RICERCA ITALIANA     

Dal concetto alla parola scritta: I correlati neurali dell'informazione semantica e dei processi di scrittura

Università Cattolica del Sacro Cuore

Abstract

Il programma si propone di studiare le correlazioni anatomiche delle conoscenze semantiche e della scrittura di parole. Esso si focalizza su processi e rappresentazioni compresi fra l'attivazione dell'informazione concettuale sulla parola e la sua realizzazione scritta. Per raggiungere i propri obiettivi prevede analisi di soggetti afasici (studi lesionali mediante MRI), studi di attivazione su soggetti cognitivamente integri impegnati in compiti linguistici, sia in condizioni di base (studi di neuroimmagine mediante fMRI) che durante l'eccitazione/inibizione di strutture corticali selezionate in base alle ricerche MRI e fMRI (studi di rTMS).
Le ricerche centrate sulla componente semantica avranno come oggetto le basi neuroanatomiche delle dissociazioni categoriali. Si analizzerà in particolare il ruolo delle diverse porzioni della corteccia occipitotemporale inferomesiale nella rappresentazione semantica delle categorie biologiche, ed il ruolo relativo delle cortecce frontali e temporali nella rappresentazione e nell'elaborazione delle conoscenze semantiche categoriali e di informazione non categoriale.
Le ricerche sull'anatomia della scrittura avranno come oggetto il substrato neurale delle componenti "centrali" della scrittura: il lessico ortografico ed i meccanismi di conversione fonema-grafema. Uno sforzo particolare sarà dedicato all'identificazione dei correlati neurali della memoria ortografica a breve termine (il buffer grafemico) – cioè dei meccanismi coinvolti nella codificazione e nella memorizzazione delle lettere della parola che il soggetto deve scrivere.
Dato che tutte le correlazioni anatomocliniche saranno analizzate in base ad evidenze convergenti (soggetti afasici e controlli; studi MRI, fMRI, rTMS), l'approccio prescelto permetterà di superare le limitazioni di molti degli attuali studi di correlazione, basati solo su dati lesionali o solo su dati di neuroimmagine. Queste informazioni permetteranno di sviluppare modelli anatomici più affidabili, che sono il prerequisito indispensabile per la diagnosi corretta, la prognosi e il trattamento dei disturbi linguistici e cognitivi – una sequela frequentissima, anche se poco nota, di lesioni degli emisferi cerebrali. A tale riguardo, uno degli studi sui soggetti afasici (stimolazione rTMS ripetuta delle strutture identificate in base a dati MRI e fMRI) valuterà la possibilità di usare la rTMS nel facilitare il recupero dei disturbi semantici. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Gabriele MICELI Università Cattolica del Sacro Cuore

Obiettivo del Programma di Ricerca

INTRODUZIONE
I disturbi cognitivi causati da patologie dell'encefalo sono una causa frequentissima di disabilità (nel mondo industrializzato, le conseguenze dell'ictus da sole sono la prima causa di disabilità permanente). Per quel che riguarda l'afasia, oltre un terzo dei soggetti con ictus presenta disturbi del linguaggio in fase acuta, e di questi oltre il 40% è ancora afasico dopo 18 mesi. Si stima che in questo momento vi siano in Italia circa 150.000 persone con afasia post-ictale, cui vanno aggiunte quelle che presentano afasia dopo traumi cranici, encefaliti, tumori, ecc. La possibilità di migliorare le condizioni di queste persone dipende nella fase acuta dalla scelta della terapia medica o chirurgica adeguata, ma nella fase subacuta e cronica da un'efficace riabilitazione dei deficit linguistici e cognitivi.
Per essere scientificamente valido, l'intervento riabilitativo presuppone la conoscenza dei rapporti tra la funzione colpita ed il susbtrato anatomico interessato dalla lesione. (Per fare un esempio ovvio, il neurologo che voglia fare una prognosi affidabile in un caso di dislessia deve sapere se la lesione ha distrutto completamente il substrato coinvolto nella lettura o se invece ne ha risparmiato alcune porzioni, su cui puntare per il recupero.) E' proprio sui rapporti fra linguaggio e cervello che il presente progetto si focalizza.
Gli studi di correlazione anatomica dei processi linguistici sono stati a lungo limitati da carenze teoriche e tecniche. Da un lato, non c'erano ipotesi convincenti sull'organizzazione funzionale di questi processi; dall'altro, l'unico modo di affrontare il problema consisteva nel correlare direttamente un disturbo del linguaggio ad una lesione cerebrale. Questo metodo è inaffidabile: come sottolineato già da Wernicke e da Luria, per comprendere il rapporto fra mente e cervello non si può correlare direttamente una patologia ad una lesione, ma si deve mettere in relazione una funzione linguistica/cognitiva ed un substrato neurale integro. Nel momento attuale, il progresso di scienze e neuroscienze cognitive e lo sviluppo di metodiche di correlazione anatomica non invasive permettono di superare questi limiti, ed aprono nuove prospettive agli studi sui rapporti mente-cervello.

OBIETTIVI SPECIFICI
Il progetto intende sviluppare teorie anatomiche dettagliate dei processi cognitivi e linguistici coinvolti nell'elaborazione semantica e nella scrittura.
1) Nell'ambito della semantica si affronteranno problemi legati alla rappresentazione ed al processamento dell'informazione.
A. Rappresentazione dell'informazione semantica sulle categorie biologiche. Il ruolo delle strutture occipitotemporali inferomesiali nella rappresentazione delle categorie biologiche è stato spesso sottolineato nella letteratura, ma non è ancora chiaro quali aspetti delle rappresentazioni concettuali e quali strutture siano coinvolti. L'Unità II, in collaborazione con l'Unità I, valuterà (MRI) quali porzioni delle regioni occipitotemporali inferomesiali siano interessate, e se esse rappresentino specifiche categorie (esseri viventi, vegetali, ecc.) o piuttosto specifiche proprietà semantiche sensoriali (ad es., colore o forma degli oggetti).
B. Processamento dell'informazione semantica. La doppia dissociabilità delle categorie semantiche dipende dal contenuto dell'informazione (proprietà sensoriali piuttosto che funzionali; esseri viventi piuttosto che oggetti inanimati). Tuttavia, lavori recenti documentano l'importanza di altre dimensioni non categoriali – distanza fra concetti, frequenza d'uso, familiarità, età di acquisizione. I modi in cui la distanza semantica fra concetti è in grado di modulare a livello neurale (lobi frontali e temporali) l'elaborazione di informazione semantica categoriale saranno studiati dalle Unità III e IV (MRI, fMRI) e dall'Unità II (MRI).
C. Distinzione fra rappresentazione e processamento di informazione semantica. Gli studi neuropsicologici sulla semantica sottolineano il ruolo del lobo temporale, mentre quelli di neuroimmagine coinvolgono anche le strutture frontali. L'Unità III e membri dell'Unità IV cercheranno di stabilire (rTMS) se il lobo temporale sia critico soprattutto per la rappresentazione dell'informazione semantica e il lobo frontale soprattutto per i meccanismi necessari alla sua elaborazione.
2) Nell'ambito degli studi sulla scrittura, le Unità I e III, e membri dell'Unità IV studieranno (MRI, fMRI, rTMS) le correlazioni neurali delle conoscenze ortografiche lessicali e sublessicali, e dei processi che codificano ed elaborano le sequenze di grafemi nella produzione scritta.

OBIETTIVO GENERALE
Uno dei limiti delle ricerche sui rapporti mente-cervello è che le proposte sul substrato neurale delle funzioni cognitive si basano spesso su dati "parziali". Le ipotesi derivate dalle correlazioni lesione-disturbo osservate in soggetti afasici sono spesso fondate su diagnosi accurate e su un uso appropriato delle teorie cognitive correnti, ma si basano su lesioni molto estese e non danno informazioni sugli eventuali effetti a distanza della lesione. Le ipotesi basate sulle attivazioni osservate in esperimenti fMRI riescono a svelare sia effetti "locali" che effetti a distanza, e mostrano di solito focolai multipli di attivazione. Tuttavia, oltre alle regioni che potrebbero realisticamente costituire la rete neurale coinvolta nel compito, di solito questi studi documentano attivazioni anche in aree il cui ruolo nel compito esaminato è assai dubbio. Inoltre i limiti tecnici, ancora significativi nonostante i grandi progressi recenti, non sempre permettono di disegnare esperimenti che rispettino i presupposti delle teorie funzionali.
Il progetto tenta di superare i limiti delle singole metodiche, usando un approccio composito allo studio delle correlazioni neurali dell'informazione semantica e dei processi di scrittura, che prevede investigazioni su soggetti afasici (studi lesionali MRI) e su soggetti normali, sia in condizioni di base (studi fMRI), sia nel corso di "lesioni" temporanee di aree cerebrali selettive (studi rTMS). Per ciascuna componente in esame, si otterranno evidenze localizzatorie dallo studio di afasici con un danno selettivo di quella componente. Le lesioni saranno ricostruite in dettaglio in base alla MRI, e si identificheranno le aree di maggior sovrapposizione. In parallelo, si condurranno esperimenti fMRI che richiedono l'intervento delle medesime componenti cognitive. I dati MRI e fMRI così raccolti permetteranno di verificare se studi lesionali e di attivazione convergono sulle stesse strutture, e di ipotizzare quali regioni cerebrali costituiscano il substrato neurale più probabile per la componente in esame. L'ulteriore verifica dell'ipotesi localizzatoria verrà da esperimenti rTMS, che permetteranno di alterare transitoriamente il funzionamento proprio delle regioni cerebrali che, in base agli studi MRI negli afasici e fMRI nei controlli, saranno risultate coinvolte nel compito in esame. La convergenza (o la divergenza) di informazioni raccolte con queste tre metodiche diverse ma complementari permetterà di sostenere o di rifiutare in modo motivato il coinvolgimento di una struttura cerebrale nel processo studiato.

POSSIBILI SVILUPPI
Il miglioramento delle conoscenze sull'organizzazione funzionale e neurale dei processi cognitivi, ottenuto mediante studi lesionali, di neuroimmagine e di neurostimolazione, apre prospettive interessanti anche nel campo della riabilitazione dei disturbi cognitivi. Una possibile applicazione di queste nuove conoscenze è esemplificata da uno studio dell'Unità III, che prevede la stimolazione prolungata mediante rTMS delle aree identificate grazie agli studi MRI e fMRI, nel tentativo di favorire il recupero dei disturbi semantici nell'afasia. Se avrà successo, la metodica aprirà nuove prospettive alla logopedia. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'ORGANIZZAZIONE DEL SISTEMA SEMANTICO: LE DISSOCIAZIONI CATEGORIALI
Lo studio di soggetti afasici ha dimostrato che disturbi semantici possono colpire selettivamente le conoscenze relative ad una categoria. Gli studi di Warrington e Shallice1-3 hanno dimostrato la dissociabilità di esseri viventi e oggetti inanimati, e successivi lavori4-5 hanno dimostrato che la categoria degli esseri viventi può essere ulteriormente frazionata, distinguendo animali6, esseri viventi inanimati7 ed esemplari della stessa specie8. Sono ormai oltre 130 i casi di disturbi semantici categoriali e, pur coi limiti derivanti dalla difficoltà di combinare casi studiati con metodiche localizzatorie e sperimentali diverse, c'è un buon consenso sull'ipotesi che il lobo temporale sinistro sia critico per la rappresentazione dell'informazione semantica sugli esseri viventi4-5.

I CORRELATI ANATOMICI DELLA RAPPRESENTAZIONE SEMANTICA DEGLI ESSERI VIVENTI
Molti casi con disturbo selettivo per gli esseri viventi presentano i postumi di un'encefalite erpetica, con lesioni temporali (soprattutto sinistre, occasionalmente destre, non raramente bilaterali) molto estese, che non permettono correlazioni dettagliate. Ipotesi più precise sono state suggerite da studi fMRI, che hanno dimostrato attivazioni nelle porzioni laterali del giro fusiforme per gli esseri viventi, e in quelle mediali per gli oggetti inanimati9-10. Queste ipotesi però, pur interessanti, non sono corroborate dalle osservazioni cliniche: alcuni soggetti con estese lesioni temporali inferomesiali che distruggono per intero il giro fusiforme, e che quindi non dovrebbero causare disturbi semantici categoriali, presentano invece disturbi selettivi per gli esseri viventi.
Vi è incertezza anche sulla natura delle informazioni rappresentate nelle strutture occipitotemporali inferomesiali. In alcuni casi la lesione si associa a deficit per una specifica informazione concettuale, ma senza dissociazioni categoriali11, in altri provoca disturbi categoriali selettivi in assenza di danni specifici di proprietà semantiche12. Resta quindi da stabilire se queste strutture rappresentino informazione categoriale o piuttosto specifiche proprietà semantiche.
Per affrontare questi problemi dalla prospettiva della neurologia cognitiva bisogna esaminare soggetti con lesioni limitate alle aree occipitotemporali inferomesiali (senza coinvolgimento di quelle laterali, come nell'encefalite erpetica). L'analisi di soggetti con lesioni nel territorio dell'arteria cerebrale posteriore consentirà ipotesi più precise sulla natura dell'informazione rappresentata nelle strutture occipitotemporali inferomesiali, e sul ruolo specifico svolto dalle diverse porzioni di questa regione.

IL RUOLO DI DIMENSIONI NON CATEGORIALI NELLA GENESI DEI DEFICIT SEMANTICI CATEGORIALI
Molti lavori hanno sostenuto che i disturbi semantici categoriali dipendono dal fatto che diverse categorie sono rappresentate in substrati neurali distinti. Revisioni critiche della letteratura hanno però suggerito la possibilità che le dissociazioni osservate dipendano non dalla natura categoriale dell'informazione, ma da dimensioni non categoriali dello stimolo, come la familiarità, l'età di acquisizione, l'immaginabilità, la distanza concettuale, ecc. Alcuni autori hanno quindi proposto che i disturbi semantici selettivi dipendono in realtà solo dalla scelta poco bilanciata degli stimoli nelle categorie prescelte13, o hanno reinterpretato le dissociazioni categoriali, sostenendo che sono le dimensioni non categoriali a condizionare selettivamente l'elaborazione neurale dell'informazione categoriale che, contrariamente all'ipotesi prevalente, sarebbe rappresentata in modo diffuso nel cervello14.
La possibilità che fattori non categoriali (fattori di disturbo, "nuisance factors") siano l'unica causa delle dissociazioni semantiche documentate in letteratura è stata esclusa. Se uno di questi fattori (o un insieme di essi) fosse l'unica causa dei disturbi selettivi per una categoria semantica, non si dovrebbero trovare soggetti afasici con un risparmio selettivo della stessa categoria. Ad esempio, se un danno selettivo per gli animali dipendesse solo dall'età di acquisizione, non dovrebbero esistere soggetti con un risparmio selettivo degli animali. In contrasto con questa previsione, sono stati descritti soggetti che, pur avendo completato le medesime prove, hanno dissociazioni categoriali speculari (p.es.,15).
L'ipotesi che i fattori di disturbo siano gli unici responsabili delle dissociazioni categoriali, pur abbandonata, è servita a sottolineare che lo studio della semantica non avviene in un "vuoto" cognitivo. L'esplorazione sperimentale può avvenire solo nel contesto di specifiche prove, che richiedono conoscenze concettuali, ma presuppongono anche il normale funzionamento dei meccanismi che accedono ad esse, le attivano e le mantengono attive fino al raggiungimento della soglia critica. E' proprio il funzionamento di questi meccanismi che può essere facilitato o ostacolato da dimensioni non categoriali dello stimolo. E' quindi importante capire in che modo i fattori di disturbo possano modulare il processamento neurale dell'informazione semantica. A questo argomento sono stati dedicati negli ultimi anni lavori su soggetti afasici e lavori di neuroimmagine16-19.
Un parametro non categoriale ancora poco studiato è la distanza semantica fra esemplari all'interno della stessa categoria. Lavori su soggetti normali20-21 hanno dimostrato che la distanza concettuale fra gli esemplari della categoria "esseri viventi" è mediamente minore di quella fra gli esemplari della categoria "oggetti inanimati". Questa differenza permette analisi interessanti dell'organizzazione semantica. Sul piano funzionale, permette di studiare quanto e come la distanza concettuale e l'appartenenza categoriale influenzano l'elaborazione semantica in condizioni normali e patologiche. Nel caso delle correlazioni anatomiche, lo studio di soggetti afasici (MRI) e di controllo (fMRI e rTMS) permette di identificare i substrati coinvolti nell'elaborazione di concetti diversamente distanti fra loro all'interno della stessa categoria semantica, e di concetti ugualmente distanti fra loro ma appartenenti a categorie diverse.

RAPPRESENTAZIONE E PROCESSAMENTO DELL'INFORMAZIONE SEMANTICA
Gli studi di neurologia e neuropsicologia cognitiva hanno segnalato l'importanza del lobo temporale nella rappresentazione delle conoscenze semantiche. Tuttavia, queste analisi si basano su correlazioni fra prestazioni afasiche e dati morfologici sulla lesione (MRI), e non possono distinguere le aree che rappresentano le conoscenze concettuali da quelle che le processano. I limiti degli studi lesionali sono divenuti chiari quando le ricerche di neuroimmagine (fMRI) hanno permesso di studiare le attivazioni determinate da compiti semantici con metodiche funzionali.
I lavori di neuroimmagine hanno dimostrato che durante compiti semantici si attivano sia le regioni temporali (come osservato anche negli studi sull'afasia), sia strutture che negli studi lesionali non sembrano rilevanti. Un esempio tipico è costituito dai lobi frontali, il cui coinvolgimento è occasionale negli studi lesionali ma sistematico in quelli di neuroimmagine10,22.
Le interpretazioni delle attivazioni frontali sono ancora incerte. E' possibile che i lobi frontali rappresentino l'informazione concettuale su verbi ed oggetti manipolabili23, mentre i lobi temporali rappresentano quella sugli esseri viventi4-5. In questo momento, però, l'opinione prevalente è che il ruolo dei lobi frontali in compiti semantici consista nel mediare l'accesso all'informazione semantica, il mantenimento del processo di elaborazione e la selezione dell'informazione corretta fra rappresentazioni simili, in competizione con essa22,24. Se si accetta questo punto di vista, si potrebbe ipotizzare che i lobi temporale e frontale siano coinvolti in due aspetti distinti della semantica – la rappresentazione dell'informazione concettuale ed il suo processamento, rispettivamente. Lo studio di soggetti normali in corso di "lesioni" transitorie circoscritte a strutture frontali o temporali (rTMS) può verificare l'ipotesi, e distinguere le strutture cerebrali coinvolte nella rappresentazione e nell'elaborazione semantica. Un'ulteriore conferma a questa ipotesi può venire da analoghe manipolazioni delle medesime strutture in soggetti afasici con lesioni frontali o temporali.

LA REALIZZAZIONE DELL'INFORMAZIONE SEMANTICA: L'ANATOMIA DELLA SCRITTURA
Nella produzione scritta, l'informazione semantica è progressivamente trasformata in una sequenza di gesti grafomotori. Le tappe di questo processo sono codificate nei modelli cognitivi correnti23. Si ritiene comunemente che l'informazione concettuale su una parola attivi le informazioni che ne codificano le proprietà lessicali. Queste, a loro volta, codificano la sequenza di grafemi corrispondente, che rimane attiva fin quando la parola è stata interamente prodotta. Se lo stimolo da produrre è una non-parola, un sistema di conversione fonema-grafema trasforma la sequenza fonologica in una sequenza di lettere, senza attivare conoscenze semantico-lessicali.
A fronte di modelli funzionali così dettagliati, i modelli anatomici della scrittura sono invece vaghi e controversi, e necessitano di ricerche approfondite. Le ipotesi attuali si basano per lo più su dati lesionali e su qualche ricerca di neuroimmagine, e sono controverse. Alcuni studi neuropsicologici26 e di neuroimmagine27-28 sul lessico ortografico convergono sul giro temporale inferiore sinistro, ma un'altra ricerca sottolinea il ruolo del giro angolare29. Sono ancora più vaghi i correlati anatomici dei meccanismi di conversione fonema-grafema: un'ipotesi ne circoscrive il substrato neurale al giro sopramarginale30 ed un'altra lo estende all'intera regione perisilviana31-32. Ulteriori studi lesionali (MRI) sulle correlazioni neurali dei meccanismi ortografici lessicali e sublessicali sono quindi opportuni.
Se le ipotesi sull'anatomia del lessico ortografico e sui meccanismi di conversione fonema-grafema sono vaghe, quelle sul buffer grafemico (la memoria che mantiene attiva la sequenza ortografica durante la scrittura) sono inesistenti. Un'analisi della letteratura suggerisce che un ruolo critico sia svolto dalle strutture fronto-parietali33, ma è molto improbabile che entrambi i lobi siano coinvolti nella loro totalità. E' indispensabile perciò identificare con precisione le aree frontali e parietali responsabili dell'elaborazione dei grafemi nel corso della scrittura. Questo progetto studierà per la prima volta in modo sistematico le basi neurali del buffer grafemico mediante studi MRI, fMRI e rTMS.
Il fatto di studiare l'anatomia della scrittura in Italiano, che è una lingua con rapporti trasparenti fra pronuncia e scrittura, permette anche di valutare se e quanto la diversità di tali rapporti fra una lingua come la nostra e l'Inglese condizioni i substrati neurali della scrittura (per analisi simili in lettura, si veda34). <<<