Il ruolo della Corteccia Parietale Posteriore nelle Funzioni Esecutive: uno studio di registrazione elettrofisiologica nella scimmia sveglia.

Un comportamento intelligente, adattivo e finalizzato consente agli individui di raggiungere gli obiettivi prefissati, coerenti con i bisogni interni e adeguati alle circostanze ambientali. Una forma di comportamento così complessa è molto utile perché versatile e flessibile, ma richiede sofisticate architetture cerebrali. Per tale motivo si ritiene che sia prerogativa assoluta degli esseri umani e degli altri primati. Queste specie possono mettere in atto comportamenti articolati essenzialmente perché possiedono meccanismi di controllo esecutivo, in grado di coordinare le differenti funzioni esecutive necessarie alle differenti scelte e azioni. Una piena comprensione di tali processi di controllo esecutivo, sia a livello funzionale che neurobiologico, è di conseguenza una sfida scientifica e sociale di primo piano. Ad oggi la ricerca scientifica si è focalizzata principalmente sulle regioni frontali della corteccia cerebrale. Tuttavia, recenti dati di risonanza funzionale per immagini e pochi studi elettrofisiologici sembrano implicare anche un coinvolgimento della corteccia parietale posteriore (CPP) in queste funzioni, in aggiunta al suo ruolo tradizionale di elaborazione dello spazio. Inspirati da questi scoperte presenti nella letteratura recente, abbiamo sviluppato un progetto di ricerca finalizzato all’esplorazione del contributo della CPP nel controllo esecutivo mediante un approccio elettrofisiologico. In particolare, abbiamo addestrato due scimmie della specie Macaca Mulatta a svolgere un paradigma di taskswitching. Le scimmie venivano istruite da un indizio visivo a svolgere un compito di discriminazione del colore oppure dell’orientamento di una serie di stimoli bivalenti (barrette di colore e orientamento variabile). Tra i differenti quesiti scientifici investigabili con il nostro esperimento, ci siamo focalizzati inizialmente sulla ricerca di evidenze di un ruolo della CPP nella codifica di regole astratte e contesti di azione, che suggerirebbero un contributo della CPP nel monitoraggio flessibile e nella correzione delle azioni allo scopo di conseguire uno scopo prefissato. Analisi dettagliate della performance comportamentale degli animali, in termini di percentuale di errore, tempi di reazione e inverse efficiency score, hanno dimostrato la capacità dei primati non umani ad affrontare il compito con grande padronanza, nonostante la complessità del paradigma. In aggiunta, il quadro comportamentale degli animali, pur con alcune piccole discrepanze, è risultato altamente coerente sovrapponibile. Da notare infine che la performance è risultata mostrare tutti gli elementi cruciali di una paradigma di task-switching, in particolare i costi comportamentali, eguagliando la performance umana in compiti simili. L’analisi dei dati elettrofisiologici si è focalizzata sulla variazione della frequenza di scarica neuronale durante il compito. L’attività dei neuroni CPP appare riflettere l’uso delle risorse cognitive durante il compito. I nostri risultati confermano il contributo di quest’area cerebrale nella preparazione e riconfigurazione appropriata dello stato cognitivo.

Intelligent, adaptive, task-oriented behavior allows individuals to pursue goals consistent with their internal needs and appropriate for the given external circumstances. Such complex form of action control is very useful because it is versatile and flexible, but it requires sophisticated brain architectures. For this reason it is thought to be an exquisite prerogative of humans and other primates. These species can engage in articulated behaviors primarily because they possess executive control mechanisms, which coordinate the different cognitive functions needed for every choice and course of action. A full understanding of executive control processes, both at the functional and neurobiological level, is therefore a major scientific and social challenge. To date scientific research in this realm has mainly focused on the frontal regions of the cerebral cortex. However, recent functional brain imaging data and few electrophysiological studies seem to also implicate the posterior parietal cortex (PPC) in these functions, above and beyond its traditional role in space processing. Inspired by these findings from the literature, we have developed a research project aimed at exploring the contribution of the PPC to executive control by means of an electrophysiological approach. In particular, we trained two Macaca mulatta monkeys to perform a task-switching paradigm. The monkeys were instructed by a visual cue to perform either an orientation-discrimination or a color-discrimination task on a set of bivalent stimuli (colored-oriented bars). Among the different scientific questions which can be addressed with our experimental design, we focused initially on looking for evidence bearing on a role of the PPC in encoding behavioral abstract rules and contexts, suggesting a contribution of the PPC in flexible monitoring and adjusting actions in order to pursue a selected goal. Detailed analysis of the behavioral performance, in terms of error rate, reaction times and inverse efficiency score demonstrates that, despite the high complexity of the paradigm, the animals have learned to master the task with a high degree of proficiency. Moreover, the pattern of performance of the animals, although with some discrepancies, is highly consistent. Importantly, the pattern of performance shows a number of the critical features of task-switching, in particular substantial behavioral costs, paralleling human performance in analogous tasks. Electrophysiological data analysis focused on the variations of neuronal spiking activity during the task. The activity of PPC neurons reflects the use of cognitive resources during the task. Our results confirm a contribution of this area to the instantiation and suitable reconfiguration of cognitive set.