Appunti sviluppo cognitivo 2

Le neuroscienze cognitive dello sviluppo

Sono un quadro di riferimento teorico e metodologico interdisciplinare interessato a indagare lo sviluppo della cognizione in relazione allo sviluppo del cervello.

Comprendono le teorie del connessionismo e del neurocostruttivismo.

Neuroscienze cognitive: studiano le modalità attraverso le quali il cervello supporta i processi mentali, i rapporti tra processi cognitivi e attività neurale.

Neuroscienze evolutive: studiano lo sviluppo delle strutture neurali senza particolare attenzione alle loro proprietà funzionali.

Neuroscienze cognitive dello sviluppo: studiano le relazioni tra lo sviluppo cerebrale e lo sviluppo dei processi cognitivi.

Oggetto d’indagine è il cambiamento.

Costituiscono un approccio interdisciplinare allo studio dello sviluppo: la psicologia inizia a dialogare e ad utilizzare i dati provenienti da diverse discipline quali la biologia, la genetica, l’embriologia, l’etologia, la neuropsicologia e le neuroscienze e la psicologia dello sviluppo cognitivo, che hanno una domanda in comune, cioè in che modo strutture biologiche complesse e organizzate possono emergere a partire da stati iniziali più semplici e indifferenziati.

Discipline coinvolte

Biologia: studiare lo sviluppo cognitivo all’interno di una prospettiva biologica significa utilizzare i dati relativi allo sviluppo neuroanatomico del cervello nel corso dell’ontogenesi e porre attenzione agli aspetti adattivi e alla storia evolutiva del comportamento nel corso della filogenesi; quindi attenzione al ruolo dell’ambiente nel quale il comportamento si evolve, durante la filogenesi e l’ontogenesi.

Genetica: l’azione dei geni è non lineare, cioè influenzata da variabili ambientali; solo in rari casi l’azione di un singolo gene può essere associata ad un singolo tratto fenotipico. La maggior parte dei geni svolge la propria azione in concerto con un gran numero di altri geni, detti “regolatori” poiché svolgono una funzione regolatoria su altri geni producendo proteine (gene --> proteina --> altro gene). L’espressione fenotipica è altamente non lineare (per esempio uomo e scimpanzé = per il 98% del patrimonio genetico ma hanno esiti fenotipici molto diversi, a partire da differenze molto lievi del patrimonio genetico). L’azione dei geni può essere regolata dall’esperienza a cui l’individuo è esposto (ambiente esterno). Per es. l’espressione del gene ZENK nei canarini (che media la plasticità sinaptica e l’apprendimento): nelle aree coinvolte nella percezione/produzione del canto è maggiore durante esposizione al canto di un conspecifico vs altro uccello.

Embriologia: lo stesso tipo di interazioni che regolano l’espressione genica agiscono nella differenziazione cellulare e nella formazione dei tessuti durante lo sviluppo dell’embrione. Lo sviluppo embrionale dipende dalle interazioni cellulari e dall’azione regolatrice che ogni cellula esercita sulle altre (se si sposta un gruppo di cellule dell’embrione da una parte ad un'altra, queste assumono le caratteristiche strutturali e funzionali della parte che le ospita, non di quella di origine). Un’elevata complessità fenotipica può essere raggiunta a partire da una limitata quantità di geni.

Etologia: il comportamento di una specie animale costituisce la forma di adattamento all’ambiente specie-specifico, inteso come condizioni ambientali a cui tipicamente tutti i membri di una specie sono esposti (per esempio condizioni di alimentazione dei neonati) contrapposto all’ambiente individuale, inteso come le particolari esperienze di un particolare individuo. Ruolo cruciale dell’ambiente tipico della specie nella filogenesi, ma anche nell’ontogenesi.

Neuropsicologia e neuroscienze evolutive: l’attività cognitiva è un prodotto del cervello (incremento delle conoscenze sulle basi neurali di comportamenti complessi). Specializzazione funzionale e strutturale del cervello adulto (plasticità). Superamento della visione statica dell’architettura della mente e della visione puramente funzionale della cognizione (proprie del cognitivismo).

Psicologia dello sviluppo cognitivo: studi sperimentali sulle competenze cognitive alla nascita e nei primi mesi di vita (cognitivismo) hanno portato alla scoperta di complesse interazioni tra competenze innate ed esperienza nell’emergere di comportamenti complessi.

Il processo di sviluppo, a tutti i suoi livelli (geni, cellule, cervello, organismo, forme complesse di comportamento), è il risultato dell’interazione tra molteplici fattori, sia interni che esterni al sistema.

Ambiente è tutto ciò che sta fuori dal sistema e lo influenza (singola cellula, una popolazione di cellule, il cervello o l’intero organismo).

Non c’è nessun aspetto dello sviluppo che possa essere definito “genetico” in senso stretto. Esistono molti tipi di ambiente, che esercitano la propria influenza a diversi livelli.

Approccio multidisciplinare metodologico

Approccio multidisciplinare anche dal punto di vista metodologico.

• Psicologia cognitiva  Cronometria mentale (tempi di reazione, accuratezza della risposta)
• Neuropsicologia & neuroscienze  Doppia dissociazione, EEG, NIRS, fMRI, PET, TMS
• Psicologia comparata & etologia  Modelli animali
• Biologia  Sviluppo cellulare e dei tessuti
• Genetica  Basi biologiche, marcatori genetici dei disordini evolutivi
• Embriologia  Sviluppo prenatale

Modelli animali: studio degli aspetti comportamentali, elettrofisiologici, neuroanatomici e molecolari di un comportamento e del suo sviluppo in una specie animale diversa dall’uomo, al fine di ottenere indicazioni teoriche ed empiriche da utilizzare nello studio dello stesso comportamento o di comportamenti relativi nell’uomo. Per es. studi sulle basi neurali dell’imprinting visivo nel pulcino (Horn, 1984) hanno portato alla formulazione del modello sullo sviluppo della capacità di riconoscere i volti umani nel bambino (modello di Johnson & Morton, 1991).

Studio clinico dei disordini di origine genetica: studio di sindromi genetiche provocate da alterazioni genetiche a cui si associano specifiche dissociazioni nelle funzioni cognitive, sia all’interno di uno specifico dominio, sia tra domini diversi.

Sindrome di Down: cromosoma in eccesso nella coppia 21, causa deficit diffuso e generalizzato dello sviluppo.

Sindrome di Williams: delezione di alcuni geni nel cromosoma 7, porta a “normale” sviluppo di linguaggio, riconoscimento di volti e abilità sociali, ma compromesse le abilità visuospaziali, matematiche e di problem solving.

Sindrome dell’X fragile: anomalia di un singolo gene sul cromosoma X, causa deficit di attenzione, cognizione visuospaziali, di MBT.

Approccio neuropsicologico classico: deficit cognitivi selettivi derivanti dal danneggiamento di moduli cognitivi innati localizzati in specifiche aree del cervello (epigenesi predeterminata) VS approccio recente: deficit lievi e diffusi a carico di diverse regioni cerebrali, derivanti da alterazioni in alcuni parametri di base (densità sinaptica, disponibilità di alcuni neurotrasmettitori, variazioni nella soglia di attivazione neuronale), che possono assumere un’apparenza dominio-specifica come risultato del processo di sviluppo (il deficit che producono incide di più sull’elaborazione di alcuni tipi di informazione che su altri).

Confronto con lo sviluppo tipico: strumento per indagare i meccanismi dello sviluppo tipico, poiché sono eccezioni alla norma informative sui meccanismi alla base del cambiamento.

Simulazioni connessioniste, matematiche: reti neurali = modelli teorici e metodologici nati nell’ambito delle scienze cognitive, ispirati alla struttura neurale del cervello. Riproducono per approssimazione la struttura e le proprietà del sistema nervoso, e ne simulano il funzionamento. Simulano il modo in cui il cervello si modifica per effetto dell’apprendimento: consentono di simulare i processi attraverso cui avviene il cambiamento nel corso dello sviluppo.

Tecniche di visualizzazione dell’attività cerebrale: consentono di ottenere delle mappe funzionali dell’attività neurale in tempo reale, basate sulle modificazioni dell’attività metabolica (flusso sanguigno) o dell’attività elettrica del cervello in risposta alla stimolazione. Permettono di indagare i correlati neurali di competenze percettive e cognitive precedentemente indagate nella prima infanzia esclusivamente attraverso paradigmi comportamentali. In particolare, sono usati la fNIRS (Spettroscopia funzionale del vicino infrarosso), gli ERP (Potenziali evento-correlati) e di meno la fMRI (Risonanza Magnetica Funzionale).

Hanno 2 caratteristiche che le differenziano dalle tecniche comportamentali e che le rendono particolarmente adatte per lo studio dello sviluppo: consentono di indagare le competenze cognitive dei bambini in situazioni che implicano carichi attentivi e mnestici ridotti (N.B.: maggiori sono le domande poste dal compito, minori sono le competenze che il bambino sembrerà avere); consentono di utilizzare lo stesso compito con soggetti di diverse età, ricavando misure confrontabili, eliminando il problema dell’equivalenza delle misure (le differenze rilevate tra le età sono imputabili a cambiamenti intrinseci ai soggetti e non a cambiamenti inerenti il contesto/compito).

Forniscono nuovi strumenti per affrontare il tema della continuità: ipotesi di continuità, bambini e adulti possono mostrare abilità comportamentali diverse, prodotte da processi analoghi che rimangono costanti ma si esprimono in modo diverso nel corso dello sviluppo, i substrati neurali coinvolti in un compito negli adulti devono essere gli stessi che si attivano per lo stesso compito nei bambini di tutte le età; ipotesi di discontinuità: bambini e adulti possono mostrare un comportamento simile, anche se prodotto da processi e strutture diverse, i substrati neurali coinvolti in un compito negli adulti possono essere molto diversi da quelli coinvolti nello stesso compito a età diverse.

Consentono di esplorare il tema del rapporto tra fattori innati ed esperienziali nell’emergere di processi cognitivi specializzati, cioè quanto le risposte neurali sono già specializzate nelle prime fasi dello sviluppo o quanto sono inizialmente diffuse e quando si specializzano. Ipotesi innatista-modulate: l’elaborazione di diverse categorie di oggetti visivi deve coinvolgere molto precocemente nel corso dello sviluppo l’attivazione di specifiche aree neurali (attivazione localizzata e specializzata). Ipotesi della modularizzazione: nell’infanzia le stesse aree corticali devono essere coinvolte nell’elaborazione di diverse categorie di oggetti visivi (attivazione inizialmente diffusa).

Rivalutazione del ruolo dell’esperienza nello sviluppo

Il legame cognizione-sviluppo per i modelli innatisti modulari: il cambiamento cognitivo è causato dai processi maturativi, che sono quasi interamente sotto controllo dei geni. L’esperienza può solo accelerare/rallentare i processi maturativi o esercitare abilità già presenti. Molti aspetti della cognizione umana sono il risultato dell’adattamento della specie all’ambiente specie-specifico durante la filogenesi.

Questa visione non spiega la complessità dell’interazione tra sviluppo neurale e sviluppo cognitivo; per esempio non spiega: lo sviluppo neuroanatomico del cervello umano (plasticità neurale), il cervello come l’espressione genica, è modulato dall’ambiente interno ed esterno, la relazione tra sviluppo cerebrale e sviluppo cognitivo è indiretta e non lineare; il modo in cui la conoscenza è rappresentata nella mente e nel cervello dell’adulto (quali origini ha), la specializzazione neurale e cognitiva è un prodotto dello sviluppo, non il punto di partenza (modulo vs modularizzazione). Ruolo centrale dell’input ambientale (interno ed esterno).

Lo sviluppo come processo probabilistico

La rivalutazione del ruolo dell’esperienza nel processo di sviluppo e la visione dello sviluppo cerebrale e cognitivo come processi graduali hanno portato a una visione dinamica del processo di sviluppo: attraverso l’interazione tra processi maturativi ed esperienza emergono strutture, processi e abilità che non facevano parte del patrimonio biologico dell’individuo. Rapporto non lineare tra genotipo e fenotipo: epigenesi probabilistica (bidirezionale).

Gottlieb (1992) distingue tra: epigenesi predeterminata, la maturazione delle strutture determina lo sviluppo delle funzioni; epigenesi probabilistica, le strutture sono attive anche quando sono solo parzialmente mature e questa attività influenza lo sviluppo successivo o induce l’emergere di nuove strutture (e viceversa), per es. il sistema visivo del neonato nel primo mese non gli permette di cambiare piano focale (cristallino rigido) e ciò influenza il tipo di stimoli su cui può concentrarsi.

Il cervello e i processi cognitivi che esso supporta si modificano nel tempo attraverso continue interazioni bidirezionali tra i fattori biologici (molecolari e genetici) e i fattori ambientali (ambiente a tutti i possibili livelli).

L’epigenesi di tipo probabilistico enfatizza due aspetti tipici dello sviluppo:

Concetto di auto-organizzazione: proprietà tipica dei sistemi altamente complessi che possono evolversi verso infinite tipologie di stati finali, per i quali è difficile ipotizzare l’esistenza di un piano predeterminato geneticamente. Per es.: la struttura delle celle dell’alveare è una proprietà emergente delle dinamiche interne del sistema e delle interazioni tra sistema e ambiente.

Concetto di progressivo restringimento dei gradi di libertà: con il procedere dello sviluppo si ha una crescente riduzione della gamma dei possibili stati finali (esiti fenotipici) ai quali si potrà giungere (< plasticità). Metafora del paesaggio epigenetico di Waddington (1975). Esempio: sviluppo fonologico tipico, i bambini alla nascita possono distinguere suoni linguistici appartenenti a tutti i linguaggi umani, dopo 6 mesi perdono l’abilità di distinguere suoni appartenenti a linguaggi diversi da quello nativo (/r/ vs /l/ per i bambini giapponesi); questo adattamento al proprio ambiente linguistico influenza (facilitandolo) l’apprendimento successivo, infatti per i bambini giapponesi l’apprendimento procederà come se la differenza tra /r/ e /l/ non esistesse. Tutto ciò produce una progressiva specializzazione delle rappresentazioni (conoscenze) linguistiche a livello neurale e cognitivo.

Lo sviluppo è caratterizzato da momenti di instabilità nei quali le potenzialità sono massime e da momenti di successiva stabilità. A partire da un iniziale stato di equipotenzialità, lo sviluppo consiste nel progressivo restringimento dei percorsi e degli esiti evolutivi possibili. Lo stato finale dipende dall’insieme specifico di vincoli che hanno agito in momenti precisi dello sviluppo.

Lo sviluppo come processo sistemico dipendente dal contesto

Il cambiamento che avviene all’interno di un sistema è sempre dipendente dal contesto (context-dependent) all’interno del quale il sistema è immerso (neurone - area cerebrale – cervello – corpo - ambiente individuale - ambiente specie-specifico). Concetto di embodiment, embodied cognition: mente e cervello sono parte di un corpo, che a sua volta è immerso in un ambiente fisico e sociale. Enfasi sulla dimensione fisica e corporale della cognizione.

Teoria dei Sistemi Dinamici, sviluppo motorio, approfondimento, comprensione azioni altrui.

Il corpo agisce come filtro: delimita il tipo di esperienze che il bambino può fare e consente di manipolare l’ambiente e amplia gli effetti dell’esperienza.

L’approccio connessionista

Cognitivismo: utilizza il computer come metafora esplicativa del funzionamento della mente umana e in certi casi per verificare i modelli sul funzionamento del sistema cognitivo attraverso la simulazione dei processi mentali.

Connessionismo  utilizza il computer come strumento per simulare il funzionamento della mente umana, intesa come il prodotto del cervello. Reti neurali = modelli ispirati alla struttura neurale del cervello. Utilizza le conoscenze disponibili sull’organizzazione e il funzionamento del cervello per indagare i meccanismi sottostanti ai fenomeni psicologici.

Offre alla psicologia dello sviluppo la possibilità di studiare il cambiamento cognitivo attraverso la simulazione degli effetti prodotti dallo sviluppo sulla struttura e l’organizzazione del cervello. Dà la dimostrazione empirica che con lo sviluppo si modifica non solo il software, ma anche l’hardware (non solo i processi ma anche l’architettura della mente e il suo substrato neurale). Mente = sistema dinamico, in prospettiva evolutiva.

Vantaggi: le simulazioni obbligano a raggiungere un elevato grado di precisione e di dettaglio nella specificazione delle ipotesi formulate; consentono un controllo totale su alcune variabili (Es: l’ambiente in cui è immersa la rete; l’architettura della rete); consentono di osservare come avviene il cambiamento, dopo che la rete ha appreso a generare il comportamento indagato, è possibile analizzare l’organizzazione delle rappresentazioni sottostanti (informazioni sui meccanismi del cambiamento); consentono di simulare in poche ore l’emergere di abilità che nell’uomo richiedono mesi/anni per svilupparsi.

Le reti neurali sono modelli teorici e metodologici che riproducono per approssimazione, semplificandola, la struttura e le proprietà del sistema nervoso.

L’idea di base è che l’attività del cervello è prodotta da un elevato numero di neuroni che funzionano simultaneamente, e che inviano segnali di facilitazione o di inibizione ad altri neuroni attraverso migliaia di collegamenti sinaptici. L’elaborazione dell’informazione avviene in parallelo e la rappresentazione dell’informazione (conoscenza) è