La neuroscienza della padronanza attraverso l’apprendimento della prova e dell’errore

Le cellule di Purkinje del cervelletto sintonizzano i movimenti motori coordinati.

Disegno di cellule di Purkinje (A) e cellule granulose (B) dal cervelletto dei piccioni di Santiago Ramón y Cajal, 1899; Instituto Cajal, Madrid, Spagna.

Fonte: Wikipedia / Dominio Pubblico

Un team di ricercatori della Johns Hopkins University ha portato alla luce nuovi interessanti dettagli su come le cellule di Purkinje cerebellare padroneggiano movimenti complessi attraverso un processo di apprendimento trial-and-error in cui ogni errore che si verifica durante la pratica aiuta il cervelletto a migliorare la coordinazione motoria. Questo articolo, “Codifica dell’errore e apprendimento per correggere l’errore dalle cellule di Purkinje del cervelletto”, è stato pubblicato online il 16 aprile sulla rivista Nature Neuroscience .

• Mindfulness in One Breath
• Dietro porte chiuse
• Sette perfezionisti di cose auto-sabotanti
• Se è rotto, dovresti ripararlo?
• Come essere un ribelle può essere un bene prezioso

L’aspetto più significativo di questo studio è che l’autore senior Reza Shadmehr, professore di ingegneria biomedica e neuroscienza alla Johns Hopkins University School of Medicine, e colleghi hanno individuato come funzionano le cellule di Purkinje. Questa ricerca aggiunge nuove intuizioni e prove empiriche a supporto di documenti di riferimento del XX secolo che speculavano su ciò che le misteriose cellule di Purkinje stavano effettivamente facendo, come “The Cerebellum as a Neuronal Machine” (John Eccles et al., 1967), “A Theory of Cerebellar Cortex “(David Marr, 1969) e” A Theory of Cerebellar Function “(James S. Albus, 1971).

Cervelletto (in latino per “piccolo cervello”) in rosso. “Cerebellar” significa “relativo o localizzato nel cervelletto”.

• Il guadagno psicologico al dolore
• Il mito dell'efficienza della gestione
• 5 consigli per gestire i pasti durante le vacanze

Fonte: database delle scienze della vita / Wikipedia Commons

Un comunicato stampa del 3 maggio 2018 sull’avanzata ricerca sulle cellule di Purkinje condotta alla Johns Hopkins Medicine, “Decoding the Brain’s Learning Machine”, descrive il cervelletto come una “macchina per l’apprendimento” all’interno del cervello dei mammiferi. Il loro studio più recente sulle scimmie mostra che le cellule di Purkinje fanno previsioni e imparano a padroneggiare compiti complessi correggendo costantemente piccoli errori. Con la pratica, gli errori diminuiscono e la precisione aumenta. Nel tempo, ciò si traduce in quella che io chiamo ” superfluidità “.

Fonte: Wikipedia / Creative Commons

Come un esempio atletico della maestria del cervelletto di Purkinje, la frase dice: “Quando si impara a sparare a un pallone, le persone di solito sbagliano molte volte prima di ottenere un colpo attraverso il cerchio. Mentre il braccio si muove, il cervelletto fa previsioni sulle conseguenze dell’azione. Quando la previsione non coincide con la realtà – cioè, la palla manca il cerchio – il cervelletto riceve feedback dagli occhi e dal braccio per imparare dall’errore, fattori di regolazione fine come la mira, la forza e il rilascio per fare un canestro. Questo apprendimento da errore da prova a prova produce miglioramenti graduali delle prestazioni “Lo stesso processo di apprendimento del cervelletto per tentativi ed errori si verifica in ogni sport e aiuta a spiegare perché la pratica rende perfetti. In particolare, avere un “occhio per la palla” è anche direttamente collegato al cervelletto e al nostro riflesso vestibolo-oculare (VOR).

Le cellule di Purkinje imparano l’apprendimento della prova e dell’errore tramite picchi “semplici” e “complessi”

Secondo le ultime ricerche di Johns Hopkins, le cellule di Purkinje comunicano attraverso due tipi di segnali elettrici chiamati “semplici picchi” e “punte complesse”. I semplici picchi riflettono le previsioni secondo cui le cellule di Purkinje stanno facendo dei movimenti ottimali. I picchi complessi riflettono le informazioni inviate a un gruppo di cellule di Purkinje per far sapere loro se c’era un errore nella previsione o se i tempi e la velocità di un movimento erano accurati. Per ogni singola abilità motoria, le cellule di Purkinje specializzate ricevono tutte lo stesso messaggio di errore e sembrano lavorare di concerto quando fanno correzioni motorio appropriate in base a uno specifico errore.

“Puoi pensare ai semplici picchi come lo ‘studente’ che fa una previsione e le punte complesse come ‘insegnante’ che fornisce feedback”, ha detto Shadmehr in una dichiarazione.

Secondo Shadmehr, “Uno dei vantaggi dell’architettura del cervelletto è che protegge i ricordi.” Una volta che la memoria muscolare richiesta per fare qualcosa che è principalmente cerebellare (come andare in bicicletta) viene martellata e forgiata nelle cellule di Purkinje, la semplice e gli spike complessi associati al coordinamento di questa abilità motoria diventano cablati.

La digitazione tattile si basa sull’apprendimento cerebellare basato su Purkinje

Padroneggiare l’abilità di “digitare con il tocco” senza guardare la tastiera è un perfetto esempio quotidiano di apprendimento sperimentale basato su cella di Purkinje. La prossima volta che ti trovi su una tastiera, posiziona le punte degli indici sinistro e destro sulle piccole sporgenze che si trovano rispettivamente sui tasti “F” e “J”. Mettendo le mani in questa “posizione di riposo” guida il cervelletto per sapere automaticamente dove si trovano tutte le dita in relazione a tasti specifici. Questo crea prevedibilità attraverso la propriocezione cerebellare.

Puoi digitare ” la volpe rossa veloce salta sul pigro cane marrone ” senza guardare le chiavi? In tal caso, quante volte in un minuto puoi digitare queste 10 parole? Questa frase ha tutte le lettere dell’alfabeto ed è un gold standard per testare la capacità di battitura a tocco di qualcuno. Con la pratica, le tue dita impareranno implicitamente dove si trovano tutti i tasti e potrai padroneggiare la digitazione di 40 parole al minuto (WPM), che è considerata una velocità “media”.

Sulla base delle ultime ricerche di Johns Hopkins sull’apprendimento sperimentale, si potrebbe ipotizzare che più si esercita nella correzione degli errori mentre si digita ” la rapida volpe rossa salta sul pigro cane marrone ” che i gruppi di cellule di Purkinje sono stati messi a punto per padroneggiare questa abilità tramite picchi semplici e complessi.

È interessante notare che, una volta che l’abilità implicita del tuo cervelletto di predire dove si trovano le lettere appropriate senza guardare in basso, la maggior parte dei tipografi alla fine perde la propria conoscenza cerebrale e la memoria dichiarativa di essere in grado di dire dove ogni lettera si trova su una tastiera QWERTY. Aneddoticamente, posso confermare questo fenomeno. Come qualcuno che ha fatto il touch-type sin dal liceo, per descrivere le due chiavi con creste tipo braille, ho dovuto guardare la tastiera per verificare che “F” e “J” fossero dove posiziono intuitivamente i puntali dei miei indici ogni volta che inizio a digitare.

Se qualcuno ti chiedesse dove si trovano le chiavi di casa (A, S, D e F per la mano sinistra e J, K, L e punto e virgola per la mano destra) su una tastiera QWERTY, sapresti la risposta? (Alcune curiosità: il nome di questo layout di tastiera standardizzato deriva dalla sequenza di sei lettere nella fila in alto a sinistra in alto).

Di seguito un video di 2 minuti dei ricercatori della Vanderbilt University che illustra come possiamo imparare a digitare automaticamente senza alcuna conoscenza esplicita di dove si trovano le chiavi delle lettere specifiche:

Il danno alla struttura o alla connettività funzionale del cervelletto può influire profondamente sulla capacità di qualcuno di coordinare e eseguire movimenti motori in modo fluido. Le malattie che colpiscono il cervelletto di solito si traducono in varie forme di atassia e dismetria. Una delle potenziali applicazioni dell’ultima ricerca di Johns Hopkins sulle cellule di Purkinje e il processo cerebellare di apprendimento per tentativi ed errori potrebbe essere lo sviluppo di metodi più raffinati per diagnosticare anomalie cerebellari.

Un altro articolo, “L’attività locomotoria modula l’apprendimento associativo nel topo cervelletto”, è stato pubblicato il 16 aprile su Nature Neuroscience. Questo studio   ha scoperto che i topi che corrono più velocemente su un tapis roulant imparano le attività di memoria implicita più rapidamente delle loro controparti a esecuzione più lenta. Per ulteriori informazioni, “Perché correre più velocemente accelerare l’apprendimento nel cervelletto?”

Riferimenti

David J. Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo e Reza Shadmehr. “Codifica dell’errore e apprendimento per correggere quell’errore dalle cellule di Purkinje del cervelletto.” Nature Neuroscience (Pubblicato online: 16 aprile 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0136-y

David J., Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo e Reza Shadmehr. “Codifica dell’azione da parte delle cellule di Purkinje del cervelletto”. Natura (2015) DOI: 10.1038 / nature15693

John Eccles, Janos Szentágothai e Masao Ito. “Il cervelletto come macchina neuronale”. New York: Springer Verlag; (1967)

David Marr. “A Theory of Cerebellar Cortex” The Journal of Physiology (1969) DOI: 10.1113 / jphysiol.1969.sp008820

James S. Albus. “Una teoria della funzione cerebellare”. Mathematical Biosciences (1971) DOI: 10.1016 / 0025-5564 (71) 90051-4

Piergiorgio Strata. “La teoria di David Marr sull’apprendimento dei cervelletti: 40 anni dopo” The Journal of Physiology (2009) DOI: 10.1113 / jphysiol.2009.180307

Catarina Albergaria, N. Tatiana Silva, Dominique L. Pritchett e Megan R. Carey. “L’attività locomotoria modula l’apprendimento associativo nel cervelletto di topo.” Nature Neuroscience (Pubblicato online: 16 aprile 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0129-x