi delle tecniche fmri e ERP 1. Consentono di utilizzare lo stesso compito con soggetti di età diverse ottenendo misure sovrapponibili E quindi risolvendo il problema dell equivalenza delle misure 2. Consentono di indagare le competenze cognitive in situazioni che implicano carichi attentivi e mnestici molto ridotti (free viewing condition)

13 Vantaggi delle tecniche fmri e ERP Vantaggi teorici Tematica continuità/discontinuità Nello svolgimento di certo compito sottoposto a età diverse sono coinvolti gli stessi substrati neurali? Tematica natura/ambiente Esistono risposte cerebrali precoci specifiche per particolari categorie di stimoli?

14 Il ruolo dell esperienza nell emergere della specializzazione neurocognitiva Limiti della visione maturazionista Epigenesi unidirezionale e predeterminata Plasticità del cervello i circuiti si riorganizzazione in funzione dell esperienza con l ambiente Ambiente interno: altri circuiti Ambiente esterno: specie-specifico Epigenesi probabilistica Ruolo cruciale dell esperienza Modularizzazione

15 Paesaggio epigenetico di Waddington Il paesaggio epigenetico (Waddington) Lo sviluppo come il percorso di una palla Restringimento progressivo dei gradi di libertà

16 Lo sviluppo come processo probabilistico Molteplici tipi di ambiente, a diversi livelli Molecolare Cellulare Ambiente esterno all organismo tipico della specie Tipico dell individuo Epigenesi probabilistica (Gottlieb) L informazione necessaria per specificare la forma che assumerà il fenotipo non è contenuta nei geni ma emerge dall interazione tra i geni e l ambiente

17 Lo sviluppo come processo probabilistico Autorganizzazione i sistemi complessi con molti gradi di libertà Tendenza verso stati di stabilità Assenza di prespecificazione Esempio: cristalli, fiocchi di neve, le celle negli alveari La forma finale rappresenta una proprietà emergente delle dinamiche interne al sistema

18 Lo sviluppo come processo sistemico Dimensione sistemica del cambiamento Il cambiamento che avviene all interno di un sistema è sempre dipendente dal contesto nel quale il sistema è immerso Lo sviluppo è il risultato di molti fattori interni ed esterni al sistema

19 Lo sviluppo come processo sistemico Embodiment La mente e il cervello sono parte di un corpo immerso in un ambiente Il corpo pone dei vincolo ma offre anche delle opportunità Embodied cognition La dimensione fisica e corporea della cognizione La teoria dei sistemi dinamici (Thelen e Smith, 2004)

20 CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE approccio metodologico interdisciplinare Studio di modelli animali Disordini evolutivi genetici Simulazioni connessioniste Neuroimaging funzionale Risonanza magnetica funzionale (fmri) Spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) Potenziali evocati relati all evento (ERP)

21 CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE ruolo dell esperienza nella specializzazione cognitiva Plasticità Modularizzazione Paesaggio epigenetico Restringimento dei gradi di libertà

22 Plasticità CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE ruolo dell esperienza nella specializzazione cognitiva

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24 CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE ruolo dell esperienza nella specializzazione cognitiva Paesaggio epigenetico

25 CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE ruolo dell esperienza nella specializzazione cognitiva Restringimento dei gradi di libertà

26 CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE sviluppo come processo probabilistico Molteplici tipi di ambiente Epigenesi probabilistica Autorganizzazione Proprietà emergenti

27 CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE sviluppo come processo probabilistico Molteplici tipi di ambiente Epigenesi probabilistica Autorganizzazione Proprietà emergenti

28 CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE sviluppo come processo probabilistico Autorganizzazione

29 CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE sviluppo come processo probabilistico Proprietà emergenti

30 CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE approccio metodologico interdisciplinare Embodied cognition

31 CONCETTI DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE approccio metodologico interdisciplinare Teoria dei sistemi dinamici (Thelen e Smith, 1994)