Mechanisms of top-down visual spatial attention: computational and behavioral investigations

Questa tesi verte sull’indagine dei meccanismi alla base dell'attenzione visuo-­‐spaziale e In particolare sull'attenzione top-­‐down. Con questo termine si intende la capacità di selezionare le informazioni rilevanti e scartare quelle irrilevanti in maniera volontaria e sulla base dei nostri obiettivi. Il cervello umano non è in grado di processare allo stesso livello tutte le informazioni disponibili nell’ambiente in un dato momento, per questo una selezione corretta dell’informazione da elaborare è fondamentale anche per l’esecuzione delle più semplici attività quotidiane. Prestare attenzione ad informazioni irrilevanti può farci trascurare altre informazioni di importanza cruciale, con conseguenze potenzialmente gravi. Nel primo studio (capitolo 2) I affronterò con un approccio computazionale la questione dei meccanismi neurali che sottendono l’attenzione visuo-­‐spaziale: quali sono le basi neurali dell’attenzione visuo-­‐spaziale? Secondo la teoria premotoria, orientare l'attenzione verso una specifica posizione spaziale equivale a preparare un movimento oculare verso la medesima posizione, un’ipotesi supportata dai risultati di molteplici studi di neuroimaging e neurofisiologici, i quali hanno mostrato una notevole sovrapposizione tra i circuiti dedicati all’attenzione visiva e la programmazione di movimenti oculari. In questo capitolo presenterò un modello computazionale in grado di spiegare diversi effetti attentivi senza richiedere l’aggiunta di meccanismi specifici oltre ai circuiti oculomotori. Inoltre include un meccanismo, modellato sulla base di dati neurofisiologici, che consente di anticipare le conseguenze sensoriali di un movimento oculare sulla rappresentazione spaziale interna al modello, e di spiegare alcune recenti dimostrazioni di dissociazione tra attenzione e movimenti oculari che possono essere utilizzate per confutare la teoria premotoria. Nel capitolo successivo presenterò un secondo modello computazionale (capitolo 3) con lo scopo di investigare ulteriormente i meccanismi computazionali alla base delle trasformazioni sensorimotorie, cioè i processi che traducono l’informazione sensoriale in appropriati comandi motori. In particolare mostrerò che una rappresentazione spaziale costituita da neuroni con campi recettivi retinocentrici ,modulati in ampiezza da un segnale posturale, è sia efficiente (al fine di trasformare l’informazione visiva in coordinate motorie centrate su un effettore) che plausibile, in quanto emerge in un modello di rete neurale addestrato in maniera non supervisionata (usando cioè solo segnali disponibili localmente a livello  del singolo neurone). Questo risultato supporta inoltre l’approccio utilizzato nel primo modello presentato. Successivamente presenterò una serie di studi comportamentali: nel primo (capitolo 4), mostrerò che la costanza spaziale dell’attenzione visiva rispetto ai movimenti oculari (cioè la capacità di mantenere stabilmente l'attenzione in un punto nello spazio attraverso successivi movimenti oculari), dipende fortemente da alcune proprietà dell'immagine, vale a dire la presenza continua di punti di riferimento visivi. Questo risultato aiuta a risolvere recenti controversie sull’orientamento dell’attenzione durante movimenti oculari. Nel secondo studio comportamentale (capitolo 5), indagherò un aspetto spesso trascurato relativo al paradigma di cueing spaziale (probabilmente la tecnica più utilizzata nello studio dell’attenzione spaziale): la predittività del cue (cioè la misura in cui il cue spaziale indica correttamente la posizione in cui apparirà lo stimolo bersaglio). I risultati mostrano che, indipendentemente dalla consapevolezza dei partecipanti, variazioni nella predittività producono corrispondenti variazioni degli effetti di validità del cue, e che effetti significativi di validità possono comparire anche in assenza di un cue predittivo o direzionale. Questi risultati mettono in dubbio l’appropriatezza dell’uso di cue predittivi per indagare spostamenti volontari dell’attenzione spaziale. Infine, nell'ultimo studio userò una misura psicofisiologica, il diametro della pupilla, per indagare gli aspetti relativi all’intensità del processamento visuospaziale. In particolare mostrerò come dilatazioni della pupilla evento-­‐relate riflettano accuratamente variazioni nella performance in un compito di monitoraggio spaziale provocate dall’aggiunta di un doppio-­‐compito. Inoltre, i risultati del compito primario spaziale rivelano la presenza di un bias consistente verso l’emispazio di destra, indicato da una percentuale maggiore di bersagli omessi nell’emispazio di sinistra. In particolare il pattern di errori rispecchia il fenomeno dell’estinzione (mancata risposta a uno stimolo quando è presentata simultaneamente con un secondo stimolo, tipicamente nell’emispazio opposto) che si trova spesso in pazienti con danno cerebrale unilaterale. In conclusione, dagli studi presentati emerge un quadro dell’attenzione volontaria visuo-­‐spaziale come un meccanismo complesso, che, anche nei suoi aspetti volitivi è fortemente influenzato da altri fattori, non volitivi, sia esterni che interni all'individuo