Neuroni numerici

Giorgio Vallortigara
e Nicla Panciera
Per quel che riguarda il numero, sono stati scoperti nel cervello singoli neuroni che reagiscono in modo specifico alla numerosità, ossia all'aspetto cardinale del numero, indipendentemente da fattori spaziali, temporali e dalla modalità sensoriale implicata. Neuroni, cioè, la cui attività di scarica è modulata in maniera specifica dalla "enne-ità" di uno stimolo, ad esempio, tre puntini luminosi, tre lampi di luce, tre movimenti di un arto, tre squilli d'allarme e così via.
Da dove proviene la selettività nella risposta di questi neuroni alla numerosità? È importante notare che la relazione tra l'attività del neurone e la numerosità è rappresentata qui dalla frequenza di scarica dei potenziali d'azione e che ciascun potenziale d'azione è un evento «tutto o niente». Quindi, il neurone scarica oppure non scarica, ed è la frequenza di queste scariche che rappresenta le differenti numerosità. Ma come può il neurone che risponde selettivamente a cinque elementi sapere che un'immagine ne contiene proprio cinque, anziché due o tre, e modulare di conseguenza la sua frequenza di scarica? Chi glielo dice?
Una possibilità è che nel cervello la rappresentazione della numerosità derivi da una stima di qualche grandezza («magnitudo») effettuata mediante accumulazione dei segnali nervosi. Il processo può essere rappresentato da un modello idraulico. Il conteggio può essere visualizzato come una serie di versamenti di un bicchiere di liquido in un recipiente che funge da accumulatore: un bicchiere per ogni elemento contato. Alla fine del processo la quantità totale accumulata, ovvero la stima della numerosità, viene registrata in memoria ed è utilizzabile per le operazioni aritmetiche.
Se quest'idea è corretta, bisogna immaginare che nel sistema nervoso vi siano neuroni che integrano l'informazione sensoriale in maniera graduale – l'analogo del versamento progressivo dei bicchieri di liquido fino al riempimento dell'accumulatore – e che questi neuroni inviino poi i segnali così accumulati ad altri neuroni, che in questo modo rispondono selettivamente alla numerosità di un insieme. I modelli teorici che hanno ipotizzato l'esistenza di neuroni che rispondono al valore cardinale di un numero con variabilità scalare (come quello formulato da Stanislas Dehaene e Jean-Pierre Changeux), assumono infatti che debba esistere una fase in cui viene effettuata una sommazione degli stimoli affinché i segnali accumulati siano convertiti in un valore di numerosità. I neuroni che stanno nella porzione Lip (area intraparietale laterale) della corteccia parietale sembrano possedere le qualità richieste dal modello, integrando l'informazione sensoriale fino a un livello di soglia, superato il quale diventa possibile una decisione. Supponiamo che a una scimmia siano mostrate immagini contenenti un diverso numero di punti in movimento, all'interno del campo recettivo di un neurone in Lip. Il campo recettivo di un neurone corrisponde all'area della retina che se stimolata da un'immagine produce una risposta in quel particolare neurone (…). Nessun tipo di giudizio di numerosità è richiesto all'animale. Ciò nonostante, alcuni neuroni nell'area Lip mostrano spontaneamente un aumento monotonico della frequenza di scarica con l'aumentare del numero dei punti, altri invece una diminuzione. La risposta dei neuroni non dipende da altre caratteristiche dello stimolo che non siano la numerosità – grandezza, densità e forma dei punti non influenzano la risposta dei neuroni.
Vi sarebbero quindi nel cervello, nella zona Lip del lobo parietale, neuroni la cui risposta è graduata monotonicamente dalla numerosità degli elementi che entrano nel loro campo recettivo. I segnali accumulati da questi neuroni sono inviati ad altri neuroni, nell'area Vip (area intraparietale ventrale) del lobo parietale, cosicché questi ultimi mostrano delle curve di risposta sintonizzate sulla numerosità, curve che hanno cioè un picco corrispondente a un determinato valore numerico (il valore accumulato nei neuroni della zona Lip) e la cui precisione di sintonizzazione diminuisce con l'aumentare della grandezza numerica (l'usuale variabilità scalare). La risposta alla numerosità dei neuroni dell'area Vip del lobo parietale anticipa di 30 millisecondi quella dei neuroni dell'area prefrontale, ossia ha un tempo di latenza più breve. Ciò è congruente con l'ipotesi che dai neuroni dall'area Vip del lobo parietale il segnale sia inviato ai neuroni della corteccia prefrontale, che lo userebbero per mettere in atto (e mantenere per un breve periodo di tempo in memoria di lavoro) un processo di decisione categoriale (per esempio, decidere se il numero di elementi di una certa immagine è uguale o meno a quello di un'immagine vista mezzo secondo prima).
Ci si potrebbe chiedere a questo punto se i neuroni del numero siano il risultato del processo stesso di apprendimento, cioè se la selettività di risposta alla numerosità si formi a mano a mano che l'animale apprende il compito oppure se vi siano nel cervello neuroni che spontaneamente rispondono alla numerosità. Abbiamo già visto che la seconda alternativa è quella corretta per i neuroni nell'area Lip, la cui risposta è indipendente dal fatto che l'animale debba effettuare una discriminazione di numerosità. Ma è corretta altresì per l'area Vip, dove vi sono i neuroni che rispondono alla numerosità. Andreas Nieder ha mostrato che sia nell'area Vip nel lobo parietale sia nella corteccia prefrontale (in quest'ultima 30 millisecondi dopo) vi sono neuroni che rispondono spontaneamente alla numerosità di assemblee di punti, a prescindere dalla loro densità, area, posizione e grandezza. Questi neuroni costituiscono perciò il fondamento naturale del nostro senso del numero.