Neuroimaging cattura quattro fasi nascoste di risoluzione dei problemi

Fonte: Alex Oakenman / Shutterstock

La risoluzione dei problemi è un aspetto fondamentale dei nostri processi di pensiero quotidiano che implica l'identificazione, la codifica e la definizione di qualsiasi problema. Ogni volta che non sei sicuro del modo migliore di procedere per raggiungere l'obiettivo o il risultato desiderato … è necessario che tu risolva il problema. Ma quali sono le fasi esatte coinvolte nella risoluzione dei problemi?

I ricercatori della Carnegie Mellon University (CMU) utilizzano la tecnologia di neuroimaging allo stato dell'arte per far progredire la nostra comprensione degli specifici livelli mentali che le persone attraversano quando pensano seriamente a risolvere un problema.

Per avanzare nel campo della teoria cognitiva, è importante per i ricercatori avere la capacità di decostruire le prestazioni di uno specifico compito cognitivo nelle sue fasi mentali più importanti e distinte. Il nuovo studio di imaging cerebrale di CMU identifica quattro fasi distinte che la mente di qualcuno attraversa quando lui o lei sta risolvendo i problemi.

Lo studio del luglio 2016, "Le fasi nascoste della cognizione rivelate nei modelli di attivazione cerebrale", appare sulla rivista Psychological Science .

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Per questo studio, John Anderson e colleghi della CMU hanno combinato due strategie analitiche insieme a dati di imaging cerebrale fMRI per individuare gli specifici stadi mentali che le persone attraversano in tempo reale mentre stavano lottando per risolvere un difficile problema di matematica. Più specificamente, il metodo combina l'analisi del modello multi-voxel (MVPA) per identificare stadi cognitivi e modelli semi-Markov nascosti per identificare le loro durate.

Anderson è interessato a tracciare una linea temporale che mappa il corso dei dati di imaging cerebrale in tempo reale per ottenere informazioni su ciò che sta accadendo "sotto il cofano" di momento in momento mentre le persone svolgono compiti complessi di risoluzione dei problemi.

Anderson e colleghi hanno identificato quattro fasi distinte di cognizione coinvolte nella risoluzione di un problema: codifica, pianificazione, risoluzione e risposta. Il focus della ricerca di Anderson è di capire meglio la struttura della cognizione di livello superiore, decostruendo come le persone risolvono problemi matematici. Il suo team si concentra su "teorie unificate della cognizione", che è un'architettura cognitiva che copre un ampio spettro di compiti di pensiero.

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Quattro fasi di Problem Solving di Anderson et al.

1. Codifica
2. Pianificazione
3. soluzione
4. rispondendo

Come ci si aspetterebbe, una volta codificati i vari aspetti della risoluzione di un problema di matematica, i ricercatori hanno notato che la fase di pianificazione tende ad essere più lunga se il problema richiede una pianificazione più approfondita. E, la fase di risoluzione tende ad essere più lunga quando la soluzione è più difficile da eseguire.

L'obiettivo finale di questo studio era identificare se le manipolazioni avessero effetti specifici sulla durata delle diverse fasi del problem solving. Individuare la durata di queste durate ha permesso ai ricercatori di mappare direttamente gli stadi reali della cognizione coinvolti nella risoluzione di uno specifico problema matematico.

Problem Solving Through Trial and Error Rewires the Orbitofrontal Cortex (OFC)

Corteccia Orbitofrontale (OFC) in verde.

Fonte: Paul Wicks / Dominio pubblico

Queste scoperte della CMU coincidono con la ricerca sulla risoluzione dei problemi da parte dei neuroscienziati dell'Università della California a Berkeley, che hanno catturato immagini cerebrali di apprendimento attivo in tempo reale fotografando il cervello dei topi mentre imparano come risolvere i problemi attraverso prove ed errori.

Lo studio del marzo 2016, "L'apprendimento delle regole migliora la plasticità strutturale degli assoni a lungo raggio nella corteccia frontale", è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications .

Utilizzando tecniche di microscopia avanzate, i ricercatori di Berkeley hanno realizzato filmati accelerati nel tempo che illustrano come un topo apprende attivamente una nuova strategia per trovare sorprese nascoste durante un'attività di ricerca del foraggiamento. I film mostrano drammatici riscolpimenti nella regione della corteccia orbitofrontale (OFC) dei lobi frontali durante lo studio e l'errore delle attività di risoluzione dei problemi.

Per questo studio, i topi hanno svolto i compiti di foraggiamento al mattino e hanno registrato i cambiamenti cerebrali nel pomeriggio. Usando una tecnologia di neuroimaging avanzata chiamata microscopia a scansione laser a 2 fotoni, i ricercatori hanno fotografato la crescita e la potatura nei circuiti cerebrali degli assoni a lungo raggio. Questi assoni sono condotti per segnali elettrici che collegano i neuroni nei lobi frontali.

È interessante notare che i topi che hanno ricevuto automaticamente Cheerios senza dover navigare, imparare nuove regole e dar loro la caccia, non hanno mostrato un aumento significativo nel rimodellamento del circuito cerebrale. Al contrario, i topi che hanno dovuto escogitare nuove regole quotidianamente risolvendo problemi hanno mostrato cambiamenti radicali nel cablaggio neurale che trasmette informazioni dalla corteccia orbitofrontale. È affascinante che l'atto di "cacciare e radunare" un Cheerio abbia svolto un ruolo fondamentale nell'ottimizzazione della connettività funzionale dei lobi frontali.

Conclusione: il Neuroimaging fornisce una finestra sul funzionamento interno delle nostre menti

I ricercatori della CMU sono ottimisti sul fatto che, un giorno o l'altro, le loro scoperte potrebbero essere applicate per migliorare la progettazione di metodi educativi più efficaci. Le conoscenze acquisite da questo tipo di ricerca potrebbero anche essere utilizzate per aiutare gli studenti ad estendere le loro conoscenze cristallizzate oltre il compito in questione in modo da sfruttare la loro intelligenza fluida e la flessibilità cognitiva. In una dichiarazione, Anderson ha concluso,

"Il modo in cui gli studenti hanno risolto questo tipo di problemi è stato per noi un mistero totale fino a quando non abbiamo applicato queste tecniche. Ora, quando gli studenti sono seduti lì a pensare intensamente, possiamo dire cosa stanno pensando ogni secondo. "

Questi studi aggiungono una quantità crescente di ricerca che utilizza la neuroimaging per aiutarci a comprendere meglio i processi sequenziali di cognizione e pensiero. Mentre la ricerca di neuroimaging ha fornito una finestra su vari aspetti della cognizione nel passato, è rimasta enigmatica come tutti i pezzi di questo puzzle si incastrino per creare un insieme coerente. Tutto sta cambiando rapidamente con i progressi della tecnologia di neuroimaging. Restate sintonizzati per ulteriori anticipi su questo argomento entusiasmante!

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