La capacità di distinguere le quantità è condivisa da molti vertebrati. Una review fa il punto sulle sue basi biologiche, mostrando come lo studio di organismi modello quali pulcini e pesci zebra possa aiutare a comprendere lo sviluppo dei circuiti cerebrali coinvolti nelle abilità numeriche umane
Le abilità numeriche rientrano tra le molte considerate a lungo – in effetti per gran parte della nostra storia – proprie ed esclusive dell’essere umano. Negli ultimi anni, però, si è unita a quelle riscontrate anche in altre specie. Più precisamente, ancora prima della capacità di contare, molti vertebrati mostrano la capacità di riconoscere, almeno approssimativamente, la differenza tra quantità diverse. A ben vedere, si tratta di una capacità che offre vantaggi concreti per la sopravvivenza, perché permette, per esempio, di aiutare a individuare la maggior disponibilità di cibo, scegliere un gruppo più numeroso in cui trovare protezione o valutare la presenza di potenziali competitori. Ma come nasce questa capacità? Quali circuiti cerebrali la rendono possibile? E quali geni contribuiscono al loro sviluppo?
A queste domande è dedicata un’interessante review da poco pubblicata su Communications Biology e firmata da un gruppo internazionale di ricercatrici e ricercatori. Tra questi c’è Giorgio Vallortigara, professore all’Università di Trento, che alle abilità numeriche delle altre specie, in particolare dei polli, ha dedicato numerosi studi, di cui avevamo parlato anche qui su Research4Life.
Dai geni ai neuroni: il contributo dei modelli animali
La prospettiva della review è molto esplicita: per comprendere le origini biologiche della cognizione numerica umana è necessario studiarla anche negli altri vertebrati. Oggi possiamo apprendere molto sul nostro stesso cervello grazie alle tecniche di neuroimaging che, parlando di numeri, permettono per esempio di stabilire quali aree cerebrali si attivano durante un compito numerico, mentre gli studi genetici condotti su larga scala possono individuare varianti associate a determinate capacità o difficoltà cognitive.
Questo tipo di ricerche, però, non sempre consente di stabilire chiaramente un rapporto causa-effetto. I modelli animali consentono invece di adottare un approccio integrato, nel quale l’indagine avviene su più livelli: dal comportamento ai neuroni coinvolti, dagli specifici geni allo sviluppo di un determinato circuito nervoso. In altre parole, come spesso avviene, un modello animale permette di isolare e studiare alcuni meccanismi biologici nella complessità di un organismo che un modello in vitro oggi non può replicare. Quindi, con le dovute cautele legate alla consapevolezza che non tutto ciò che si osserva in una specie è per forza osservabile anche nella nostra, i modelli animali hanno un ruolo chiave anche nella comprensione delle abilità numeriche.
L’interesse è innanzitutto quello della ricerca di base – la necessità di chiarire le basi e i meccanismi di un’abilità della quale, tutto sommato, oggi conosciamo poco. Nel caso delle abilità numeriche, comunque, si possono anche già intuire alcune applicazioni: conosciamo infatti ben poco delle basi biologiche della discalculia, un disturbo specifico dell’apprendimento che coinvolge le abilità numeriche e matematiche e che interessa fino al 6% dei bambini in età scolare (e l’1,5% in Italia secondo i dati più recenti disponibili del Ministero dell’Istruzione). Diversi studi indicano che la discalculia, come altri disturbi del neurosviluppo, abbia anche una componente genetica, e in questo senso i modelli animali rappresentano una possibile strada sperimentale per capire come determinate alterazioni genetiche possano influenzare lo sviluppo delle reti cerebrali coinvolte nell’elaborazione delle quantità.
Pulcini e zebrafish per studiare il senso dei numeri
Ma quali specie possono meglio aiutarci nello studio delle abilità numeriche? È facile che il pensiero corra a quelle più vicine a noi, gli altri primati; e in effetti vi sono studi, per esempio, sui macachi. Ma, argomenta la review, in questo contesto sono due le specie che offrono opportunità sperimentali particolarmente preziose: si tratta dei pulcini e dello zebrafish. In questi animali è infatti possibile indagare queste capacità fin dalle prime fasi della vita e le loro basi genetiche e neuronali. Più precisamente, la trasparenza delle larve di zebrafish permette di osservare l’attività dei neuroni durante le prime fasi dello sviluppo, unendola agli studi genetici; il pulcino è invece particolarmente importante per distinguere il contributo delle predisposizioni biologiche da quello dell’esperienza e dell’apprendimento.
Per esempio, gli studi sui pulcini molto giovani, di appena tre giorni di vita, hanno mostrato che sono capaci di distinguere gruppi di oggetti con numerosità differenti (per esempio 5 contro 10), e anche che possono compiere semplici operazioni numeriche senza utilizzare simboli matematici. Infatti, se posti a osservare oggetti spostati dietro due schermi, i pulcini riescono a scegliere lo schermo dietro il quale si trovava il gruppo più numeroso. Ancora, è stato osservato che i pulcini tendono ad associare le quantità più piccole alla sinistra e quelle più grandi alla destra, un fenomeno che ricorda la cosiddetta “linea mentale dei numeri”, osservata anche negli esseri umani.
Lo zebrafish, dal canto suo, rappresenta un’opportunità complementare, quella di indagare i meccanismi genetici e neuronali che rendono possibile il riconoscimento delle quantità. Gli studi sullo zebrafish hanno identificato neuroni sensibili a specifiche numerosità già a tre giorni dalla fecondazione, mostrando quindi come sia possibile iniziare a individuare quali cellule nervose partecipano all’elaborazione delle informazioni relative alla quantità. È stato osservato, inoltre, che le rappresentazioni neuronali cambiano rapidamente durante la prima settimana di sviluppo: inizialmente prevalgono neuroni sensibili a un singolo elemento, e in seguito aumenta la presenza di cellule che rispondono a quantità superiori. Risultati che suggeriscono che i circuiti dedicati all’elaborazione numerica siano presenti molto precocemente, ma continuino a specializzarsi durante lo sviluppo. E per quanto riguarda la genetica, è stato suggerito che la modifica di specifici geni possa causare alterazioni nella capacità di discriminare gruppi di pesci di numerosità differenti.
«Conosciamo alcuni dei geni candidati a un ruolo nella discalculia evolutiva, e sappiamo che hanno ortologhi nello zebrafish. Questo consente di usare le tecniche di gene editing per studiare la neurogenetica della cognizione della numerosità: quali geni sono implicati? In che modo foggiano la struttura dei circuiti neuronali che sostengono le capacità numeriche? In che modo questi circuiti consentono l’esecuzione delle operazioni aritmetiche, che sono ciò che di distintivo possiede un vero sistema numerico? Inoltre, fino a che punto le altre specie sono in grado di associare l’attività di questi ‘neuroni del numero’ con simboli arbitrari, che è ciò che ha consentito lo sviluppo della matematica nella nostra specie, come un’invenzione culturale?», commenta Vallortigara. «Nei prossimi anni ci attendono, io credo, progressi significativi nei nostri tentativi di rispondere a queste domande».