Negli ultimi due decenni, una scoperta significativa in ambito neuroscientifico è stata la realizzazione che l'attività spontanea non è un "rumore" casuale. Piuttosto, le regioni del cervello sono funzionalmente correlate, anche in assenza di stimoli sensoriali, compiti cognitivi e motori. Mentre i modelli neuroscientifici classici sostenevano che le funzioni cerebrali dipendono principalmente dall'elaborazione indotta dallo stimolo, l'opinione corrente è che le operazioni cognitive del cervello sono principalmente intrinseche. Un'ipotesi è che una delle funzioni dell'attività intrinseca del cervello è mantenere la rappresentazione di stati cognitivi o motori altamente frequenti. In altre parole, le statistiche di comportamenti frequenti o stimoli ambientali che si ripetono nell'interazione con gli oggetti esterni sarebbero fortemente rappresentanti nell'attività spontanea del cervello. Da un punto di vista funzionale, ciò rappresenterebbe un enorme vantaggio per il cervello che non deve elaborare ogni volta stimoli o comportamenti naturali.
Questo progetto testa questa ipotesi mediante lo studio di gesti della mano comuni e non comuni. Il corpo, in particolare la mano, è il mezzo primario di interazione con l'ambiente. Nel corso dello sviluppo e dell'esperienza, la biomeccanica dei movimenti della mano genera distribuzioni di stati altamente probabili che vengono interiorizzati dal cervello. Attraverso l'elettroencefalografia ad alta densità (Hd-EEG), questo progetto testa l'idea che le oscillazioni spontanee del cervello rappresentano gesti naturali della mano, rispetto a stimoli nuovi. Per questo prevediamo un paradigma sperimentale in cui i partecipanti osserveranno video-clips che rappresentano la presa di oggetti di vita quotidiana mediante posture comuni e non comuni. Lo studio della rappresentazione neurale del movimento della mano non ha implicazioni solo per le neuroscienze ma anche per la neurologia e l'ingegneria robotica.
A livello teorico, ciò che sappiamo sulle funzioni cerebrali proviene da studi che utilizzano stimoli sensoriali statici ed estremamente controllati presentati brevemente sullo schermo. Allo stesso tempo, ai partecipanti viene generalmente richiesto di mantenere la fissazione al centro dello schermo senza muovere gli occhi durante la presentazione degli stimoli e poi di rispondere quando viene soddisfatta una condizione specifica (es. appare la macchina rossa sullo schermo, in un insieme di stimoli). Durante questi compiti, l'attivazione delle aree cerebrali è tipicamente paragonata a uno stato di controllo; al contrario, l'attività cerebrale spontanea, ad esempio l'attività che si registra quando il partecipante non esegue nessun compito motorio, cognitivo o visivo, è vista come "rumore". Questo approccio sperimentale ha fortemente plasmato il campo delle neuroscienze cognitive e ha generato due pregiudizi principali: i) gli esperimenti semplificati non garantiscono che i principi e i concetti stabiliti in tale quadro si applichino più in generale; ii) le funzioni cerebrali dipendono principalmente dall'elaborazione indotta dallo stimolo.
Questo progetto è innovativo perchè ha l'obiettivo di studiare se stimoli comuni, nel caso specifico gesti della mano, siano già rappresentanti nell'attività spontanea del cervello. Ci proponiamo di rispondere a questa domanda mediante l'elettroencefalografia (EEG). Rispetto ad altre tecniche, l'EEG è largamente impiegata nei laboratori di ricerca e nella clinica a differenza di altre tecniche di studio del cervello come la Magnetoencefalografia e la Risonanza Magnetica Funzionale che richiedono una strumentazione molto costosa e un ambiente schermato. Lo studio di come il cervello a riposo, ovverosia in condizioni che non richiedono la presenza di stimoli, mantenga una rappresentazione di gesti comuni rappresenta un avanzamento significativo delle conoscenze attualmente disponibili, in quanto ci consente di comprendere quanto di ciò che effettivamente sappiamo del cervello è evocato da stimoli esterni o plasmato dall'attività spontanea. In questo quadro, il nostro studio si pone in continuità con esperimenti condotti nella corteccia visiva degli animali, i quali dimostrano un'elevata similarità tra l'attività evocata e l'attività spontanea. Una serie di interessanti osservazioni mostra che questa somiglianza aumenta con l'età. L'interpretazione è che tale similarità riflette principalmente il controllo dell'attività spontanea sull'attività evocata dal compito (prior). Durante lo sviluppo, questo controllo diventa preponderante e l'attività evocata dal compito è solo leggermente modulata da input sensoriali (Kenet et al., 2003; Fiser et al., 2004). Attualmente, non ci sono studi sistematici che indagano mediante l'EEG la similarità tra l'attività evocata e l'attività spontanea e il suo significato funzionale. La nostra ipotesi è che tale similarità rifletta schemi di comportamento e/o stimoli altamente frequenti nell'interazione con l'ambiente. Per questo la nostra idea è quella di usare gesti comuni e nuovi per afferrare oggetti di uso comune. Per testare questa ipotesi usiamo gesti della mano.
Le mani sono il principale mezzo di interazione con l'ambiente con cui possiamo manipolare oggetti o esplorare l'ambiente circostante. Condizioni neurologiche, psichiatriche e altre condizioni cliniche (es. l'amputazione) possono modificare fortemente l'immagine corporea (Nico et al., 2004; Boccia et al., 2019) quindi, il modo in cui gli individui interagiscono con l'ambiente esterno. Indagare se e come l'interazione con l'ambiente si rappresenta nell'attività spontanea del cervello è di cruciale importanza per comprendere i meccanismi attraverso i quali il cervello si riorganizza plasticamente sulla base dell'esperienza. Nel campo delle protesi e della tecnologia robotica, capire quali risorse siano utilizzate dal cervello per controllare il corpo e, in particolare, la mano, in ambienti naturali è fondamentale per lo sviluppo della tecnologia biomedica, che utilizza sistemi robotici per eseguire nuove e interventi più precisi possibili (come quelli attuati in microchirurgia). Nel tempo questa tecnologia potrebbe fare il suo ingresso nell'industria e nella vita quotidiana, con effetti positivi sul carico fisico degli utenti. Forse l'esempio più interessante è rappresentato dagli amputati. Un recente studio fMRI mostra una topografia stabile della rappresentazione corticale delle dita decenni dopo l'amputazione del braccio (Kikkert et al., 2016). Ciò implica che una struttura intrinseca stabile ostacola la riorganizzazione funzionale del cervello, nonostante i modelli neuroscientifici classici sostengono che dopo lesioni cerebrali o lesioni periferiche, i meccanismi di plasticità corticale consentono tale riorganizzazione. Il nostro progetto si propone di indagare quanto l'esperienza guida un possibile cambiamento del cervello.