Mind & Neuron. Il blog delle neuroscienze

8. nov, 2016

Neuroscienze cognitive e archeologia. Un’unione possibile. La neuroarcheologia è un settore di ricerca interdisciplinare volto allo studio delle problematiche emergenti fra cervello e cultura, percorrendo le traiettorie del divenire umano. Le ultime tre decadi hanno visto un radicale cambiamento nelle modalità con cui gli archeologi si approcciano allo studio dell’evoluzione della mente umana: grazie all’incontro con le neuroscienze ha avuto sviluppo l’Archeologia Cognitiva, il cui scopo risiede nella comprensione dei principi basilari dell’evoluzione cerebrale umana e della co-evoluzione cervello-cultura. Che cosa è il pensiero simbolico? Perché e in qual modo emerge il simbolismo? Come è possibile identificare le tracce materiali delle capacità simboliche nei reperti archeologici? Quale legame esiste fra la struttura funzionale del cervello e le tracce comportamentali osservabili archeologicamente, considerando l’inestricabile relazione fra cervello/corpo e ambiente? Le conoscenze sulla plasticità neurale derivanti dalle neuroscienze hanno drasticamente modificato la concezione del cervello quale entità biologicamente “fissa” verso la visione di un sistema bio-culturale dinamico, soggetto a costanti trasformazioni non solo funzionali, ma anche strutturali e anatomiche. L’essere umano possiede una mente plastica immersa e inestricabilmente legata ad una cultura plastica. Pertanto la neuroarcheologia si propone di comprendere i meccanismi di sviluppo nel lungo termine della sinergica co-evoluzione del cervello con la cultura e il mondo materiale.

Gli archeologi tentano oggi di utilizzare la conoscenza sui substrati neurali delle funzioni cognitive per definire/identificare le tracce archeologicamente visibili, le esigenze socio-culturali che le hanno rese necessarie, i processi mentali con cui si è arrivati a produrle. La neuroarcheologia punta alla interdisciplinarietà con le neuroscienze per mappare il terreno comune di indagine, inquadrare nuove domande, e colmare i diversi livelli di analisi sulle diverse scale temporali (individuale, storica ed evolutiva). Questo settore di ricerca mira quindi a costruire un ponte analitico tra cervello e cultura, ponendo cultura materiale, incarnazione, tempo e cambiamento a lungo termine al centro della scena nello studio della mente. In questo contesto, Lambros Malafouris (Journal of Anthropological Sciences, 2010) introduce la nozione di “meta-plasticità” per descrivere l'intreccio costitutivo-attuativo tra plasticità neurale e culturale. In questo contesto, la Material Engagement Theory [MET] si presenta come una teoria esplicativa che si sviluppa lungo tre ipotesi di lavoro correlate: 1)  la mente estesa, che esplora l'intreccio costitutivo tra conoscenza e cultura materiale; 2) il significato enattivo, che esplora la natura del segno materiale non come un meccanismo di rappresentazione ma come un meccanismo di fusione semiotica e di coabitazione attraverso la materia che mette in scena e porta avanti il mondo; 3) l’agentività materiale, che esplora l’agency non come una proprietà umana, ma come il prodotto emergente di attività situate nel tempo e nell’ambiente. Riconoscendo l'efficacia causale e il ruolo costitutivo della cultura materiale nel sistema cognitivo umano (come esemplificato nella TEM), e riconoscendo l'interfaccia cervello-manufatto come sua unità analitica principale, la neuroarcheologia cerca di costruire un nuovo approccio integrato allo studio dell’evoluzione dell’intelligenza umana [biologia evolutiva dello sviluppo].

Nuovi inquadramenti teorici, come quello di neurocostruttivismo ed epigenesi probabilistica, offrono un nuovo modello, non-lineare e interattivo, per comprendere la relazione tra geni, cervello e comportamento caratterizzante l’evoluzione dell’intelligenza umana. Lo sviluppo cognitivo non è più visto come il progressivo dispiegarsi di informazioni che sono disposte nel genoma. La visione tradizionale di un flusso causa-effetto e unidirezionale DNA-RNA-struttura delle proteine codificate  lascia il posto ad una visione più complessa in cui aspetti fisici, sociali, e culturali dell’ambiente e del comportamento rivestono un ruolo fondamentale nel far scattare l’espressione genetica. Nelle parole di Malafouris (Camb. Archaeol. J., 2008b, p. 404): «La struttura anatomica e funzionale del cervello umano è un costrutto dinamico di esperienze culturali mediate, e spesso costituite, mediante l'uso di oggetti materiali e manufatti che perciò dovrebbero essere considerati come parti integranti continue dell'architettura cognitiva umana».

Tutte queste considerazioni sono in contrasto con molte idee convenzionali in psicologia evolutiva, la quale considera la cultura come una mera influenza epifenomenica su un set biologicamente pre-determinato e universalmente condiviso di capacità e caratteristiche dell’intelletto umano. Forse, come suggeriscono Griffiths & Stotz (2000), quello che dobbiamo accettare è che «ciò che gli individui ereditano dai loro antenati non è una mente, ma la capacità di sviluppare una mente».

S.P.

Per approfondimenti

Malafouris L. Metaplasticity and the human becoming: principles of neuroarchaeology. Journal of Anthropological Sciences, 2010; 88: 49-72.

Malafouris L. Beads for a Plastic Mind: The ‘Blind Man’s Stick’ (BMS) hypothesis and the active nature of material culture. Camb. Archaeol. J., 2008b; 18: 401-414.

Griffiths PE & Stotz K. How the Mind Grows: A developmental perspective on the biology of cognition. Synthese, 2000; 122: 29–51.


 

Meta-plasticity and the human becoming: principles of neuroarchaeology.

Important recent developments in brain and cognitive sciences offer new avenues for productive cooperation between archaeology and neuroscience. Archaeologists can now learn more about the biological and neural substrates of the human cognitive abilities and use that knowledge to better define and identify their archaeologically visible traces and possible signatures. In addition, important questions and prevailing assumptions about the emergence of modern human cognition can be critically reviewed in the light of recent neuroscientific findings. Thus there is great prospect in the archaeology of mind for developing a systematic cross-disciplinary endeavor to map the common ground between archaeology and neuroscience, frame the new questions, and bridge the diverge analytical levels and scales of time. The term “neuroarchaeology” is introduced to articulate this rapidly developing field of cross-disciplinary research, focusing on questions and problems that emerge at the interface between brain and culture over the long-term developmental trajectories of human becoming. Neuroarchaeology aims at constructing an analytical bridge between brain and culture by putting material culture, embodiment, time and long term change at center stage in the study of mind. The notion of “meta-plasticity” is used to describe the enactive constitutive intertwining between neural and cultural plasticity. In particular the Material Engagement Theory [MET] was considered. MET could be used as an explanatory path develops along the lines of three interrelated working hypotheses which can summarised as follows: 1) The hypothesis of extended mind, which explores the constitutive intertwining of cognition with material culture; 2) the hypothesis of enactive signification, which explores the nature of the material sign not as a representational mechanism but as a semiotic conflation and co-habitation through matter that enacts and brings forth the world; 3) the hypothesis of material agency, which explores agency not as a human property but as the emergent product of situated activity. Recognizing the causal efficacy and the constitutive role of material culture in the human cognitive system as exemplified by the principles of MET, and taking the brain-artefact interface as its principal analytical unit, neuroarchaeology attempts to construct a new integrative approach to the study of human cognitive becoming [EVO-DEVO].

New theoretical frameworks such as that of “neuroconstructivism” and “probabilistic epigenesist” provide us a new, non-linear and interactive model for understanding the relationship between genes, the brain and behaviour that characterise human cognitive becoming. Cognitive development is no longer seen as the progressive unfolding of information that is a laid out in the genome. The traditional view of a one-directional flow of cause and effect from genes (DNA) to RNA to the structure of proteins they encode gives way to a subtler picture where physical, social, cultural aspects of environment and behaviour plays fundamental role in triggering the expression of genes. All these considerations clearly contrast to many conventional ideas in evolutionary psychology that would see culture as a mere epiphenomenal influence upon a biologically pre-determined and universally shared set capacities or features of human cognition. Maybe, as Griffiths & Stotz (2000) suggest, what we need to recognise is that «what individuals inherit from their ancestors is not a mind, but the ability to develop a mind».

 

30. set, 2016

Archeologia e neuroscienze hanno fino ad oggi fornito importanti contributi allo studio dell'intelligenza umana. La prima, indicandoci con buona approssimazione dove e quando l’Homo sapiens è apparso - in Africa da qualche parte tra 100.000 e 200.000 anni fa. Le seconde, d'altra parte, suggerendo dove nel cervello umano possono essere identificate quelle che vengono considerate abilità qualificanti l’essere umano (il linguaggio, la capacità simbolica, la capacità di rappresentazione, la Teoria della Mente, il credo causale, l’intenzionalità, il senso di individualità) e quali possano essere le reti neurali e i meccanismi cognitivi che le supportano.

La sfida diventa oggi riunire tutte queste informazioni, capirne le diverse sfaccettature e dare una nuova definizione della condizione umana. Un tentativo di integrare queste discipline finora isolate potrebbe restituirci un quadro molto più informativo del “da dove veniamo” e del “perché ci siamo evoluti in questo modo”. Nasce così ad opera di Colin Renfrew quel settore della ricerca oggi noto come “archeologia della mente”. Un settore dell’archeologia che studia l’evoluzione della mente, la sua architettura funzionale e il ruolo svolto dall’ambiente sullo sviluppo biologico del sistema nervoso umano. Basandosi sul presupposto di una stretta interazione tra cervello, corpo e cultura materiale, la neuroarcheologia permette l’incontro fra neuroscienze e archeologia, promuovendo un approccio interdisciplinare per approfondire tematiche connesse all’evoluzione cognitiva umana, soprattutto dopo la fase di speciazione. La neuroarcheologia si propone quindi di fondere i dati archeologici sulla comparsa dell’homo sapiens con le conoscenze neuroscientifiche sul divenire del sistema nervoso e dell’intelletto umani. Un esempio? Recenti ricerche sulla formazione e sull’evoluzione delle capacità cognitive, con particolare riferimento all’emergere del linguaggio e alla produzione di utensili, si sono avvalse di tecniche di neuroimaging per simulare il comportamento degli ominidi e verificare nel cervello umano moderno il fondamento neurologico delle ipotesi formulate. 

Per comprendere a fondo le questioni riguardanti l’apprendimento della specie e la trasmissione culturale, si reputa sempre più necessaria una collaborazione tra neuroscienziati e archeologi che permetta di lavorare su scale temporali e aspetti fenotipici diversi. Quello che è richiesto per rendere effettiva questa collaborazione è una serie di idee che ci permettano di pensare a “cervelli, corpi e dati materiali” in combinazione così da capire i possibili legami tra la plasticità cerebrale e quella culturale.

Ma chi è Colin Renfrew? Archeologo inglese, senior fellow al McDonald institute for archaeological research (http://www.mcdonald.cam.ac.uk/), che ha fondato e diretto all’università di Cambridge (1990-2004), dove è anche professore emerito di archeologia. Proprio nel 2004, ha ricevuto il premio internazionale Balzan per l’archeologia preistorica: un riconoscimento della sua importante attività intellettuale, fatta anche di promozione del dibattito teorico e di sensibilizzazione agli aspetti etici della professione dell’archeologo. Renfrew non è solo promotore di studi di archeologia teorica, con particolare riferimento all’archeologia sociale e cognitiva, ma è anche un attivo ricercatore sul campo: ha infatti dedicato la sua vita allo studio della preistoria europea e mondiale, effettuando scavi in Gran Bretagna e in Grecia, per studiare lo sviluppo delle civiltà dell’Egeo. Negli anni ha promosso aspetti innovativi della ricerca archeologica, come la bioarcheologia e la neuroarcheologia. Suoi due importantissimi contributi quali “Archaeogenetics: DNA and the population prehistory of Europe” (2000),  e  “The sapient mind: archaeology meets neuroscience” (2009).

S.P.

Per approfondimenti

Colin Renfrew, Christopher D. Frith, Lambros Malafouris. The Sapient Mind: Archaeology Meets Neuroscience : Papers of a Theme Issue. Volume 363, Edizione 1499 di Philosophical transactions of the Science, 363(1499). Royal Society of London: Biological sciences. Royal Society, 2009.

 


 The sapient Mind. Neuroarcheology and the study of the human nervous system

Up to now, working in isolation, both archaeology and neuroscience have made a number of important contributions to the study of human intelligence. Archaeology, for instance has given us a good idea about where, and an approximate idea about when, Homo sapiens appeared - in Africa somewhere between 100.000 and 200.000 years ago. Neuroscience, on the other hand, has given us a good indication about where in the human brain modern human capacities (e.g. language, symbolic capacity, representational ability, Theory of Mind, causal belief, intentionality, sense of selfhood) can be identified and the possible neural networks and cognitive mechanisms that support them. The challenge facing us then is how do we put all these different facets and threads of evidence about the human condition back together again? A new framework that integrates two hitherto isolated disciplines can provide us with a much deeper, more informative, account of where we came from, and why we developed as we did.

The result is the work of Colin Renfrew: an area of research known today as "archeology of the mind". A field of archeology that studies the evolution of the mind, its functional architecture and the role played by the environment on the biological development of the human nervous system. Based on the assumption of a close interaction between the brain, body and material culture, the “archeology of the mind” (the so-called neuroarcheology), allows the meeting between neuroscience and archeology, promoting an interdisciplinary approach to investigate issues related to the evolution of human cognition, especially after the stage of speciation. An example? Recent researches on the formation and evolution of cognitive abilities availed themselves of neuroimaging techniques. Archaeologists have been able to simulate the behavior of hominids in collaboration with neuroscientists. Indeed, they have been able to verify the neurological basis of the assumptions made in the modern human brain.

17. ago, 2016

Quella similitudine fra connessioni e distribuzione della materia tra il cervello e l'universo lascia sgomenti. Così come la meraviglia negli occhi degli astronauti, per quelle sedici albe, sedici tramonti, vissuti sulla Stazione spaziale internazionale.  A 27.000 km orari. A 400 chilometri da Terra.

Una meraviglia che non può essere vissuta senza il rischio di gravi conseguenze per l’organismo umano. A seguito di lunghe permanenze nello spazio, gli astronauti possono andar incontro a problemi cardiovascolari, disturbi del visus, cecità spaziale, osteoporosi, disturbi all’apparato gastrointestinale, invecchiamento precoce e disturbi comportamentali.  Fluttuare nello spazio infinito e buio dell'Universo. La coordinazione tra cervello e corpo tende a saltare: la pressione sale e il cervello interpreta questo cambiamento come se il corpo fosse sottosopra. Ma nello Spazio non c’è un sopra o un sotto.  E poi ancora loro. Quelle sedici albe e sedici tramonti, ma un giorno di vita solo. Una volta terminata la missione, gli astronauti devono riadattarsi a vivere con ritmi e percezioni tutte Terrestri. In un simile contesto il cervello subisce cambiamenti notevoli, legati sia ai messaggi “fuorvianti” inviati dal corpo sia alle condizioni ambientali estreme.

I ricercatori del Brain DTI project dal 2013 affrontano la questione grazie a tecniche di neuroimaging avanzato (Demertzi et al., 2016). “Scansionando” 16 astronauti prima e dopo la missione, Il team di Demertzi è riuscito a stabilire i network cerebrali  coinvolti nell’adattamento spaziale. Nel lavoro pubblicato sulla rivista Brain Structure and Function (http://link.springer.com/article/10.1007/s00429-015-1054-3), gli autori riportano differenze significative nella connettività funzionale a riposo tra corteccia motoria e cervelletto, così come cambiamenti  nel default mode network.  Gli astronauti  hanno, inoltre, esibito alterazioni funzionali nelle aree supplementari motorie durante un compito immaginazione motoria. Questi risultati sono rilevanti non solo per le future missioni interplanetarie ma anche per il trattamento dei pazienti vestibolari.

Non solo di adattamento spaziale si tratta. A stare troppo a lungo nello spazio il cervello può subire danni permanenti rilevanti, fenotipicamente simili a quelli riscontrabili in alcuni disturbi neurocognitivi maggiori. In una ricerca pubblicata su Science Advances nel 2015 e condotta dall’Università della California, il team di ricerca di Vipan Parihar e Charles Limoli ha dimostrato come l’esposizione prolungata al “bombardamento” di particelle fortemente cariche come quelle che si trovano nei raggi cosmici, e alle quali sono esposti gli astronauti durante i voli spaziali, può causare danni significativi al sistema nervoso centrale, portando a importanti problemi cognitivi (http://advances.sciencemag.org/content/1/4/e1400256). I ricercatori, impegnati nello Human Research Program della NASA, hanno sperimentato come tale esposizione produca  un’infiammazione cerebrale  con la conseguente compromissione della trasmissione di segnali tra i neuroni. L’irraggiamento modificherebbe la struttura dei dendriti, danneggiando le sinapsi. Durante la sperimentazione, alcuni topi di laboratorio sono stati sottoposti a una quantità di particelle altamente energetiche e pari a quella che bersaglierebbe gli astronauti in un viaggio di 860 giorni. I successivi test cognitivo-comportamentali hanno confermato che i topi interessati dalle radiazioni esibiscono deficit di memoria e apprendimento, sono meno curiosi delle nuove situazioni e meno efficienti nel ragionamento spaziale. Anche a 6 settimane di distanza dall'esposizione.

La questione diventa particolarmente rilevante in vista delle prossime spedizioni verso  Marte.  Non solo il viaggio verso il Pianeta Rosso potrebbe essere estremamente pericoloso, e di sola andata, ma potrebbe anche compromettere la salute cognitiva degli astronauti, condizionando le fasi cruciali della missione e del rientro sulla Terra. Nelle parole di Limoli: «Siccome i deficit cognitivi negli astronauti possono manifestarsi appena dopo mesi, il tempo che richiede un viaggio verso Marte è più che sufficiente perché questi si sviluppino. Una parziale soluzione potrebbe essere progettare un veicolo spaziale che includa crescenti aree schermate, come quelle realizzate per il riposo e il sonno. Ciò nonostante le particelle cariche attraverserebbero la navetta, in ogni caso, e non c’è veramente modo di evitarle del tutto». Nel frattempo, il team di Limoli sta lavorando allo sviluppo di soluzioni che sfruttino combinazioni di sostanze e possano funzionare come scudi protettivi per la comunicazione tra neuroni.

Sedici albe, sedici tramonti, ma un giorno di vita solo. Fluttuare nello spazio infinito e buio dell'Universo. Una meraviglia non priva di conseguenze.

S.P.


 The Brain on the way to Space. Neuroplasticity issues in astronauts.

The Brain DTI project analyzed the brains of 16 cosmonauts, finding significant differences in resting-state functional connectivity between motor cortex and cerebellum, as well as changes within the default mode network. In addition, the cosmonaut showed changes in the supplementary motor areas during a motor imagery task. These results highlighted the underlying neural basis for the observed physiological deconditioning due to spaceflight and are relevant for future interplanetary missions.  As NASA prepares for the first manned spaceflight to Mars, questions have surfaced concerning the potential for increased risks associated with exposure to the spectrum of highly energetic nuclei that comprise galactic cosmic rays.  Astronaut autonomy during long-term space travel is particularly critical as is the need to properly manage planned and unanticipated events, activities that could be compromised by accumulating particle traversals through the brain. An unexpected and unique susceptibility of the central nervous system to space radiation exposure is now known. The underlying radiation sensitivity of delicate neuronal structure may well predispose astronauts to unintended mission-critical performance decrements and/or longer-term neurocognitive sequelae.

 

 

1. ago, 2016

Cielo e Cervello. Due universi a confronto.  Nella nostra dichiarazione d’intenti siamo partiti raccontando del viaggio nella galassia-mente e delle sorprendenti somiglianze tra le reti neuronali del cervello e i collegamenti tra le galassie.

Siamo nel 2011. Seyed Hadi Anjamrooz della Kerman University of Medical Sciences e altri medici iraniani pubblicano sull'International Journal of the Physical Sciences "The cellular universe: A new cosmological model based on the holographic principle (http://www.academicjournals.org/article/article1380705660_Anjamrooz%20et%20al.pdf), un articolo riguardante le similarità tra le cellule e l'universo.  I ricercatori sottolineano come: «Quasi tutto ciò che esiste nell'Universo può essere ritrovato all'interno di una cellula vivente, come se fosse un microuniverso». Concludono: «L'universo può essere rappresentato da una cellula».

Così vero che nel 2012, esce su Nature un lavoro intitolato "Network Cosmology" (http://www.nature.com/articles/srep00793). Qui Dmitri Krioukov dell'Università della California dimostra le sorprendenti somiglianze tra le reti neuronali del cervello e i collegamenti tra le galassie. Utilizzando le equazioni della Relatività di Einstein, che descrivono come la materia deforma il tessuto dello spazio-tempo, i fisici possono ripercorrere a ritroso lo sviluppo dell’Universo, all’epoca del Big Bang, così da poter osservare come si sia espanso il cosmo da allora fino ad oggi. Krioukov si è chiesto se l’osservazione accelerata dello sviluppo dell’Universo potesse aiutare ad approfondire la comprensione delle dinamiche che guidano le reti sociali e i circuiti cerebrali. Il team di ricercatori guidato da Krioukov ha creato una simulazione su computer che divide l'universo in piccole unità subatomiche di spazio-tempo. La simulazione riproduce lo sviluppo storico dell'universo aggiungendo nuove unità spazio-temporali e unendo questi quanti-frammenti in un una rete di relazioni causale. Una volta avviata la simulazione, il suo sviluppo ha aggiunto sempre più spazio-tempo alla storia dell’Universo, così come la "connessione di rete" tra la materia che componeva le galassie. Quando il team ha confrontato la storia dell’Universo con il modello di crescita dei circuiti cerebrali, si è reso conto che le interazioni della materia che compone le galassie sono simili alle interazioni che regolano le reti neurali del cervello umano. Osservate voi stessi. L'immagine a sinistra mostra i collegamenti neuronali delle cellule del cervello; l'immagine a destra, simulata dal Millennium Simulation, mostra la distribuzione della materia oscura nell'universo: esiste una similarità strutturale in termini di connessioni e distribuzione della materia tra il cervello e l'universo. La fotografia a sinistra è un'immagine microscopica, quella sulla destra è un'immagine macroscopica. Il cervello è un microcosmo sviluppatosi in un macrocosmo. Krioukov conclude che «Dobbiamo prendere atto che esiste una legge che governa lo sviluppo sia dei più piccoli sistemi, come le cellule cerebrali, sia dei più grandi sistemi come le galassie».

Un altro dato rafforza la similitudine strutturale tra cervello e Universo: il numero delle cellule nervose che compone il nostro cervello è circa lo stesso del numero delle stelle presenti nell’Universo (miliardi di miliardi). Verrebbe da chiedersi se entrambi non siano frutto di una stessa mano. A tal proposito … lasciatevi trasportare dai mirabili versi di Emily Dickinson (poesia 632, 1862):

 

Il Cervello è più esteso del Cielo

Perché mettili fianco a fianco

L’uno l’altro conterrà

Con facilità e Tu accanto

Il Cervello è più profondo del mare

Perché tienili Azzurro contro Azzurro

L’uno l’altro assorbirà

Come le Spugne i Secchi assorbono

Il Cervello ha giusto il peso di Dio

Perché Soppesali Libbra per Libbra

Ed essi differiranno se differiranno

Come la Sillaba dal Suono

 

Emily Dickinson identifica la grandiosità della visione della mente con l’attività del cervello, ricorda al lettore che la sede del pensiero e dell’esperienza umana risiede in un organo, è tangibile, è reale. Lo lascia quindi con un’enigmatica strofa finale: è Dio che ha creato il cervello? è il cervello che ha pensato Dio? Non importa. Emily  aveva già intuito ciò che noi solo oggi stiamo iniziando a comprendere: “The Brain is wider than the Sky”.

S.P.


The sky and the brain. A comparison of two universes.

There are surprising similarities between human functional neural networks and the connections between galaxies. Not only the connections in the brain reflected the structural rules of the Universe, also the number of neurons that make up our brains is about that of the stars. The brain is really a microcosm developed in a macrocosm.