Cinquant’anni di ricerca sul riconoscimento: dove siamo arrivati? Una prima rassegna sistematica

Abstract

Il riconoscimento è uno dei processi cognitivi più studiati nel campo delle neuroscienze cognitive. Col passare degli anni e l’avvento di nuove teorie, la discussione scientifica ha visto dei veri e propri schieramenti teorici, fino ad arrivare a degli assunti, o perlomeno, punti di vista empirici regolari. La seguente revisione sistematica riprende e analizza in modo oggettivo alcune tappe dello stato dell’arte neuroscientifico cognitivo sul riconoscimento, per arrivare a delle conclusioni che possano essere considerate univoche, almeno a livello teorico. Uno degli scopi maggiori è senz’altro comprendere la modalità del processo cognitivo di riconoscimento, suddividerlo in base alla consistenza dello stimolo, capirne in parte le basi anatomiche ed, infine, analizzare la direzione della ricerca futura nel campo.

Introduzione

Molti dati provenienti da pazienti neuropsicologici e neurologici, a partire dagli anni ’50, ci restituiscono la speculazione della presenza di due flussi corticali, i quali sono altamente specializzati, comunicanti e con funzionamento parallelo. Si tratta, ovviamente, del flusso ventrale e dorsale, chiamati anche in gergo profano “via del cosa e del dove”. Tramite questi due flussi, l’elaborazione visiva, dalla corteccia primaria (V1), viene suddivisa in due vie principali: il flusso ventrale, il quale sfocia nella corteccia infero-temporale (IT), la quale si occupa di elaborare l’identità degli stimoli in input, tramite gli organi modali visivi ed, infine, il flusso dorsale che arriva fino al lobo parietale interessando anche porzioni del lobo frontale posteriore, il quale è interessato dalla posizione dello spazio degli stimoli.

Il riconoscimento avviene tramite il primo flusso, il quale fa uso di quello dorsale per ricevere informazioni pre-identificazione. Ultimamente è stato proposto una nuova teoria, chiamata “Three ways system of action” da Osiurak, F. et al (2017), la quale considera l’esistenza di un terzo flusso, ventro-dorsale, fondamentale per l’elaborazione di categorie d’oggetti, come gli utensili. Quest ultimo aggiungerebbe, alle informazioni del cosa e del dove, la sfaccettatura della conoscenza meccanica, formando quindi l’anello mancante, comunicante tra i due flussi precedentemente descritti.

La questione del riconoscimento incorpora in sé numerose sfaccettature del cervello che devono andare incontro alla percezione e categorizzazione del mondo reale. Sembra quindi imprescindibile considerare, per errori di costrutto o per volere dei ricercatori, quando si fa ricerca, tutti i processi cognitivi che si trovano sottostanti o addirittura paralleli al riconoscimento. Per ovviare alla problematica del costrutto del processo in questione, la seguente revisione non ha preso in considerazione paradigmi sperimentali di esplorazione visiva, in quanto potrebbero essere troppo farraginosi e labili per speculare sul solo riconoscimento.

Cos’è un “oggetto”? Quante categorie di oggetti esistono?

Nello stato dell’arte quando si tratta di riconoscimento lo si associa inevitabilmente alla parola “object”. Quest’ultima, letteralmente, vuol dire “oggetto”, tuttavia, nella maggior parte dei casi, questa parola si riferisce a tutte le categorie del mondo reale che l’uomo è capace di riconoscere in quanto ha degli indizi immagazzinati nella propria memoria. La vera domanda è se sia giusto far di tutta l’erba un fascio. Tutte le categorie del mondo reale sono riconosciute tramite la medesima modalità funzionale? Condividono le stesse basi neurali?

Prima di analizzare e discutere il contenuto della nostra memoria semantica, la quale rende possibile un processo di riconoscimento, è importante indagare gli stimoli, i quali sono fondamentali per ripescare e rievocare informazioni dalla corteccia infero-temporale (IT), la quale permette questo processo e inquadrare le basi anatomiche interpellate.

Categorie di expertise e categorie comuni

L’uomo è capace di riconoscere diverse categorie del mondo reale. Secondo la teoria dei prototipi di Rosch, la memoria semantica ha una sua suddivisione gerarchica che parte, in primis, da livelli d’entrata, la quale costituisce una categoria più generale che condivide un prototipo universale, e subordinata in secundis, un livello, invece, più specifico inferiore a quello d’entrata. La suddivisione gerarchica segue in questo modo due dimensioni: quella verticale che parte da concetti più astratti (livelli d’entrata) fino a livelli più specifici e quella orizzontale la quale divide le categorie ed i suoi livelli per esclusione di caratteristiche.

Il riconoscimento può avvenire sia a livello di entrata che subordinato. Come afferma lo stesso Jeremy Wolfe, in “Sensazione e percezione”, Wolfe, J. Et al. (2014), il riconoscimento può, quindi, avere diverse “commissioni”. Ciò porta a speculare che i due tipi di riconoscimento possano interpellare differenti basi neurali e metodologie del processo. Questa speculazione, inoltre, si appoggia su dati empirici raccolti su soggetti affetti da emiagnosia. Essa è dovuta a lesioni temporo-occipitali, successivamente alle quali i soggetti non riescono quindi a riconoscere oggetti posti nell’emicampo visivo controlaterale. Quest’ultima considerazione non è però sempre vera. Di fatto, Rennig, J., et al (2018) riportano un caso in cui un soggetto affetto da emiagnosia era in grado di riconoscere oggetti, nei quali era esperto, posti nell’emicampo controlaterale alla lesione. Nonostante non si conosca la performance del soggetto precedentemente la lesione, in modo da confrontarle, egli risulta avere questa coorte di informazioni ancora accessibile, aprendo la strada alla considerazione di una possibile base neurale dissociata per categorie di oggetti nei quali siamo esperti e non.

Questa possibilità viene anche indagata da Tanaka, J. W., & Curran, T. (2001), in una situazione sperimentale il cui campione utilizzato per la raccolta dati è costituito da soggetti esperti nel riconoscimento di cani e uccelli. L’attività neurale veniva registrata in due situazioni sperimentali: la prima consiste in un paradigma di categorizzazione nel proprio dominio di expertise, la seconda in uno stesso paradigma con stimoli al di fuori del proprio dominio, in questo modo i partecipanti costituivano il proprio gruppo di controllo. I risultati mostrano la presenza della componente N170 nella zona IT con un voltaggio maggiore nel momento in cui i partecipanti erano sottoposti a task di categorizzazione di oggetti presenti nel dominio di expertise (cani e uccelli). Oltre alle differenze rispetto l’accessibilità delle informazioni nei quali siamo esperti e la loro base neurale, anche il modo in cui questi oggetti, che rientrano nelle categorie di expertise, vengono elaborati è differente.

Uno degli stimoli nei quali siamo più esperti è il viso dei nostri simili: sembra di fatto che il nostro cervello analizzi le informazioni del viso in modo olistico e parallelo. Secondo Wong, A. C.-N., Palmeri, T. J., & Gauthier, I. (2009) e Gauthier, I., Williams, P., Tarr, M. J., & Tanaka, J. (1998), più i soggetti riescono ad acquisire un grado di expertise, rispetto ad una categoria di oggetti, in quest’ultimo caso ciò è stato dimostrato tramite categorie di oggetti non esistenti (Ziggerins e Greebles), più essi riusciranno ad analizzare i suoi stimoli in modo olistico.

Sub-sistemi categoriali

Una delle questioni fondamentali al centro dell’indagine neuroscientifica è la possibilità che vi sia la presenza di modalità cognitive differenti, per categorie di stimolo differenti, del processo di riconoscimento. Molti modelli computazionali, che cercano di riprodurre le modalità di elaborazione cognitiva umana, come ad esempio, quelli che propongono e valutano Riesenhuber, M., & Poggio, T. (2000), vedono come protagonista un processo di riconoscimento unico e uguale per ogni tipo di stimolo possibile. Questi tipi di modelli computazionali possono essere perfetti per scopi che riguardano il deep learning, tuttavia non possono del tutto rappresentare la realtà cognitiva del processo di riconoscimento.

Dati che confermano questa considerazione derivano dalla letteratura neuropsicologica. Farah, M. J. (1992) descrivendo le dissociazioni tra agnosia associativa, prosopagnosia e alessia, confuta la teoria secondo la quale il processo di riconoscimento sia lo stesso per tutte le categorie di stimoli, favorendo in parte la teoria proposta da Konorski (1967), che riconosce l’esistenza di sub-sistemi. Tramite uno studio clinico, l’articolo in questione cerca di teorizzare la presenza di almeno due sub-sistemi, precisamente uno che elabori esclusivamente i volti e un secondo usato per parole e oggetti, dimostrando che persone affette da alessia falliscono in alcuni tipi di riconoscimento di figure.

Pur non prendendo in considerazione i dati che derivano dalla neuropsicologia, noi umani siamo particolarmente portati a riconoscere il viso dei nostri simili (sia quando questi sono familiari o no, come dimostrato da Salapatek 1975 e Valenza 1998 con soggetti neonati), portando inevitabilmente a pensare che le modalità di riconoscimento facciale siano del tutto differenti dal resto e che le diverse sfaccettature di “object” debbano essere indagate con compiti e stimoli differenti. Altre fonti scientifiche, come Rossion, B. (2018), ribadiscono che vi siano basi neurali differenti tra il riconoscimento di oggetti e facce. Alcune fonti neuropsicologiche testimoniano la dissociazione tra categorie semantiche e il loro processo di riconoscimento.

Vi sono di fatto pazienti che non riescono ad accedere a caratteristiche della categoria degli esseri viventi, però sono capaci di accedere ad informazioni riguardanti gli artefatti. Queste casistiche rendono l’agnosia piena di casi particolari che dissociano le diverse categorie possibili. Un’altra questione interessante è il riconoscimento e l’elaborazione di tools. Riprendendo la ricerca di Rennig, J., et al. (2018), molto interessante è anche la scelta da parte dei ricercatori di inserire lo stesso numero di tools per ogni set di stimoli (formati da diverse categorie), in quanto, questi ultimi, vanno ad attivare aree ultra-ventrali, favorendo un possibile riconoscimento supra-modale, il loro bilanciamento, quindi, rende i dati raccolti più solidi.

Inoltre, nel 2020 il dottor Giovanni Federico e la prof.ssa Maria A. Brandimonte, hanno proposto la teoria della “Rivalutazione”, un effetto a cascata del flusso ventrale, ventro-dorsale e dorso-dorsale il quale permettere ad un agente di utilizzare informazioni provenienti da varie zone della corteccia per portare a termine azioni in determinati contesti e della propria intenzione di agire. Una categoria estremamente capace di elicitare tale “rivalutazione” sono proprio gli utensili (tools). Questa teoria viene supportata da dati raccolti durante sedute di risonanza magnetica e da un’altra teoria, sopra citata, del sistema d’azione a tre vie. Gli utensili, di fatto, costituirebbero un altro sub-sistema fondamentale il quale restituisce alle affordances Gibsoniane una via di elaborazione primaria e cardinale.

Corteccia infero-temporale: quali informazioni permettono il riconoscimento delle categorie del mondo reale?

Teorie “Object-based” vs teorie “View-based”

Entrando nel vivo della discussione, il processo di riconoscimento di oggetti vede due teorie fondamentali opposte. Il riconoscimento di oggetti è uno dei processi cognitivi più indagati nelle scienze cognitive. Questo processo, de facto, ha visto numerose teorie contrastanti in molti casi: la discussione scientifica e accademica ha portato a dei veri e propri schieramenti. Il riconoscimento di oggetti è sicuramente e inevitabilmente dovuto dal flusso ventrale che sfocia nelle regioni inferiori del lobo temporale, dove sono immagazzinate le rappresentazioni degli stimoli incontrati in memoria. Tuttavia, nonostante si conoscano le sue basi anatomiche e funzionali, le modalità del processo di riconoscimento sono ancora molto discusse.

Biederman considerava il riconoscimento come la conseguenza di descrizioni strutturali degli oggetti contenuti nella rappresentazione mentale di essi. La teoria delle descrizioni strutturali è, sicuramente, “object e cocomponents-based” in quanto ogni singolo oggetto deriva dall’unione di parti primitive, chiamate geoni. I geoni sono delle forme solide costituite da un insieme di caratteristiche non accidentali. Queste caratteristiche permetterebbero il riconoscimento degli oggetti anche in angolazioni considerate accidentali e quindi ambigue. Il punto di osservazione accidentale sarebbe un punto di vista che produce delle ambiguità nell’ambiente reale. Eppure, nonostante la teoria delle descrizioni strutturali di Biederman sembra risolvere la problematica delle angolazioni ambigue degli oggetti, numerosi studi confutano le sue teorie. Di fatto, in base all’angolazione, sembra che molti soggetti possano richiedere tempi di reazione più lunghi per riconoscere degli oggetti.

Questi dati portano a favorire una teoria “view-based”, vale dire che in memoria sarebbero immagazzinati dei prototipi degli oggetti in diversi punti di vista. Quindi i punti di osservazione accidentali devono essere risolti nella loro ambiguità, richiedendo TR più lunghi. La letteratura è piena di dati che confutano la teoria “object-based”. Gauthier, I., Williams, P., Tarr, M. J., & Tanaka, J. (1998) è sicuramente l’articolo più usato per trattare ciò: il paradigma sperimentale riesce a dimostrare in modo elegante che il riconoscimento di oggetti, in questo caso non usuali come i greebles, risulta essere influenzato dal punto di vista e dal modo in cui i target vengono presentati (orientazione, luce, etc), andando così a favorire una teoria view-based (soprattutto perché le parti minime dei greebles sono formate da simil-geoni, punto fondamentale della teoria della descrizione strutturale).

Anche Hayward, W. G., & Tarr, M. J. (1997) dimostrano, tramite compiti di denominazione, che per riconoscere un oggetto ruotato sembra avvenga prima una normalizzazione dello stimolo. Un risultato interessante invece viene donato dalla ricerca di Warrington, E. K., & Taylor, A. M. (1973), i quali hanno dimostrato che, in un gruppo di pazienti lesionati, solo il gruppo di lesioni posteriori dell’emisfero destro mostra un deficit in compiti di riconoscimento di disegni frammentati e oggetti visti da un punto di vista non convenzionale. Ciò dimostra che la risoluzione dei punti di vista accidentali, o punti di vista ambigui, viene normalizzata dal lobo parietale prima che lo stimolo venga riconosciuto (tuttavia nei prossimi paragrafi affronteremo la questione dei punti accidentali e dell’orientamento dello stimolo).

Sfaccettature spaziali e contestuali del riconoscimento

Orientamento

I punti di vista accidentali aumentano i TR in compiti di riconoscimento. Cosa accade, invece, quando gli oggetti non vengono presentati in punti di vista accidentali ma in orientamenti diversi? L’orientamento è paragonabile al punto di vista accidentale? Harris, I.M., Harris, J.A. & Corballis, M.C. (2020) hanno indagato il peso dell’orientamento degli stimoli sul processo di riconoscimento. Per fare ciò sono state utilizzate 4 situazioni sperimentali di presentazioni seriali visive rapide (Rapid Serial Visual Presentation), nei quali un set di stimoli, formato da oggetti comuni, veniva presentato con orientamenti differenti. I soggetti avevano il compito, quindi, di identificare lo stimolo o di identificarne l’orientamento. I risultati dimostrano che, seguendo le orme di Anne Treisman e la teoria della “Feature Integration” (congiunzioni illusorie), l’identità dello stimolo e il suo orientamento vengono elaborati in modalità e basi neurali differenti, ciò rende le due informazioni esposte a possibili “misbiding”, cioè elaborazioni illusorie rispetto l’orientamento: nonostante uno stimolo venisse identificato, non è detto che ne venisse percepito in modo corretto il suo orientamento.

Lateralizzazione

Nel paragrafo riguardante i sub-sistemi di elaborazione degli stimoli, si è potuto constatare la particolarità degli utensili. Essi risultano essere una categoria privilegiata di stimoli, quasi quanto il viso dei nostri simili, in quanto attivano zone cerebrali extra-ventrali durante il riconoscimento. Una constatazione particolare risulta inoltre essere la facilità con la quale gli utensili vengono riconosciuti nel momento in cui vengono presentati nell’emicampo visivo destro. Verma, A., & Brysbaert, M. (2015), tramite un paradigma comportamentale, confermano le ipotesi di ricerche di neuroimmagine secondo le quali la conoscenza degli utensili è immagazzinata nell’emisfero sinistro.

I soggetti venivano sottoposti a due esperimenti: nel primo, una coppia formata da un oggetto e un non-oggetto veniva presentata ai lati di un punto di fissazione, il compito dei partecipati era quello di decidere se uno dei due stimoli bilaterali fosse un oggetto o meno; il secondo esperimento era uguale, nella procedura, con stimoli sostituiti da utensili e oggetti, il compito dei partecipanti era quindi quello di decidere se uno dei due stimoli fosse un utensile o meno. La variabile indipendente è quindi la posizione del target rispetto al punto di fissazione, andando a creare due possibili posizioni: campo visivo sinistro, campo visivo destro. Mentre il riconoscimento di oggetti non risulta essere lateralizzato, il riconoscimento degli utensili risulta avere TR minori quando lo stimolo viene presentato nel campo visivo destro.

Contesto

Alcuni studi, condotti da Loftus e Mackworth, nel 1978, favoriscono l’idea che il riconoscimento di un oggetto avvenga anche grazie al contesto nel quale viene presentato, si tratta addirittura di assetto spaziale e punti di fuga, di fatto, sarebbe più probabile trovare una mucca in un assetto spaziale aperto come quello di una prateria, che in uno chiuso come quello di un armadio. Barenholtz, E. (2014) sembra confermare in modo brillante il ruolo del contesto durante il processo di riconoscimento. Usando un set di stimoli, divisi in familiari e non familiari, a seconda del contesto (nel primo caso il contesto era formato da stanze presenti nelle case dei soggetti partecipanti), e in oggetti target da riconoscere, che erano composti soprattutto da oggetti “permanenti” nei contesti, i dati dimostrano che, per contesti familiari, vi è bisogno di meno indizi riguardo l’oggetto target affinché venga riconosciuto, confermando quindi il ruolo primario del contesto nel processo di riconoscimento di oggetti.

Il contesto sembra essere uno dei fattori scatenanti di un “priming”, il quale pre-attiva reti neurali adiacenti a quella dell’oggetto. A quanto pare, vi sarebbero diverse zone temporali che si occupano di elaborare il contesto. Holdstock, J. S. (2005) conferma le speculazioni di Aggleton & Brown (1999) secondo i quali, nel caso di compromissione della zona mediale temporale bilaterale, si utilizzano suggerimenti di familiarità, che vengono elaborati e processati da zone corticali limitrofe come quella peririnale, per portare a termine decisioni che inglobano il processo di memoria. La zona peririnale risulta quindi avere un ruolo nel riconoscimento di oggetti in quanto si occupa di elaborare, almeno secondo le evidenze di questo articolo, “cues familiarity-based”. Mentre Holdstock, J. S. (2005) ha dimostrato il ruolo della zona peririnale, facente parte del lobo temporale mediale, Arias, N., Méndez, M., & Arias, J. L. (2015) si sono invece occupati del ruolo dell’ippocampo in compiti di riconoscimento di oggetti nuovi in contesti nuovi. Usando delle cavie hanno dimostrato le loro ipotesi: il contesto influenza il processo di riconoscimento di oggetti e l’ippocampo risulta essere fondamentale nell’elaborazione contestuale.

Limitazioni metodologiche e futuro della ricerca

Nello stato dell’arte riguardante il processo cognitivo di riconoscimento visivo di oggetti, vi è una grande fetta di dati raccolti in modo specifico per confutare la teoria “components-based” dei geoni. Nonostante si arrivi sempre a favorire una teoria “view-based” al posto di una “object-based”, solo pochi ricercatori hanno speculato in modo teorico sulla modalità, o sul punto di vista, con i quali l’oggetto viene immagazzinato in memoria (si parla semplicemente di prototipo, senza definirne le caratteristiche).

Tuttavia, la discussione risulta ancora accesa: appena un anno fa è stata pubblicata una ricerca da Gerhardstein, P., & Olsen, S. (2020), i quali hanno utilizzato un paradigma sperimentale che raccoglie dati di “eye-tracking” nel momento in cui ad un gruppo di soggetti vengono presentati due gruppi di stimoli, separati da un ritardo, formati da oggetti con parti eliminate (parts -deleted): alcuni stimoli erano mancanti della metà delle sue parti, simili a geoni; altri stimoli erano mancanti di caratteristiche (features-deleted): gli oggetti risultavano essere mancanti dei dettagli.

Ogni stimolo veniva quindi diviso in due immagini, separato da un ritardo di alcuni millisecondi. Il paradigma così posto va ad analizzare il fenomeno di “priming” che risulta essere efficiente esclusivamente con stimoli parts -deleted. Nella discussione teorica i risultati vengono interpretati a favore della descrizione in parti “structural-based” (Biederman) ma contemporaneamente ad una descrizione degli oggetti “gist-based”, affermando che il riconoscimento avvenga su diversi livelli, sfociando, in questa maniera, in una conclusione abbastanza ambigua. Una delle critiche possibili per queste considerazioni potrebbe essere l’uso di dati eye-tracking in quanto analizzano un’esplorazione visiva degli stimoli, poco compatibili col processo di riconoscimento.

Dei risvolti interessanti sono arrivati circa venti anni prima, dalla revisione sistematica di Bar, M. (2001). La review in questione afferma che, per confutare la teoria object-based, sono state utilizzate, in letteratura, sessioni sperimentali nelle quali i partecipanti vengono sottoposti ad un paradigma di riconoscimento visivo con un set di stimoli, formato da oggetti comuni ma con un punto di vista non familiare, dove la variabile dipendente sono i tempi di risposta dei soggetti. I risultati che possono essere raccolti da dei paradigmi del genere sicuramente mettono in evidenza che il riconoscimento è influenzato dal punto di vista, tuttavia, non conferma che quest’ultimo sia necessariamente viewer-based, cioè, incentrato sul punto di vista dell’osservatore.

Di fatto, si sa ancora poco sulle caratteristiche dei prototipi di oggetti che la nostra memoria utilizza per riconoscere il mondo reale. L’autore, quindi, per ovviare a questa mancanza del sapere scientifico, propone di utilizzare un paradigma di priming per raccogliere dati riguardanti la corteccia IT. Si specula, di fatto, che il priming scateni un effetto a cascata, grazie al quale nella corteccia IT si sviluppi un fine tuning process, quindi, un processo di potatura di informazioni, grazie al quale vi è una minore attività neurale per oggetti familiari ma, le poche cellule attivate, sarebbero coloro che rappresentano il prime in modo migliore. Tramite una variabilità di stimoli, si potrebbe andare a riconoscere le caratteristiche dei prototipi delle varie categorie semantiche presenti nella corteccia infero-temporale.

Conclusione

La letteratura scientifica offre dati sufficienti a confutare la maggior parte delle teorie “component-based”. Non sembra, quindi, esserci l’esistenza di parti minime scomponibili che permettano il riconoscimento, anche da punti di vista accidentali, di stimoli visivi. Questi ultimi devono essere elaborati dalla via dorsale per disambiguazione, in caso di punti di vista accidentali, per poi essere riconosciuti. La teoria più plausibile è che il nostro cervello abbia in memoria semantica una rappresentazione prototopica di una categoria, in entrata o subordinata, degli oggetti. Queste suddivisioni portano a dei sub-sistemi, per ora, quelli accertati in letteratura sono stimoli facciali, utensili, parole e oggetti, questi ultimi potrebbero suddividersi in viventi e non. Si specula, inoltre, che le modalità con i quali questi sub-sistemi possono essere riconosciuti possano distinguersi tra di loro. Facce e utensili sono degli stimoli privilegiati nell’elaborazione e nel loro riconoscimento. Tuttavia, la forma e il punto di vista dei prototipi immagazzinati nella corteccia IT sono ancora da scoprirsi.

Giovanni Mario Capolongo
Università Suor Orsola Benincasa Napoli
giovannimario.capolongo@gmail.com

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