specializzazione funzionale

Lezione 9
neurocostruttivismo
Argomenti
• Il neurocostruttivismo
• Lo sviluppo del cervello
MODULO 3
Le teorie dell’elaborazione
delle informazioni
1. Il cognitivismo
classico
2. L’approccio innatistamodulare
3. L’approccio
connessionista
4. Il neurocostruttivismo
– Plasticità neurale
– Specializzazione cerebrale e
modularizzazione
• Risposte alle questioni evolutive
–
–
–
–
L’epigenesi probabilistica
Il significato del termine “innato”
Il significato di “dominio-specifico”
Lo sviluppo come processo
continuo
Il neurocostruttivismo
• Vincolare lo studio dello sviluppo della cognizione allo
studio dello sviluppo delle strutture neurali che la
supportano
• Lo sviluppo cognitivo
– Acquisizione di rappresentazioni mentali sul mondo
• Connessionismo
– La conoscenza è rappresentata nel cervello in modo distribuito
– Le rappresentazioni mentali sono configurazioni di attivazioni
neurali
• Spiegare lo sviluppo cognitivo
– In che modo i substrati neurali che sottendono le nostre
rappresentazioni mentali prendono forma nel corso dello sviluppo?
Consistenza tra i livelli
• Non si tratta di riduzionismo
– In quanto lo sviluppo delle strutture neurali è influenzato dal loro
funzionamento e dall’esperienza
• Il problema è quello di trovare spiegazioni che siano
consistenti tra i diversi livelli di analisi
– Cognitivo
– Neurale
Lo sviluppo come processo proattivo
• Epigenesi probabilistica
– l’informazione emerge attraverso l’interazione tra i geni e
l’ambiente
– Processi interattivi che conducono all’emergere di nuove strutture
– Natura attiva del processo di sviluppo
• Neurocostruttivismo
– Lo sviluppo ontogenetico è inteso come processo proattivo o
activity-dependent
– Si tratta di un processo attivo e costruttivo attraverso il quale i geni
interagiscono con l’ambiente a vari livelli, incluso quello esterno
all’individuo, per produrre strutture biologiche caratterizzate da un
livello di complessità e differenziazione maggiore rispetto a quello
presente negli stati precedenti
Natura “activity-dependent” dello sviluppo
• Natura “activity-dependent” dello sviluppo
– Il cervello e il sistema cognitivo che esso supporta si
modificano grazie al proprio stesso funzionamento
• Il bambino fin dalle prime fasi seleziona alcune
informazioni nell’ambiente
– In questo modo diventa agente attivo nel processo di
specializzazione neurale e funzionale
• Karmiloff-Smith (1992)
– conciliare Piaget e l’innatismo modulare
Il concetto di funzionamento parziale
• Diverse regioni della corteccia non passano
improvvisamente da una fase silente a una
fase nella quale sono funzionanti bensì
attraversano infinite fasi di transizione
• I limiti nell’acuità visiva e nel controllo motorio
nella prima infanzia
– Indirizzano l’esplorazione verso particolari oggetti
– Facilitano l’integrazione sensoriale
• Le limitazioni dovute agli organi sensoriali sono
vantaggiose
– Il corpo agisce da filtro (embodiment)
– Less is more (Elman, connessionismo)
Cosa possiamo imparare
dallo sviluppo del cervello?
• Sviluppo del cervello
– Lentezza maggiore nella specie umana
– Maggiore possibilità di modificazioni in base
all’esperienza
• L’esistenza di periodi di immaturità prolungati
ha due conseguenze:
– Rende la specie umana più aperta all’influenza
ambientale
– Consente di raggiungere un maggiore volume
cerebrale (in particolare, corteccia prefrontale:
pianificazione ed esecuzione di sequenze
complesse)
sviluppo del cervello:
aumento del volume
sviluppo del cervello:
aumento del peso
sviluppo del cervello:
aumento densità connessioni
sviluppo del cervello
• Sviluppo cerebrale
– Sovrapproduzione
– decadimento (potatura/pruning) delle
sinapsi
sviluppo del cervello
Cosa possiamo imparare
dallo sviluppo del cervello?
• Sovrapproduzione e decadimento delle sinapsi
– prima nella corteccia visiva e uditiva
– Poi in quella associativa (aree del linguaggio)
– Quindi nella corteccia prefrontale
• In tal modo l’esperienza plasma lo sviluppo
cerebrale
– La specializzazione come conseguenza del
decadimento sinaptico
Selezionismo
• Perdita selettiva di connessioni ridondanti
– Le connessioni meno attivate si indeboliscono
– Le connessioni maggiormente attivate si rafforzano
• Le connessioni che si rafforzano
– Formazioni di circuiti neurali incapsulati e specializzati
per l’elaborazione di specifiche informazioni
Specializzazione cerebrale
•
Lo sviluppo del cervello umano
–
•
Crescente specializzazione delle strutture e delle funzioni
Come emerge la specializzazione nel corso dello
sviluppo?
–
–
–
Tramite un processo di selezione analogo a quello
ipotizzato da Darwin (selezionismo)
Perdita selettiva di connessioni ridondanti
Segregazione delle connessioni più utilizzate
(specializzazione interattiva)
Specializzazione cerebrale
• La segregazione dei circuiti neurali e il loro
graduale incapsulamento va di pari passo con
una crescente specializzazione funzionale di
tali circuiti, che vengono progressivamente
selezionati per eseguire differenti
computazioni dominio-specifiche
Specializzazione neurocognitiva e
modularizzazione
• Specializzazione del cervello nell’adulto
– A specifiche aree sono associate specifiche
funzioni
– Selettività della risposta: un’area risponde a una
specifica categoria di stimoli
• Come emerge la specializzazione? Due
ipotesi
– (1) Fattori intrinseci: esistenza di una
«protomappa» (epigenesi predeterminata)
– (2) Esistenza di una «protocorteccia»
indifferenziata che si differenzia in base agli input
che riceve (neurocostruttivismo) (specializzazione
interattiva, Johnson)
specializzazione interattiva (Johnson)
• Durante lo sviluppo alcune regioni della
corteccia si modificano in funzione di
– Alcuni vincoli iniziali (predisposizioni a prestare
attenzione a particolari classi di input)
– Interazioni di natura competitiva con altre aree
• In tal modo differenti circuiti vengono
selezionati per computazioni dominiospecifiche
• Esempio: volto umano
– Specifiche aree aumentano la selettività per
specifiche informazioni
– L’estensione delle aree di tessuto coinvolte in uno
specifico compito si riduce (localizzazione)
Modularizzazione
•
Fodor (1983): Organizzazione modulare
della mente
•
Karmiloff-Smith (1992): modularizzazione
– i moduli sono un prodotto dello sviluppo
Modularizzazione
• A sostegno di una visione epigenetica della
specializzazione cerebrale
– La capacità di integrazione crossmodale si
riduce (incapsulamento dei circuiti cerebrali)
– Le aree che si attivano in risposta a specifiche
classi di input nei bambini sono in genere più
estese delle corrispondenti aree negli adulti
– È possibile rilevare modificazioni nelle
configurazioni di risposta di specifiche aree della
corteccia nel corso dello sviluppo
• Esempio: la percezione del volto umano
• Esempio: sviluppo del linguaggio
Sintonizzazione percettiva
• La capacità di discriminazione si
sintonizza sulle informazioni più
frequentemente esperite
– Decremento delle capacità di discriminazione
degli stimoli esperiti con meno frequenza
• Discriminazione fonemi
– Fino a sei mesi: tutte le lingue
– Tra i 10 e i 12 mesi: solo la lingua madre
Sintonizzazione percettiva
• Discriminazione volti umani
– A sei mesi discriminano ugualmente i volti umani
e i volti di scimmia
– A 9 mesi discriminano solo i volti umani
– A 9 mesi manifestano una vantaggio nella
discriminazione di volti della propria razza
Il ruolo dell’esperienza nell’ontogenesi
delle funzioni cognitive
Tre tipologie di processi
• experience-independent
– Basati prevalentemente su informazioni genetiche
• experience-dependent
– Basati su esperienze individuali
– Ottimizzare l’adattamento del singolo individuo
– Apprendimento
• experience-expectant
– Basati su esperienze tipiche della specie
– Esposizione in particolari finestre temporali ad
aspetti specifici tipici dell’ambiente della specie
Il ruolo dell’esperienza nell’ontogenesi
delle funzioni cognitive
• experience-dependent
– Esempio: preferenza a 3-4 mesi per volti
maschili se allevati da maschi e viceversa
(Quin et al. 2002)
Il ruolo dell’esperienza nell’ontogenesi
delle funzioni cognitive
• experience-expectant:
– discriminare volti di scimmia (presente a 6 mesi e
assente a 9)
– discriminare variazioni fonetiche non presenti nella
propria lingua
.
La plasticità neurale: dal concetto di
periodo critico a quello di periodo sensibile
• Periodo critico
– Finestre temporali, rigidamente definite nel corso
dello sviluppo, durante le quali una specifica
esperienza deve avvenire perché una funzione si
sviluppi in modo normale
• Funzione visiva: strabismo
– Mancanza di una corretta stimolazione visiva a
entrambi gli occhi
– Problemi nella percezione binoculare di profondità
• Imprinting filiale
La plasticità neurale: dal concetto di
periodo critico a quello di periodo sensibile
• Periodo sensibile
– momenti nel corso dello sviluppo durante i quali
l’organismo è particolarmente sensibile a specifiche
esperienze, senza escludere che queste
esperienze possano esercitare la loro influenza in
epoche successive
• Bambini con cataratta bilaterale congenita
– Deprivazione visiva nei primi mesi
– In parte recuperano ma risultano deficitari in alcuni
aspetti
Il concetto di “vincolo” sullo sviluppo
• Predisposizioni dominio-generali che, interagendo con
l’ambiente tipico della specie attraverso relazioni
bidirezionali, producono l’emergere di
rappresentazioni dominio-specifiche
• Presenza di vincoli o predisposizioni che guidano e
facilitano lo sviluppo della conoscenza, incanalandolo
verso particolari direzioni
Il concetto di “vincolo” sullo sviluppo
• Lo sviluppo cognitivo è caratterizzato da
trasformazioni qualitative che avvengono in accordo
con dei vincoli prespecificati
• I vincoli
– Sono predisposizioni attentive innate che vincolano lo
sviluppo, poiché dirigono e incanalano l’attenzione del
bambino verso alcune particolari categorie di input ambientali
– Facilitano l’apprendimento circoscrivendo i tipi di
informazione a cui prestare maggiore attenzione
– Esempio: preferenza per lo schema del volto umano
Il nuovo significato del termine “innato”
• Innato non significa
– Immutabile
– presente alla nascita
– necessariamente specifico
• Le predisposizioni innate possono manifestarsi
a tre distinti livelli
– Architettura neurale
– Variabili spazio-temporali
– Rappresentazionale
Il nuovo significato del termine “innato”
• (1) Architettura neurale
– es via del what (ventrale) e del where (dorsale)
• (2) Variabili spazio-temporali
– es specializzazione emisfero sinistro per il linguaggio
• (3) Rappresentazionale
– a livello di configurazioni di connessioni sinaptiche
(improbabile)
• E’ la dinamica stessa dello sviluppo a svolgere un
ruolo cruciale nel plasmare lo sviluppo
Il nuovo significato del termine
“dominio-specifico”
• Ipotizzare che un processo sia dominio-specifico non
implica assumere che sia innato
• La specificità di dominio può riguardare due livelli:
– rappresentazioni
• Circuiti neurali specializzati per particolari categorie di informazioni
– processi
Il nuovo significato del termine
“dominio-specifico”
• Modello della ridescrizione
rappresentazionale (RR)
• La mente può ridisegnare in formati sempre
nuovi le rappresentazioni che già possiede
– Crescente esplicitazione
– Crescente automatizzazione
• Es. suonare il pianoforte
– Rappresentazioni:
• Procedurali -> esplicite
Lo sviluppo come processo continuo
• Cosa cambia?
– il formato delle rappresentazioni
• Tre fasi:
– padronanza comportamentale
– curva ad U
– conoscenza esplicita.
Lo sviluppo come processo continuo
• Esperimento di Karmiloff-Smith (1984), con bambini
tra i 4 e i 9 anni:
– appoggiare blocchetti su un supporto metallico in modo da
tenerli in equilibrio
• Tre fasi
– I fase: 4 anni
• retroazione propriocettiva
– II fase: 6 anni
• teoria in atto
– II fase: 8-9 anni
• conoscenza esplicita del centro geometrico
• Questione del rapporto tra prestazione e competenza
La plasticità neurale: fenomeno
dell’arto fantasma
• Plasticità
– È la capacità di riorganizzarsi in funzione delle molteplici
condizioni ambientali
– Risulta maggiore in età precoce
• La plasticità caratterizza anche il cervello dell’adulto
– Plasticità crossmodale in individui ai quali è stato amputato un
arto in età avanzata
– Riorganizzazione delle connessioni presenti prima
dell’attivazione
La plasticità neurale: fenomeno
dell’arto fantasma
• Fenomeno dell’arto fantasma
– Una stimolazione del volto produce la percezione di
una stimolazione dell’arto (mancante)
• I musicisti di strumenti a corda hanno
– una rappresentazione delle dita nella corteccia
motoria e somatosensoriale molto più estesa del
normale
Il come delle sviluppo:
Epigenesi probabilistica
•
•
Il cervello e i processi cognitivi che esso
supporta si modificano nel tempo attraverso
una continua interazione tra i fattori biologici,
molecolari e genetici da un lato e i fattori
ambientali dall’altro
Queste interazioni tra i geni, le strutture, le
funzioni e l’ambiente sono sempre bidirezionali
e dinamiche
• Esempio: errore A non B
– Tre interpretazioni
Il come delle sviluppo:
Epigenesi probabilistica
• Il concetto di “auto-organizzazione” (es.
alveare)
• Lo sviluppo come progressivo restringimento
dei gradi di libertà
– Il paesaggio epigenetico di Waddington
CONCETTI DEL
NEUROCOSTRUTTIVISMO
•
•
•
•
Natura activity-dependent dello sviluppo
Embodiment
Modularizzazione (Karmiloff-Smith)
Specializzazione interattiva (Mark Johnson)
CONCETTI DEL
NEUROCOSTRUTTIVISMO
• Il ruolo dell’esperienza nell’ontogenesi
– Processi experience-independent
– Processi experience-dependent
– Processi experience-expectant
CONCETTI DEL
NEUROCOSTRUTTIVISMO
• Vincoli (predisposizioni) sullo sviluppo
• Influenze innate a tre livelli
– Architettura neurale
– Variabili spazio-temporali
– Rappresentazionale
CONCETTI DEL
NEUROCOSTRUTTIVISMO
• Il modello della ridescrizione rappresentazionale
(RR)
CONCETTI DEL
NEUROCOSTRUTTIVISMO
• Lo sviluppo come restringimento dei gradi di
libertà