NEURONI SPECCHIO Ivan Giuseppe Larenza Alessandro Serrapica Andrea

NEURONI SPECCHIO Ivan Giuseppe Larenza Alessandro Serrapica Andrea Sorrentino

Neuroni specchio - Cosa sono, come funzionano 1 «I Neuroni specchio saranno per la psicologia quello che il DNA è stato per la biologia» Vilayanur S. Ramachandran I neuroni specchio sono una classe di neuroni che si attivano quando un individuo compie un'azione e quando l'individuo osserva la stessa azione compiuta da un altro soggetto Questa classe di neuroni è stata individuata nei primati, in alcuni uccelli e nell‘uomo. Nell'uomo, oltre ad essere localizzati in aree motorie e premotorie, si trovano anche nell’area di Broca e nella corteccia parietale inferiore. Ramachandran scrisse in un saggio la loro importanza nello studio dell’imitazione e del linguaggio.

Neuroni specchio – monkey see monkey do Tra gli anni '80 e '90 del secolo scorso un gruppo di ricercatori dell‘Università di Parma guidati da Giacomo Rizzolatti. 2 Elettrodi nella corteccia frontale inferiore di un macaco per studiare i neuroni specializzati nel controllo dei movimenti della mano, come il raccogliere o il maneggiare oggetti. Durante ogni esperimento era registrato il comportamento dei singoli neuroni nel cervello della scimmia mentre le si permetteva di accedere a frammenti di cibo, in modo da misurare la risposta neuronale a specifici movimenti. Fortuna: mentre uno sperimentatore prendeva una banana in un cesto di frutta preparato per esperimenti, alcuni neuroni della scimmia che osservava la scena reagirono.

Neuroni specchio – monkey see monkey do 2 Osservazione del mordere il cibo ha determinato un’attivazione delle regioni specchio dei soggetti sia che a compiere l’azione fosse l’uomo, la scimmia il cane Osservare una persona parlare ha similmente attivato alcune regioni specchio, mentre l’osservazione dello schiocco delle labbra (lip smacking) da parte della scimmia e dell’abbaiare da parte del cane hanno stimolato il sistema visivo e uditivo, ma on quello motorio

Neuroni specchio – human see human do 2 Scoperto grazie a studi con la stimolazione magnetica transcranica (TMS). Essa è una tecnica non invasiva per la stimolazione elettrica del sistema nervoso. Il sistema neuroni specchio è perfezionato rispetto alle scimmie: • Movimenti senza senso • Codifica dei movimenti che formano un’azione e non solo per l’azione stessa

Neuroni specchio – video riassuntivo 3 Questi neuroni possono essere importanti per la comprensione delle azioni di altre persone e quindi nell’apprendimento attraverso imitazione VIDEO DI ULISSE SUI NEURONI SPECCHIO https: //www. youtube. com/watch? v=LEw. Idh e. C 74 Copiare è automatico: Sbadiglio, sorridere Copiare è facile: imitare atti motori che sono già nel nostro repertorio Copiare è difficile: imparare a suonare uno strumento musicale

Neuroni specchio – argomenti di discussione 4 Grasping the intentions of Others, capire il «che cosa» di un’azione e il «perché» Ruolo dei neuroni specchio nello sviluppo dell’empatia Scimmiottando si impara, una nuova teoria riguardante la cultura e l’evoluzione umana Mirror therapy, aiutare le vittime di ictus sfruttando i principi dei neuroni specchio Lo specchio rotto, il ruolo dei neuroni specchio nell’autismo Speculazioni sulla teoria dei neuroni specchio: neuromarketing et al. Critiche al modello dei neuroni specchio

Neuroni specchio – Grasping the intentions of Others, capire il «che cosa» di un’azione e il «perché» VIDEO DI DANIEL SIEGEL https: //www. youtube. com/watch? v=Tq 1 Zx. V 9 Dc 4 Daniel J. Siegel (born July 17, 1957) is a professor of clinical psychiatry at the UCLA School of Medicine and Executive Director of the Mindsight Institute. 4

Neuroni specchio – Grasping the intentions of Others, capire il «che cosa» di un’azione e il «perché» Affinché i neuroni specchio sparino, è necessario che le azioni osservate siano completamente visibili? ESPERIMENTO #1 Osservazioni: 1. I macachi osservano una mano afferrare del cibo 2. I macachi osservano la stessa scena, ma con la fase finale (l’afferrare) nascosta 3. I macachi osservano la stessa serie di azioni ma in assenza di cibo nella scena Risultati: 1. & 2. I neuroni specchio della zona motoria si attivano in entrambi i casi 3. I neuroni specchio non «sparano» . 4

Neuroni specchio – Grasping the intentions of Others, capire il «che cosa» di un’azione e il «perché» Affinché i neuroni specchio sparino, è necessario che le azioni osservate siano completamente visibili? ESPERIMENTO #2 Osservazioni: I macachi ascoltano il guscio di una nocciolina che viene rotto, senza input visivi Risultati: I neuroni specchio si attivano I macachi sono in grado di generare in entrambi gli esperimenti una rappresentazione mentale dell’azione I neuroni specchio si attivano indipendentemente dal canale attraverso cui percepiscono l’azione e giocano un ruolo importante nella comprensione del «che cosa» sta facendo l’atro individuo 4

Neuroni specchio – Grasping the intentions of Others, capire il «che cosa» di un’azione e il «perché» È possibile che il modello dei neuroni specchio dia informazioni anche sul perché di un’azione? ESPERIMENTO #3 Osservazioni: [1° situazione] La scimmia afferra un pezzo di cibo da un contenitore (atto motorio A) La scimmia porta il cibo alla bocca per mangiarlo (atto motorio B) [2° situazione] La scimmia afferra un pezzo di cibo da un contenitore (atto motorio A) La scimmia sposta il cibo in un nuovo contenitore (atto motorio C) Risultati: Nella prima situazione si attiva il neurone X Nella seconda situazione si attiva il neurone Y != X MA { Neuroni diversi «sparano» in contesti diversi Sia X che Y reagiscono all’atto motorio «afferrare» X è sensibile solo ad «afferrare-per-mangiare» - Y si attiva solo per l’azione «afferrare-per-spostare» 4

Neuroni specchio – Grasping the intentions of Others, capire il «che cosa» di un’azione e il «perché» Altre informazioni importanti dedotte dall’esperimento • L’esperimento è rilevante poiché lo stesso accade quando la scimmia osserva lo sperimentatore compiere l’atto motorio • In entrambe le situazioni l’attivazione dei neuroni specchio X e Y è già presente all’inizio dell’atto motorio «afferrare» , quando il perché non è ancora evidente • Ogni azione (osservata o attuata) scatena una diversa catena motoria intenzionale codificata da precisi neuroni Come fa la scimmia a capire che cosa farà lo sperimentatore? Simula dentro di sé l’azione compiuta dallo sperimentatore sulla base di: • Oggetto (cibo, non cibo) • Contesto • Esperienza precedente (ha già visto fare quell’azione) 4

Neuroni specchio – Grasping the intentions of Others, capire il «che cosa» di un’azione e il «perché» Esiste un meccanismo simile nell’uomo? Sembrerebbe di si. ESPERIMENTO #4 Utilizzo della risonanza magnetica funzionale per analizzare l’attività cerebrale di 23 soggetti che hanno osservato 3 filmati, ognuno con 2 scenari possibili: 1 A. Una mano con le dita prende una tazza dal manico 1 B. Una mano agguanta la tazza con il palmo aperto 2 A. Un tavolino imbandito per la prima colazione perfettamente in ordine 2 B. Un tavolino imbandito per la prima colazione totalmente disordinato 3 A. Combinazione di 1 A e 2 A 3 B. Combinazione di 1 B e 2 B L’ultimo filmato ha provocato un’attivazione f. MRI maggiore delle regioni specchio Anche i neuroni specchio dell’uomo rispondono al «perché» di un’azione (bere/pulire), oltre che al «che cosa» (la mano che afferra la tazza) 4

Neuroni specchio – Ruolo dei neuroni specchio nello sviluppo dell’empatia 4 Empatia: capacità di porsi nella situazione di un’altra persona o, più esattamente, di comprendere immediatamente i processi psichici dell’altro. (Treccani) DISGUSTO Esperimenti di f. MRI DOLORE Emozioni molto forti ed utili alla sopravvivenza degli esseri umani I volontari: 1. Annusano sostanze sgradevoli (esperienza diretta) 1. Ricevono uno stimolo doloroso prodotto da un elettrodo 2. Osservano video di persone annusare sostanze sgradevoli che tengono tra le mani (dolore diretto) (esperienza osservata) 2. Osservano persone subire lo stesso stimolo (dolore osservato) In entrambe le esperienze si attivano 2 aree della corteccia: 1. Insula anteriore 2. Cingolo rostrale In entrambe le esperienze si attivano varie aree della corteccia tra cui: 1. Insula anteriore 2. Cingolo rostrale Esiste un meccanismo specchio che ci consente di comprendere le emozioni altrui rivivendole in noi stessi. L’umiliazione attiva le stesse aree della corteccia che si attivano in caso di dolore fisico.

Neuroni specchio – Scimmiottando s’impara, una nuova teoria riguardante la cultura e l’evoluzione umana VIDEO DI RAMACHANDRAN http: //www. ted. com/talks/vs_ramachandran_the_neurons_that_shaped_civilization Vilayanur Subramanian Ramachandran (born 1951) is currently a Professor in the Department of Psychology and the Graduate Program in Neurosciences at the University of California, San Diego. 4

Neuroni specchio – Scimmiottando s’impara, una nuova teoria riguardante la cultura e l’evoluzione umana 4 The great leap forward: ampio periodo storico in cui l’evoluzione dell’uomo ha subito un grande passo in avanti sotto vari punti di vista: Cultura Capacità di plasmare gli oggetti del mondo a seconda del proprio bisogno Linguaggio Il cervello umano delle dimensioni attuali è lo stesso di 250. 000 anni fa, mentre questo sviluppo «improvviso» si ha circa 40. 000 anni fa. Il prof. VS Ramachandran ritiene sia dovuto ad un miglioramento qualitativo del sistema dei neuroni specchio (condizione necessaria ma non sufficiente) «I would argue, though, that mirror neurons are necessary but not sufficient: their emergence and further development in hominids was a decisive step. The reason is that once you have a certain minimum amount of "imitation learning" and "culture" in place, this culture can, in turn, exert the selection pressure for developing those additional mental traits that make us human. » “Inventions like tool use, art, math and even aspects of language may have been invented "accidentally" in one place and then spread very quickly given the human brain's amazing capacity for imitation learning and mind reading using mirror neurons”

Neuroni specchio – Scimmiottando s’impara, una nuova teoria riguardante la cultura e l’evoluzione umana 4 Per dare credito alla sua teoria il prof. VS Ramachandran usa come esempio un secondo «great leap forward» . Si immagini un antropologo marziano che sta conducendo studi sull’evoluzione dell’uomo, ad un certo punto si trova dinanzi al problema dell’improvvisa nascita di capacità come l’utilizzo di strumenti, l’uso del fuoco, l’arte e la cultura. Per spiegarle le correla a dei cambiamenti nella grandezza del cervello o delle mutazioni genetiche dello stesso. In seguito, continuando ad analizzare la storia dell’uomo, giunge alla rivoluzione industriale del 19 esimo secolo. Una rivoluzione molto più drammatica di quella avvenuta 40 k anni fa. Potrebbe quindi essere tentato di dare la medesima spiegazione al fenomeno, ma noi sappiamo che «quell’evento» è avvenuto esclusivamente a causa di circostanze fortuite: Galileo inventò il metodo sperimentale e fu inventata la stampa. «So it makes no more sense to ask "why did sophisticated tool use and art emerge only 40, 000 years ago even though the brain had all the required latent ability 100, 000 years earlier? “ — than to ask "why did space travel occur only a few decades ago, even though our brains were pre adapted for space travel at least as far back Cro magnons? ”»

Neuroni specchio – Applicazioni della ricerca La ricerca sui neuroni specchio e il modo in cui essi influenzano le nostre relazioni sociali, comportamenti ed abilità motorie ha avuto numero risvolti in ricerche parallele con risultati incoraggianti. Tra queste : • Mirror Therapy, per l’aiuto alla riabilitazione di persone vittime di ictus • Supporto a persone affette da autismo • Cinematerapia • Neuromarketing 4

Neuroni specchio – Mirror therapy, aiutare le vittime di ictus sfruttando i principi dei neuroni specchio http: //www. ted. com/talks/roberto_d_angelo_francesca_fedeli_in_our_baby_s_illness_a_life_lesson 4

Neuroni specchio – Mirror therapy, aiutare le vittime di ictus sfruttando i principi dei neuroni specchio La mirror therapy è una terapia non invasiva per il recupero totale o parziale dell’attività motoria di un soggetto. Lo scopo di questa terapia è di indurre il cervello del paziente a ricreare o aggiornare la «body map» . In genere la mirror therapy si basa sull’utilizzo di uno specchio o di una mirror box in cui inserire l’arto da riabilitare. La mirror box creerà l’illusione di avere due arti perfettamente funzionanti consentendo al nostro cervello di ricreare la «body map» Questa terapia è soggetta ancora a studi per verificarne l’efficacia che sembra essere soggetta a forti variazioni di paziente in paziente. 4

Neuroni specchio – Mirror Therapy : alcuni esempi ‘’La mirror therapy nel recupero funzionale dell’arto superiore del paziente con stroke’’ Università degli Studi “G. D’Annunzio”, Chieti, 2008 Metodologia d’arruolamento Lo studio • Due gruppi da 19 pazienti post ictus reclutati (7 maschi, 12 femmine) • Sono stati inclusi: • Età media : 62, 5 (dai 45 agli 80 anni) § Pazienti con ictus recente con • Distanza media dall’ictus : 40 giorni emiparesi di arto superiore • Un gruppo è stato sottoposto alla mirror therapy • Parametri d’esclusione: • L’altro gruppo è stato sottoposto alle terapie tradizionali § Afasia di comprensione • Entrambi i gruppi sono stati sottoposti per due settimane, ogni giorno § Deficit di sensibilità completo dal lunedì al sabato, a 15 minuti di esercizi § Depressione grave valutata con Hamilton scale § Dolore alla spalla omolaterale da precludere la mobilizzazione § Spasticità alla Ashworth scale >2 Risultati Entrambi i gruppi hanno mostrato un sensibile miglioramento negli indici di disabilità globale. Il gruppo sottoposto a mirror therapy ha però mostrato miglioramenti più marcati e in tempi molto più brevi 4

Neuroni specchio – Mirror Therapy : alcuni esempi ‘’Effects of Mirror Neurons Stimulation on Motor Skill Rehabilitation in Children with Cerebral Palsy: A Clinical Trial’’ Thammasat University, Pathumthani, Thailand 2012 Metodologia d’arruolamento Lo studio • Due gruppi di 15 pazienti post ictus reclutati • Parametri d’inclusione: • Età media : 5, 9 § Età compresa tra i 2 e i 10 anni • Un gruppo è stato sottoposto alla mirror therapy via VCD § Comprensione di istruzioni vocali • L’altro gruppo è stato sottoposto alle terapie tradizionali § Possibilità di muoversi in modo • Entrambi i gruppi sono stati sottoposti per due mesi, tre volte al giorno autonomo a 30 minuti di esercizi. • Parametri d’esclusione: • Gli esercizi, essendo i pazienti molto piccoli, includevano anche compiti § Interventi ortopedici recenti basilari come indossare una maglietta oppure un pantalone. § Deficit della vista o dell’udito § Problemi cardiopolmonari Risultati Il divario tra i due gruppi nel miglioramento ottenuto, in seguito ai due mesi di terapia, è stato netto. La possibilità di effettuare esercizi quotidianamente a casa con il supporto dei genitori e sfruttando la mirror therapy si è rivelata di fondamentale importanza. 4

Neuroni specchio – Il rapporto con l’autismo L’autismo è un disturbo neuro psichiatrico che interessa la funzione cerebrale. La persona affetta da tale patologia esibisce un comportamento tipico caratterizzato da una marcata diminuzione dell'integrazione socio-relazionale e della comunicazione con gli altri ed un parallelo ritiro interiore. Con la scoperta dei neuroni specchio e con la comprensione della loro importanza proprio nell’ambito socio relazionale si è immediatamente creata una connessione tra questo disturbo e la scoperta. I neuroni specchio sono collegati all’autismo e potranno condurci a nuovi trattamenti e terapie maggiormente efficaci? 4

Neuroni specchio – Il rapporto con l’autismo : una prima ricerca Vilayanur Ramachandran e i suoi collaboratori al l'Università della California a San Diego hanno effettuato una ricerca non invasiva paragonando il sistema di neuroni specchio di bambini ‘normali’ con quello di bambini autistici. La ricerca attraverso l’elettroencefalogramma analizzava le cosiddette «onde mu» , una componente dell’elettroencefalogramma. Tale componente, sia che si compia un movimento volontario o che lo si osservi deve risultare bloccata mostrando quindi un corretto funzionamento dei neuroni specchio. Lo studio • Due gruppi da 10 soggetti: uno composto da bambini autistici e l’altro da bambini sani. • Due fasi di analisi : § Esecuzione di movimenti volontari § Osservazione di movimenti eseguiti da altri Risultati La prima fase ha dato risultati concordanti tra i due gruppi. Ciò significa che il sistema di comando motorio in soggetti autistici è pienamente funzionante. La seconda fase ha invece mostrato differenze tra i gruppi. Ciò ha mostrato che nei soggetti autistici vi è un deficit del sistema dei neuroni specchio. 4

Neuroni specchio – Il rapporto con l’autismo : ulteriori conferme e speranze per il futuro Altre ricerche svolte : • Helsinki University of Technology § Magnetoencefalogramma • Università della California § Risonanza magnetica funzionale • Università di Montreal § Stimolazione magnetica transcranica Una speranza per il futuro Come è noto, le terapie per l’autismo perdono di efficacia quanto più tardi il disturbo viene diagnosticato. In tal senso, le ricerche svolte potrebbero condurre la comunità scientifica a definire nuovi metodi di diagnostica del disturbo in modo anticipato consentendo un inizio delle terapie altrettanto anticipato. Ciò consentirà con tutta probabilità di ottenere numerosi benefici nelle terapie per le persone autistiche. 4

Neuroni specchio – Cinematerapia Sull’onda delle ricerche nell’ambito dei neuroni specchio «l’Istituto Solaris» di Roma ha svolto una ricerca volta ad utilizzare il cinema come strumento per aiutare persone con patologie psicologiche. In particolare la cinematerapia permette di intervenire sulle seguenti aree psicologiche: • l’area cognitiva, in cui è possibile migliorare alcune competenze come lo schema corporeo, l’apprendimento di concetti, l’uso di simboli • l’area emotiva, in cui è possibile incrementare la capacità di manifestare positivamente dei vissuti emotivi, sostenendo il superamento di paure e fobie e migliorando la stima di sé • l’area psicomotoria, in cui è possibile migliorare l’orientamento spaziale e la coordinazione motoria in relazione a prassi specifiche oppure generalizzate. 4

Neuroni specchio – Neuromarketing Meno nobile d’intenti ma egualmente efficace si è mostrata la ricerca sul neuromarketing. E’ stato scoperto, infatti, che molto spesso i neuroni specchio agiscono in coppia con la dopamina una delle sostanze chimiche del cervello nota per portare una sensazione di benessere ed un’elevata dipendenza. Il neuromarketing sfrutta questa sostanza per indurre l’utente ad effettuare un acquisto ricercando quella sensazione di benessere che percepisce guardando uno spot pubblicitario. Per questo gli spot cercheranno di farci immedesimare con il ‘protagonista’ che ovviamente gioverà in modo anche fantasioso dei benefici offerti dal prodotto pubblicizzato. 4

Neuroni specchio – Critiche al modello dei neuroni specchio 4 «It is argued that there is no evidence from monkey data that directly tests this theory, and evidence from humans makes a strong case against the position. » Gregory Hickok, professor of cognitive science at University of California 1. There Is No Evidence in Monkeys That Mirror Neurons Support Action Understanding • Secondo la teoria dei neuroni specchio, un problema nell’area F 5 dovrebbe determinare deficit nella percezione dell’azione, ma nessuno studio riporta un tale avvenimento. Rizzolatti e Cragheiro affermano che uno studio del genere non è fattibile perchè: i. Il Sistema specchio è bilaterale e coinvolger le strutture parietali ii. Ci sono altri meccansimi integrative che influiscono nell’action recognition iii. Una lesione all’intero Sistema specchio, ci sarebbero altri deficit cognitive che renderebbero difficile l’interpretazione. 2. Action Understanding Can Be Achieved via Nonmirror Neuron Mechanisms • Rizzolatti stesso afferma che ‘‘these [mirror neuron] findings do not exclude the possibility that other areas are involved in the description of biological movement and the understanding of action’’ 3. M 1 Contains Mirror Neurons • È stato osservato che i neuroni specchio sono presenti nella corteccia motoria primaria dei macachi(M 1). Ma nei primi report la mancanza di neuroni specchio in questa zona eliminava la possibilità che i meccanismi di mirroring fossero niente di più che una semplificazione del sistema motorio imparata tramite associazioni. 4. The Relation between Macaque Mirror Neurons and the ‘‘Mirror System’’ in Humans Is Either Nonparallel or Undetermined • I neuroni specchio sono usati per spiegare funzioni di alto livello del cervello umano. Il problema è che le specie su cui si è dimostrata l’esistenza dei neuroni specchio, non hanno questi processi cognitivi di alto livello

Neuroni specchio – Critiche al modello dei neuroni specchio 4 5. Action Understanding in Humans Dissociates from Neurophysiological Indices of the Human ‘‘Mirror System’’ • Durante un esperimento con un cane, una scimmia ed un uomo che osservavano un’azione familiare come un morso è stata riscontrata in tutti i soggetti l’attivazione delle stesse aree del cervello (left IFG and the precentral gyrus), ma solo nell’uomo e nella scimmia si è attivato il mirror system. Ciò indica che un’azione può essere compresa anche senza il sistema specchio 6. Action Understanding and Action Production Dissociate • “although gesture production and gesture recognition can be correlated in groups of both apraxic and unselected patients with focal brain lesions, these abilities double dissociate, contrary to the prediction of the mirror neuron theory of action understanding” 7. Damage to the Inferior Frontal Gyrus Is Not Correlated with Action Understanding Deficits 8. Generalization of the Mirror System to Speech. Recognition Fails on Empirical Grounds • “ data from lesion studies of speech processing unequivocally demonstrate that the motor theory/mirror neuron theory of speech perception is incorrect in any strong form. ” “Mirror neurons are a fascinating class of cells that deserve to be thoroughly investigated in the monkey, and explored systematically for possible homologues in humans. The early hypothesis that these cells underlie action understanding is likewise an interesting and prima facie reasonable idea. However, despite its widespread acceptance, the proposal has never been adequately tested in monkeys, and in humans there is strong empirical evidence, in the form of physiological and neuropsychological (double) dissociations, against the claim. ”