RICERCA ITALIANA     

Basi cognitive e neurali dell'attenzione visiva

Università degli Studi di Verona

Abstract

Il presente programma e' indirizzato allo studio di vari aspetti dell'attenzione visiva ed intermodale. Un primo aspetto riguarda il livello cognitivo e neurale a cui si attuano le influenze attenzionali di tipo esogeno ed endogeno e la possibilita' di un effetto dell'attenzione sulla percezione subliminare. Questa parte del programma verra' attuata tramite studi che impiegano tecniche diverse, sia comportamentali, come il tempo di reazione e la "response force", che elettrofisiologiche, come i potenziali evento-correlati, che neuro-metaboliche, come la risonanza magnetica funzionale. Un secondo aspetto riguarda le interazioni intermodali visuo-uditive ed il loro contributo alla rappresentazione dello spazio sensoriale. In particolare verranno studiate le caratteristiche spazio-temporali degli stimoli visivi ed uditivi che permettono, grazie all'interazione intermodale, un miglioramento della prestazione percettiva di pazienti con emianopsia od eminegligenza. Questo filone di ricerca impieghera' studi comportamentali e di risonanza magnetica sia strutturale che funzionale e soggetti sia normali che cerebrolesi. Infine,un terzo aspetto del progetto nazionale riguardera' i meccanismi cognitivi di azione degli indizi attenzionali simbolici sia spaziali che non-spaziali. Lo studio con soggetti normali sara' complementato da esperimenti di simulazione degli effetti attenzionali degli indizi con reti neurali biologicamente plausibili. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Carlo Alberto MARZI Università degli Studi di VERONA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo del nostro progetto e' quello di studiare vari aspetti dei meccanismi cognitivi e neurali dell'attenzione e della rappresentazione mentale dello spazio. Una caratteristica preminente del nostro obiettivo e' l'uso di tecniche interdisciplinari che vanno da quelle classiche della psicologia sperimentale come il tempo di reazione (TR), alla "response force" (RF), ai potenziali evento-correlati (ERP), alla risonanza magnetica funzionale (fMRI) ad, infine, la simulazione computazionale. Ci avvarremo per i nostri studi sia di soggetti umani normali che di pazienti con lesioni selettive in specifiche strutture cerebrali. Lo studio di pazienti comporta anche la possibilita' che le nostre ricerche possano avere una ricaduta in termini di possibili nuove procedure di riabilitazione neurocognitiva.
I principali quesiti a cui noi intendiamo rispondere riguardano il livello neurale e cognitivo a cui si esercitano gli effetti della attenzione spaziale, la distinzione fra orientamento esogeno ed endogeno dell'attenzione e la possibilita' di meccanismi impliciti di orientamento dell' attenzione visiva spaziale. Un altro obiettivo sara' quello di studiare i meccanismi neuro-cognitivi della interazione fra la modalita' visiva ed uditiva. In particolare cercheremo di accertare quali sono i processi neurali che permettono d'influenzare le abilita' percettive in una modalita' da parte dell'altra modalita'. Cio' ha anche un chiaro sbocco riabilitativo; il progetto infatti si propone di studiare l'effetto sui disturbi visuo-spaziali di stimoli uditivi presentati con sinergia spaziale e temporale rispetto a quelli visivi ed anche di saggiare l'influenza degli stimoli visivi sulla percezione uditiva. Infine un ultimo obiettivo e' quello di studiare i meccanismi cognitivi alla base di indizi attenzionali ("cues") con diverse caratteristiche spaziali e non-spaziali. I dati sperimentali saranno arricchiti da modelli di reti neurali atte a simulare le caratteristiche dell'orientamento dell'attenzione indotto da vari tipi di cues. <<<

Risultati parziali attesi

Per quanto riguarda la distinzione fra attenzione esogena ed endogena, i risultati previsti sono di trovare un correlato elettrofisiologico del vantaggio in termini di TR fra presentazione bloccata e randomizzata degli stimoli visivi. Se la differenza fra i due tipi di orientamento attenzionale avviene a livello precoce nel corso dell'elaborazione dell'informazione visiva ci dovremmo attendere un effetto sulla componente P1 (e forse N1) della risposta ERP. Parallelamente, negli studi fMRI potremmo trovare un correlato non solo nelle aree fronto-parietali ventrali descritte da Corbetta & Shulman (2002) ma anche a livello di aree visive extrastriate. Infine, lo studio della RF potrebbe rivelare o meno la presenza di una componente motoria nell'orientamento endogeno. Cio' indicherebbe che l'effetto dell'attenzione avviene a vari livelli nel processo di elaborazione dell'informazione. Il chiarire le basi neurali degli effetti attenzionali puo' aprire nuove prospettive per i programmi di riabilitazione di disturbi come la sindrome del neglect.
Per quanto concerne lo studio dei fenomeni attenzionali impliciti, i risultati che ci attendiamo riguardano l'ipotesi che i collicoli superiori giochino un ruolo importante nella percezione subliminare di stimoli visivi. La verifica di tale ipotesi sara' resa possibile dai risultati di studi, sia puramente comportamentali che con ERP, eseguiti con stimoli cromatici invisibili ai collicoli superiori. Se la nostra ipotesi e' corretta con tali stimoli (di colore porpora) non si dovrebbero osservare fenomeni di percezione subliminare.

I risultati attesi nelle ricerche sull'attenzione intermodale riguardano in parte l'esito del trattamento riabilitativo con stimolazione bimodale visuo-acustica in pazienti con disturbi centrali della percezione visiva. In particolare ci si attende che sia altamente efficace la sincronia e l'allineamento degli stimoli nelle due modalita'. Un altro importante aspetto e' quello della verifica della sede e della grandezza delle lesioni (valutate con la risonanza magnetica) delle aree corticali polisensoriali in relazione al deficit intermodale valutato sulla base dell'effetto di ventriloquismo. Ci si aspetta una correlazione inversa fra l'intensita' dell' effetto ventriloquismo e la grandezza della lesione. Inoltre, usando stimoli invisibili ai collicoli superiori (vedi sopra) ci si attende che nei pazienti con emianopsia l'effetto riabilitativo della stimolazione bimodale sia minore rispetto a quando vengono usati stimoli contenenti tutte le lunghezza d'onda (bianchi) e cio' indicherebbe i collicoli come una struttura importante per le interazioni intermodali.

Per quanto riguarda l'effetto degli indizi simbolici spaziali sull'orientamento attenzionale i risultati attesi riguardano il paragone diretto fra i meccanismi d'azione dei vari indizi sia nei soggetti normali che nei pazienti cerebrolesi. Cio' permettera' di chiarire importanti aspetti dell'orientamento esogeno ed endogeno dell'attenzione. Inoltre, dagli esperimenti di simulazione con reti biologicamente plausibili ci attendiamo importanti chiarimenti sui meccanismi neuro-cognitivi alla base delle differenze fra attenzione esogena ed endogena. Infine, l'uso del redundant target effect con quantita' crescenti di items ci permettera' di verificare la possibilita' che i meccanismi di valutazione dei numeri siano fondamentalmente diversi quando si passa dal "subitizing" (intorno ai quattro items) a numeri superiori. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il progetto riguarda l'attenzione nei suoi meccanismi cognitivi e neurali ed e' articolato su tre aspetti principali: la distinzione fra meccanismi di orientamento esogeno ed endogeno, la presenza di processi attenzionali nella percezione subliminare, i fenomeni intermodali, il meccanismo d'azione d'indizi simbolici centrali sull'orientamento dell'attenzione.
Per quanto riguarda il primo aspetto, la differenza fra orientamento esogeno ed endogeno dell'attenzione visiva e' stata studiata classicamente con il paradigma di Posner (vedi Posner et al., 1984) mediante l'uso d'indizi periferici o centrali, rispettivamente. I primi sono capaci di determinare un orientamento automatico mentre i secondi determinano un orientamento controllato dell'attenzione. Questi due tipi di meccanismi differiscono per numerose caratteristiche. Ad esempio, gli indizi periferici, come un breve segnale luminoso che compare alla periferia del campo visivo, producono una facilitazione nella posizione segnalata piu' rapidamente rispetto agli indizi cognitivi (Mueller e Rabbitt, 1989). Inoltre, alla facilitazione segue una prolungata inibizione, la cosiddetta "inibizione di ritorno" (vedi Klein, 2000 per una rassegna). Tutto cio' non avviene nell'orientamento endogeno. Si e' a lungo ritenuto che solo l'indizio sensoriale periferico sia in grado di determinare un orientamento puramente automatico dell'attenzione. Questa possibilita' e' stata messa in discussione da studi recenti che hanno mostrato un orientamento esogeno con indizi "sociali" presentati centralmente, come la direzione dello sguardo (Driver et al., 1999; Friesen & Kingston, 1998). Altri studi hanno indicato che l'orientamento esogeno puo' essere ottenuto anche con simboli direzionali utilizzati nella comunicazione, come frecce, parole con significato direzionale od, addirittura, numeri (Fisher et al. 2003; Hommel et al., 2001; Tipples, 2002). E' probabile che questi tre tipi d'indizi debbano essere trasformati in un codice spaziale prima che possa essere creato uno spostamento attenzionale. L'analisi dei processi attenzionali creati da questi diversi tipi d'indizi, anche in riferimento all'effetti degli indizi periferici, puo' aiutare a gettare luce sulle differenze fra i due tipi di orientamento attenzionale. Per quanto riguarda piu' strettamente le basi neurali della distinzione fra processi automatici e controllati un approccio ulteriore e' quello di evitare del tutto l'uso d'indizi e di variare invece la probabilita' di occorrenza dello stimolo in un determinato punto del campo visivo. Studiando il tempo di reazione (TR) per brevi stimoli luminosi presentati lungo il meridiano orizzontale del campo visivo si e' visto che la velocita' di risposta ad uno stimolo presentato in una posizione fissa e' piu' rapida rispetto ad uno presentato in posizione variabile (Marzi et al., 2002). Cio' e' spiegabile dal fatto che la conoscenza della sede di presentazione di uno stimolo permette un processo "top-down" di focalizzazione attenzionale su quel punto. Al contrario l'incertezza sulla sede di comparsa dello stimolo non permette l'orientamento endogeno e quindi lo stimolo viene rilevato soltanto dopo un orientamento automatico. Le basi neurali di questo vantaggio dell'orientamento endogeno verranno studiate tramite i potenziali evento-correlati ("event-related potentials" -ERP) sia in soggetti normali che in pazienti con la sindrome di eminegligenza da lesioni temporo-parietali destre (vedi Vallar et al, 2003, per una rassegna). Inoltre, soggetti normali verranno studiati con la risonanza magnetica funzionale ("functional magnetic resonance imaging" -fMRI) allo scopo di paragonare le strutture neurali coinvolte nei due tipi di orientamento attenzionale. In particolare si cerchera' di verificare l'ipotesi di Corbetta e Shulman (2002) che prevede l'esistenza di due sistemi fronto-parietali selettivamente coinvolti nell'orientamento automatico o controllato, uno ventrale e l'altro dorsale, rispettivamente.
L'importanza di fenomeni impliciti per la percezione e' stata documentata da numerosi studi di percezione subliminare sia in soggetti normali che con lesioni cerebrali (Driver & Vuillemier, 2001; Marzi et al., 2003). Usando un compito che richiede attenzione divisa, il "redundant target effect" (RTE) in ricerche precedenti abbiamo trovato che stimoli non percepiti potevano sommarsi con stimoli percepiti e dare un effetto di aumento della velocita' dei TR. Il compito consiste nel paragonare il TR semplice per il rilevamento di stimoli singoli o in coppia. Invariabilmente il TR e' piu' veloce per le coppie di stimoli, il cosiddetto effetto di ridondanza. Questo e' stato dimostrato sia in pazienti con emianopsia (Corbetta et al., 1990; Marzi et al., 1986; Tomaiuolo et al., 1997) che in pazienti con eminegligenza (Marzi et al., 1996) quando uno stimolo di una coppia veniva presentato all'emicampo deficitario e quindi non veniva percepito. Un simile fenomeno di sommazione implicita e' stato trovato anche in soggetti normali quando uno stimolo facente parte di una coppia veniva diminuito d'intensita' fino sotto alla soglia di rilevamento (Savazzi & Marzi, 2002). Nel presente progetto cercheremo di accertare le basi neurali di questi fenomeni mediante lo studio degli ERP e con particolari accorgimenti psicofisici quale quello di usare stimoli di lunghezza d'onda breve che sappiamo non attivare i collicoli superiori (CS) (Sumner et al., 2002). Cio' ci permettera' di verificare l'ipotesi che questi fenomeni impliciti siano mediati da strutture sottocorticali come i CS.
Un altro aspetto del presente progetto riguarda l'attenzione intermodale ed in particolare i meccanismi neuronali grazie a cui la percezione di uno stimolo in una modalità, ad esempio visiva, viene influenzata dall'informazione ricevuta nell'altra modalità, ad esempio uditiva, e viceversa (vedi ad esempio, Lewald & Guski, 2003). E' stato dimostrato da numerosi studi che la sinergia spaziale tra la rappresentazione uditiva e quella visiva è molto importante sia nei processi percettivi normali che in termini di strategie riabilitative di processi patologici (Pavani et al., 2001, 2002). Contrariamente alla concezione di un'unica mappa spaziale astratta, è stata ipotizzata l'esistenza di una rete distribuita ed interconnessa di rappresentazioni spaziali ciascuna preposta ad una funzione specifica che si avvale della modulazione attenzionale in diverse modalità sensoriali (vedi Stein, 1992). In queste mappe, le posizioni spaziali codificate secondo diversi sistemi di coordinate e modalità interagiscono tra loro al fine di produrre una percezione multisensoriale integrata dello spazio. Tuttavia, affinché il sistema cognitivo tragga beneficio dalla modulazione attenzionale intermodale, queste rappresentazioni devono essere intatte e, soprattutto, rimanere allineate. Quando l'allineamento si perde, una sola rappresentazione spaziale tende a prendere il sopravvento ed il comportamento spaziale diviene anormale. Gli effetti di un disallineamento fra le rappresentazioni spaziali sono stati ampiamente descritti in letteratura per quanto riguarda la modalità visiva ed acustica, ed in particolare è stata dimostrata la dominanza della rappresentazione spaziale visiva sulla rappresentazione spaziale acustica, ritenuta da un punto di vista spaziale poco accurata e dunque "debole". Pertanto, quando le informazioni visive ed acustiche sono in conflitto, lo stimolo acustico viene illusoriamente percepito nella posizione dove è comparso lo stimolo visivo ("effetto di ventriloquismo"; vedi Bertelson & Aschersleben, 1998). Questo effetto è influenzato dalla relazione spazio-temporale tra i due stimoli e più precisamente si riduce quando aumenta la distanza spaziale e/o l'intervallo temporale tra lo stimolo acustico e lo stimolo visivo. Inoltre,l'effetto del ventriloquismo è maggiore quando gli stimoli acustici sono difficilmente localizzabili rispetto a quando sono localizzabili con facilità. Queste caratteristiche del ventriloquismo sono simili ai fattori che determinano l'integrazione multimodale a livello neuronale negli animali, in particolare a livello collicolare (Stein & Meredith, 1993). Lo studio delle basi neurali dei fenomeni inter-modali ha evidenziato che la capacità dei neuroni del CS d' integrare le informazioni di diverse modalità sensoriali dipende dall'attività di alcune aree corticali. In particolare, il possibile ruolo della corteccia nell'integrazione multisensoriale è stata recentemente dimostrato negli animali e nell'uomo, utilizzando, in quest'ultimo, la risonanza magnetica funzionale (fRMI) e tecniche elettrofisiologiche (ad esempio, Calvert et al., 2000). Questi studi hanno dimostrato un coinvolgimento nell'integrazione visuo-acustica sia di aree corticali polisensoriali che di aree modalità specifiche come la corteccia visiva e la corteccia uditiva. Nel presente progetto verra' indagata la possibilita' che l'integrazione intermodale audio-visiva migliori le capacita' percettive sia di soggetti cerebrolesi con deficit specifici visivi che di quelli condeficit uditivi. Si cerchera' anche tramite la fMRI d'indagare le basi neurali degli effetti riabilitativi dell'integrazione intermodale. <<<