Gli esseri umani hanno la fondamentale capacità di adattarsi in maniera flessibile al contesto in cui agiscono. L'elaborazione cognitiva del contesto è cruciale per questa flessibilità. Una sua compromissione si osserva tipicamente in alcuni disturbi neurologici e psichiatrici caratterizzati da un agire del paziente inopportuno, inappropriato e anche potenzialmente dannoso, che comporta quindi una notevole limitazione nelle possibilità di interazione sociale e di libertà di azione.
Lo studio dei meccanismi neuronali alla base della codifica cognitiva del contesto è poco sviluppato. Le indagini svolte finora si sono concentrate sulla valutazione dell'attività neurale nelle aree prefrontali e ippocampali. Questo sia perché danni a queste aree comportano sintomatologie in cui è evidente l'inabilità di codificare il contesto, sia perché le stesse aree sono considerate alla base delle codifiche cognitive più elevate. Allo stesso tempo molte di queste indagini si sono basate sullo studio dell'attività di singoli neuroni; tuttavia, negli ultimi 10 anni, molti studi hanno mostrato come le funzioni cognitive possano essere meglio compreso analizzando l'attività di popolazioni neurali registrate in simultanea con l'uso di array.
Sulla base di questi aspetti elencati, il progetto ha come obiettivo l'indagine dei meccanismi neurali alla base della codifica cognitiva del contesto; prevede l'analisi del segnale elettrico di singoli neuroni e di piccole popolazioni di neuroni registrati dalla corteccia frontale di macachi attraverso un array multi-elettrodico durante l'esecuzione compiti di controllo dell'azione.
Questo approccio fornirà un importante contributo alla comprensione dei meccanismi neurali alla base della codifica del contesto durante l'elaborazione di processi decisionali e di scelta alla base del controllo cognitivo. La comprensione meccanicistica di questi processi è cruciale per capire le basi dei disturbi del comportamento dovute alla loro alterazione.
La ricerca è innovativa perché studia come il contesto viene rappresentato in un'area frontale e come questa rappresentazione viene elaborata localmente per permettere il controllo cognitivo dell'azione.
Lo studio della rappresentazione cognitiva e neurale, pur costituendo un tema centrale nelle neuroscienze, viene affrontato principalmente in termini di rappresentazione: come frame che permette di inquadrare nel tempo e nello spazio determinati eventi codificati a livello nervoso, o processi di navigazione in ambiente.
Gli studi precedenti si sono concentrati prevalentemente sul ruolo di alcune aree cerebrali nella rappresentazione del contesto, come l'ippocampo o la corteccia prefrontale [1]. Tuttavia non è chiaro come questa informazione venga veicolata ad aree preposte al controllo del comportamento, come queste aree codifichino il contesto e come questa codifica venga integrata nella decisione motoria.
Quindi la ricerca è innovativa perché indaga come il contesto viene rappresentato, elaborato ed integrato nel controllo dell'azione. E' il primo lavoro che combina lo studio modellizzato del controllo cognitivo dell'azione con la rappresentazione ed elaborazione del contesto.
Inoltre, la ricerca è innovativa perché per fare questo si avvale di tecniche di analisi e conoscenze che si sono evolute negli ultimi 10 anni. E', infatti , recentissima la scoperta [16], che la codifica dinamica di aspetti motori può essere preservata nel corso del tempo a livello di popolazione neurale. Analizzando quindi la popolazione neurale possiamo quindi confrontare tra di loro la rappresentazione di diversi contesti e la loro integrazione in uno stesso sistema di controllo del comportamento.
La ricerca è innovativa anche perché attraverso le tecniche sopraindicate permette di valutare la robustezza dei processi di elaborazione del contesto nel corso del tempo. Permette di rispondere alla domanda: uno stesso contesto, per una stessa azione, è codificato in maniera simile nel corso del tempo?
Un altro aspetto della novità risiede nel fatto che verranno confrontati diversi tipi di analisi (sistemi dinamici e graph theory). Questo permetterà di capire quale approccio consente di avere una visione migliore dei meccanismi neurali alla base della codifica del contesto e della sua integrazione in ambito motorio. Permetterà anche di capire se esiste una gerarchia di popolazioni registrate nello svolgimento delle funzioni (come tipicamente osservato nello scambio tra diverse aree cerebrali con tecniche impiegate su uomo (fMRI, EEG).
Infine, la ricerca è innovativa perché permette lo studio di questi processi ad un livello di definizione neurale e spaziale in un modello animale, il primate, che è il più vicino per complessità cerebrale e repertorio comportamentale all'uomo, permettendo quindi una più rapida translazione delle conoscenze acquisite.
I risultati della ricerca contribuiranno alla conoscenza sui meccanismi neurali di rappresentazione e di integrazione tra funzioni. Questa conoscenza permette di individuare i meccanismi fisiologici che risultano poi alterati in caso di patologie neurologiche o psichiatriche. Costituisce quindi il primo passo per individuare regioni di elaborazione che possono costituire il target di futuri interventi terapeutici, come nel caso del Parkinson in diversi disturbi psichiatrici. In quei casi, infatti, la conoscenza delle caratteristiche di attivazione neurale delle diverse regioni ha permetto di intervenire e permettere un miglioramento dei sintomi attraverso la loro stimolazione.
I meccanismi di integrazione e rappresentazione descritti costituiranno inoltre un importante contributo alla individuazione di aspetti cognitivi nelle regioni premotorie. Da diversi anni, e ultimamente grazie soprattutto alle analisi delle dinamiche neuronali, è ormai evidente che aspetti cognitivi, astratti che regolano il comportamento vengono codificati in regioni premotorie. Questa consapevolezza ha spinto anche alcuni autori a pensare la corteccia frontale nella usa interezza come un'area premotoria gerarchica (). Il lavoro contribuirà quindi mostrando se e come il contesto cognitivo variabile viene rappresentato ed integrato in un'area che è preposta al controllo cognitivo.
A questo aspetto si lega anche il ruolo che la conosciuta funzione di rappresentazione di una data regione riveste per lo sviluppo di brain machine interface [11]. Negli ultimi anni è cresciuta la sperimentazione su dispositivi controllati direttamente dall'attività neurale di pazienti impossibilitati al movimento. Questo permette sia il movimento di arti meccanici, sia tentativi di scrittura. Lo sviluppo di queste tecniche avanza grazie al miglioramento di algoritmi in real time, ma anche grazie all'individuazione di regioni cerebrali conosciute per la loro capacità di rappresentare le variabili importanti per il compito richiesto. Il contesto contribuendo alla definizione dell'opportunità dell'azione, è una di queste variabili.