RICERCA ITALIANA     

Aspetti cognitivi e neurali dell'attenzione selettiva

Università degli Studi di Verona

Abstract

Il presente progetto si propone di studiare due grandi temi legati al capitolo generale dell'attenzione selettiva: i meccanismi neurali e cognitivi che mediano l'orientamento endogeno ed esogeno dell'attenzione spaziale visiva ed il ruolo dell'attenzione nell'integrazione fra le diverse modalità sensoriali. Il primo tema sarà svolto dalle Unità di Verona e di Padova mentre il secondo sarà svolto da quelle di Bologna e di Trento.
L'Unità di Verona si dedicherà in particolare ai meccanismi neurali alla base del ri-orientamento attenzionale dopo indizi invalidi in un contesto di attenzione endogena od esogena e ciò permetterà di verificare la possibilità di sedi neurali e meccanismi diversi per i due tipi di riorientamento. Lo studio si avvarrà di metodi comportamentali, elettrofisiologici, di risonanza magnetica funzionale e della stimolazione magnetica transcranica. L'Unità di Padova studierà il ruolo del Collicolo Superiore nell'orientamento attenzionale sia endogeno che esogeno in pazienti con degenerazione di questa struttura e pazienti di controllo. Inoltre, in collaborazione con l'Unità di Verona studierà in questi pazienti il "redundant target effect" un compito di attenzione divisa che si ritiene essere mediato dal Collicolo Superiore (Savazzi e Marzi, 2002, 2004). Due altri sub-progetti saranno rispettivamente quello di studiare il neglect rappresentazionale tramite la stimolazione magnetica transcranica e quello di studiare la modulazione dell'estinzione visiva in pazienti con lesione cerebrale destra sottoposti a "carico" percettivo. Infine, l'Unità di Padova svilupperà un modello computazionale dei meccanismi di orientamento endogeno ed esogeno dell'attenzione.
L'Unità di Bologna studierà i meccanismi funzionali e le relative applicazioni riabilitative dell'effetto dell'integrazione fra informazione visiva e tattile. In una prima serie di esperimenti si cercherà di accertare se l'effetto facilitante della visione di una determinata parte del corpo sulla discriminazione e rilevazione tattile della stessa parte segua le leggi della somatotopia corticale e se ci sia una modulazione, da parte dell'attenzione visiva, dei campi recettivi tattili. Una seconda serie di esperimenti cercherà di accertare se ci sia un miglioramento dei deficit sensoriali tattili durante la visione della stessa parte del corpo e se tale fenomeno possa portare a dei veri e propri programmi di riabilitazione sensoriale.
L'Unità di Trento infine si propone di studiare i meccanismi funzionali e neurali della selezione attentiva visiva in individui con sordità profonda con e senza impianto cocleare (IC) combinando metodologie comportamentali, misure elettroencefalografiche (EEG) e tecniche di risonanza magnetica funzionale ad alta-risoluzione. Verranno eseguiti vari esperimenti: L’esperimento 1 esaminerà le abilità di attenzione visiva in soggetti normoudenti ed in sordi educati all’uso del linguaggio dei segni o alla lettura delle labbra ed alla comunicazione orale. L’esperimento 2 valuterà gli effetti dell’IC sull’attenzione visiva, confrontando la prestazione di normoudenti, sordi profondi e pazienti con IC nel medesimo compito visivo. L’esperimento 3 approfondirà questo aspetto attraverso un approccio longitudinale per evidenziare il decorso temporale degli eventuali effetti dell’IC sulla attenzione visiva. Infine, l'esperimento 4 esaminerà le basi neurali dell’attenzione visiva nei normoudenti, nei sordi profondi e nei pazienti con IC utilizzando la tecnica EEG in combinazione con il paradigma comportamentale descritto precedentemente allo scopo di valutare se le eventuali differenze fra i tre gruppi riflettano fenomeni di modulazione della selezione attentiva o coinvolgano anche meccanismi post-percettivi e decisionali. Inoltre, esperimenti con la risonanza magnetica funzionale cercheranno di determinare le aree corticali coinvolte nei meccanismi attenzionali sopra menzionati. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Carlo Alberto Marzi Università degli Studi di VERONA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo generale del programma di ricerca è quello di studiare le basi cognitive e neurali dell'attenzione selettiva sia unimodale che intermodale in soggetti sani o con lesioni cerebrali o con deprivazione sensoriale. La ricerca si articolerà in due grandi temi: la distinzione fra meccanismi neuro-cognitivi alla base dell'attenzione endogena ed esogena e l'attenzione intermodale con particolare riferimento ai meccanismi di plasticità corticale. I vari studi si avvarranno di tecniche diverse e complementari: l'analisi comportamentale, sia della velocità che dell'accuratezza della risposta, i potenziali evento-correlati (ERP) che hanno un'alta risoluzione temporale, la risonanza magnetica funzionale (fMRI), che permette la determinazione con buona risoluzione spaziale delle aree cerebrali coinvolte nei processi cognitivi in esame, ed infine la stimolazione magnetica transcranica (TMS) che permette d'interferire temporaneamente e selettivamente su determinate funzioni corticali. Gli scopi che ci prefiggiamo di raggiungere non sono solo quelli di un aumento delle conoscenze sui meccanismi alla base dell'attenzione ma anche la possibilità di individuare ed approntare dei razionali metodi di riabilitazione di funzioni cerebrali compromesse. In particolare, per quanto riguarda il primo tema, si cercherà di chiarire quali sono i diversi meccanismi alla base dell'orientamento endogeno (o controllato) ed esogeno (od automatico) dell'attenzione. L'obiettivo sarà conseguito tramite lo studio ERP del meccanismo del ri-orientamento attenzionale nei due contesti endogeno ed esogeno e tramite la fMRI che ci permetterà di mettere in evidenza le aree interessate in maniera cruciale ai due fenomeni. Infine la TMS permetterà di stabilire quali sono le aree indispensabili per i due tipi di orientamento.
Verrà studiato anche il neglect come espressione di un deficit della rappresentazione mentale ed il ruolo del Collicolo Superiore nell'orientamento dell'attenzione. Verrà inoltre sviluppato un modello computazionale dei meccanismi attenzionali endogeni ed esogeni.
Per quanto riguarda il secondo grande tema un obiettivo è quello di studiare il ruolo dell'attenzione visiva nella sensibilità tattile sia in soggetti umani sani che in pazienti con deficit sensoriali tattili. Lo scopo è quello di chiarire i meccanismi dell'influenza benefica della visione sulle soglie tattili di rilevamento e di discriminazione e di approntare dei programmi razionali di neuro-riabilitazione. L'altro obiettivo è quello di studiare le conseguenze della sordità profonda e dell'eventuale impianto cocleare sui fenomeni attenzionali visivi. Anche questo progetto, oltre al chiarimento dei meccanismi d'integrazione multisensoriale, si propone lo sviluppo di programmi di neuroriabilitazione di grande significato sociale data l'alta frequenza della sordità profonda nella popolazione. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Due sono i grandi temi che verranno affrontati in questo progetto nazionale sull'attenzione selettiva: i meccanismi cognitivi e neurali dell'attenzione endogena ed esogena ed il contributo dell'attenzione alla integrazione multisensoriale. Il primo tema verrà affrontato dalle Unità locali di Verona e Padova mentre il secondo verrà affrontato dalle Unità di Bologna e Trento. I programmi di tutte e quattro le Unità comunque sono integrati nel comune interesse per i meccanismi di orientamento attenzionale ancorchè affrontati da angolature diverse.

Attenzione endogena ed esogena

Le basi neurali dell'attenzione visiva sono state oggetto di numerose ricerche (Desimone &amp; Duncan, 1995; Hillyard &amp; Anllo-Vento, 1998; Luck et al., 2000; Mangun, 1995) ma alcuni interrogativi fondamentali rimangono. Un punto importante riguarda la distinzione fra processi attenzionali endogeni (o controllati) e quelli esogeni (od automatici). Finora la maggior parte degli studi sull'attenzione visiva spaziale ha usato il paradigma di Posner (Posner et al. 1984) che fa uso di indizi indiretti per indurre un orientamento attenzionale implicito. Tali indizi possono essere centrali, ad esempio una freccia orientata verso destra o sinistra, o periferici, ad esempio l'improvvisa comparsa di un flash di luce alla periferia del campo visivo. Gli indizi centrali richiedono la discriminazione ed interpretazione del segnale mentre quelli periferici richiedono il semplice rilevamento.
In esperimenti conclusi recentemente l'Unità locale di Verona (Natale et al., 2006) ha usato dei paradigmi di presentazione degli stimoli che inducono un orientamento endogeno od esogeno dell'attenzione senza l'uso di indizi. Sono stati studiati soggetti normali sia da un punto di vista puramente comportamentale che con i potenziali evento-correlati (event-related potentials-ERP)e la risonanza magnetica funzionale (functional magnetic resonance imaging-fMRI). Si è trovato che i due tipi di orientamento attenzionale differiscono sia per quanto riguarda il meccanismo d'ingaggio che quello di ri-orientamento attenzionale. Il meccanismo di orientamento endogeno si basa probabilmente su un effetto a livello precoce nel processo di elaborazione dell'informazione visiva. Ciò è testimoniato da una maggiore ampiezza della componente P1 dell'ERP che rappresenta uno stadio di orientamento precoce dell'attenzione spaziale e che ha un generatore nella corteccia extra-striata e forse anche striata (Hillyard &amp; Anllo-Vento, 1998; Luck et al,2000; Mangun, 1995). In generale accordo con questo dato, lo studio fMRI ha mostrato una selettiva attivazione di aree occipitali nell'orientamento endogeno rispetto a quello esogeno. Per quanto riguarda l'attenzione esogena, è stato trovato un effetto sulla componente N1 che ha generatori multipli a livello extrastriato ma anche parietale e frontale. Anche in questo caso i dati fMRI sono in accordo con quelli ERP mostrando un'attivazione estesa di una rete fronto-parietale in condizioni di orientamento esogeno rispetto a quello endogeno. Nel presente progetto l'Unità di Verona intende paragonare direttamente attraverso lo studio degli ERP, della fMRI e della stimolazione magnetica transcranica (TMS- transcranial magnetic stimulation) il meccanismo di riorientamento endogeno ed esogeno mediante una variazione del paradigma comportamentale precedentemente usato che ci permette di studiare in maniera più specifica tale fenomeno.
Il progetto di ricerca della Unità locale di Padova ha quattro obiettivi specifici sempre nel quadro più generale dei meccanismi dell'attenzione selettiva: i) studiare il ruolo del Collicolo Superiore nei meccanismi di orientamento dell’attenzione; ii) indagare le differenze fra i due meccanismi (endogeno ed esogeno) di orientamento dell’attenzione ed il loro ruolo nel neglect rappresentazionale; iii) indagare in pazienti cerebrolesi destri gli effetti del carico percettivo sul tasso di estinzione alla doppia stimolazione; iv) sviluppare una simulazione al computer dei circuiti neurali sottostanti le due diverse modalità di orientamento attentivo.
i) I modelli di attenzione endogena ed esogena, vedi Kincade et al., 2005; Natale et al., 2006 non menzionano specificamente una struttura sottocorticale come il Collicolo Superiore (CS) che una numerosa serie di dati sia nella scimmia che nell'uomo inidica come importante nei meccanismi di orientamento spaziale. Nel presente progetto verranno studiati pazienti con Paralisi Sopranucleare Progressiva (PSP) in cui il CS mostra un quadro di degenerazione. Studi precedenti (Posner et al., 1982; Rafal et al., 1988) non hanno chiarito quali componenti attenzionali siano colpiti in questi pazienti.
ii) I pazienti con negect spaziale hanno un orientamento endogeno dell'attenzione prevalentemente risparmiato (Natale et al., 2005) ma non è noto se ciò vale anche per i pazienti con neglect rappresentazionale (Bisiach e Luzzatti, 1998; Zorzi et al., 2002; Beschin et al., 2000; Guariglia et al., 1993). Nel presente progetto verrà indagato il neglect rappresentazionale ed il suo rapporto con l'attenzione endogena ed esogena.
iii) Gli effetti del carico percettivo sui disturbi dell'attenzione sono noti (Driver e Vuillemier, 2001). Il presente progetto si propone di studiarne l'effetto sulla estizione unilaterale sinistra in pazienti cerebrolesi destri anche alla luce della teoria del "perceptual load" (Lavie, 2005).
iv) Infine il progetto prevede lo sviluppo di un modello neurale dell'attenzione e ndogena ed esogena.

Attenzione ed integrazione multisensoriale

Negli ultimi anni lo studio dei processi attentivi sottostanti l’integrazione di stimoli provenienti da modalità sensoriali differenti al fine di costruire percetti unitari, è stato uno degli argomenti più proficuamente indagati nell’ambito delle Neuroscienze. Numerose evidenze sperimentali provenienti da studi comportamentali (Spence e Driver, 2004), neurofisiologici (Calvert, Spence e Stein, 2004 , elettrofisiologici (Eimer, van Velzen e Driver, 2002) e di neuroimmagine funzionale (Macaluso e Driver, 2005) hanno contribuito ad individuare i processi cognitivi e le aree cerebrali responsabili dell’attenzione crossmodale. Tuttavia, la grande maggioranza di tali ricerche è stata indirizzata allo studio dell’integrazioni d’informazioni sensoriali relative a stimoli presentati nello spazio extra-corporeo o peri-personale, mentre pochi lavori, in genere molto recenti, hanno esteso il loro interesse allo studio dell’attenzione crossmodale nello spazio corporeo (de Vignemont et al., 2005). Una conclusione interessante emersa da tali studi è che l’informazione relativa al corpo, proveniente da una specifica modalità sensoriale, è in grado di modulare l’elaborazione di uno stimolo presentato in un’altra modalità sensoriale. Ad esempio, è stato dimostrato che l'attenzione visiva diretta verso una parte del corpo sottoposta a stimolazione tattile è in grado di modulare la percezione somatosensoriale di tali stimoli, pur essendo questi ultimi invisibili al soggetto (Kennet et al., 2001).
Lo scopo del progetto dell'Unità locale di Bologna è quello di approfondire tale fenomeno d’interazione visuo-tattile relativa allo spazio corporeo secondo due prospettive fondamentali. Da un lato, dal punto di vista teorico, nonostante l’esistenza di diversi studi comportamentali ed elettrofisiologici, i meccanismi sottostanti tale effetto non sono ancora noti. Risulta infatti fondamentale capire come fenomeni attenzionali integrativi alla base della rappresentazione del corpo possano modulare processi percettivi ed aree cerebrali tradizionalmente considerate puramente unisensoriali.
D’altro canto, tale fenomeno potrebbe avere un’importante applicazione clinica nell’ambito della neuroriabilitazione: processi attenzionali multisensoriali possono infatti essere utilizzati per migliorare i deficit di natura unisensoriale (Bolognini et al., 2005). In questo contesto, l’informazione visiva relativa al corpo potrebbe essere utilizzata per la riabilitazione dei deficit somatosensoriali conseguenti a lesione cerebrale che costituiscono uno dei fattori prognostici maggiormente negativi nel recupero post-ictale.

La comprensione dei meccanismi di selezione attentiva, di integrazione sensoriale e di plasticità neurale a seguito di deprivazione sensoriale è un argomento di grande rilevanza per le neuroscienze cognitive. Numerosi studi hanno dimostrato che la perdita di informazione da una modalità sensoriale provoca cambiamenti nelle restanti modalità, dovuti ad una sostanziale riorganizzazione delle funzioni corticali (es., Bavelier &amp; Neville, 2002; Merabet et al., 2005). Se da un lato è probabile che ciò si verifichi per tutte le modalità sensoriali, la deprivazione acustica da sordità profonda costituisce un caso particolarmente interessante per le neuroscienze cognitive, da un punto di vista sia teorico sia clinico Rauschecker e Shannon, 2002). Nonostante l'alta incidenza della sordità profonda, resta ancora da chiarire il suo impatto, e quello dell'impianto cocleare (Horn et al., 2005; Quittner et al., 2004), sulle altre modalità sensoriali. In questo progetto della Unità di Trento verrà esaminata l'attenzione selettiva in sordi profondi con o senza impianto cocleare usando metodi elettrofisiologici e di risonanza magnetica funzionale. <<<