LE BASI NEUROBIOLOGICHE DELLA COMPETENZA NUMERICA

 

 

I numeri, in forme più o meno esplicite, sono onnipresenti nella nostra esperienza quotidiana come quantità, numerosità, rappresentazioni simboliche e nomi ad esse associati. Quali siano gli elementi primi alla base del concetto di numero e quale sia la vera natura dei numeri sono temi affascinanti dei quali i matematici si sono occupati in alcune fasi della storia della loro disciplina. Sebbene molta Matematica prescinda dai numeri e molta altra ancora li impieghi senza indagarne la natura, alcune branche quali lo studio dei Fondamenti (o Matematica Fondazionale) forniscono delle efficaci caratterizzazioni del concetto di numero sulla base di proprietà ritenute, rispetto ad esso, primitive. Una interessante costruzione dell’insieme dei numeri naturali (interi positivi), ormai superata per i matematici ma ancora impiegata in alcuni contesti proprio per la sua efficacia didattica, riconduce il “numero” ad una proprietà caratteristica delle classi di insiemi equipotenti. Il criterio consiste nel considerare tutti i possibili insiemi raggruppando in classi tutti e soli gli insiemi i cui elementi possono essere messi in relazione uno a uno fra loro (l’insieme di tre pere può essere messo in relazione con quello di tre mele o di tre matite ma non con quello di due penne o di quattro automobili), ciò detto il numero viene definito come quella proprietà che accomuna tutti gli insiemi della stessa classe (se in una classe ci sono insiemi di 4 pere, 4 mele, 4 sassi e 4 monete la proprietà che accomuna questi insiemi è la numerosità dei loro elementi che in questo caso è 4: la proprietà caratteristica di questa classe “è”, per definizione, il numero naturale 4).

La Matematica Fondazionale, quindi, risponde ad un quesito teorico sulla natura dei numeri riconducendo un concetto complesso ai suoi componenti elementari. Le Neuroscienze invece vanno oltre indagando i numeri dentro l’oggetto più complesso dell’universo: il nostro cervello.

Soprattutto negli ultimi due decenni sono stati condotti molti studi sull’uomo e sugli animali per comprendere la base biologica della competenza numerica dal livello anatomico fino ai meccanismi cellulari e molecolari; recentemente Andreas Nieder ha fatto il punto delle conoscenze in una interessante ed esaustiva review (Counting on neurons: the neurobiology of numerical competence. Nature Reviews Neuroscience 6, 177-190, 2005).

E’ importante distinguere le basi biologiche della competenza numerica dalle capacità dell’intelligenza umana nel campo delle abilità logico-matematiche in generale. E’ evidente che le seconde impiegano un substrato cerebrale vario e comune a molti altri processi cognitivi, in un’attività mentale complessa di analisi e sintesi che si presta poco alla parcellizzazione morfo-funzionale. Tuttavia, anche la sola conoscenza della base biologica dell’abilità di compiere operazioni intelligenti con piccoli numeri, ha rappresentato e rappresenta una sfida molto impegnativa per la ricerca neuroscientifica.

I numeri sono oggetti cognitivi astratti che si prestano ad un impiego estremamente vario e flessibile per quantificare, ordinare ed identificare. I numeri cardinali si impiegano nella stima delle dimensioni di un insieme (numerosità), mentre gli ordinali consentono di definire il posto in una successione ordinata di una serie di elementi. I numeri nominali identificano oggetti.

La difficile definizione del concetto di numero richiede locuzioni linguistiche e riferimenti semantici astratti che implicano la cultura e le abilità cognitive umane. Tuttavia, non si deve confondere l’elaborazione di una soddisfacente descrizione concettuale del numero con il possesso di capacità -presenti in molti mammiferi ed alcuni uccelli- di compiere operazioni mentali che richiedono il riconoscimento di piccole quantità e l’ordinamento in successione. In questo caso, infatti, non si tratta di possedere un “concetto di numero”, così come lo si intende in matematica, ma soltanto di impiegare le risorse di un substrato neurale per eseguire delle procedure che assomigliano alle analoghe e più evolute abilità del cervello umano. Questa distinzione, apparentemente banale, può non essere superflua, perché alcune scuole di pensiero hanno a lungo sostenuto l’ipotesi che le abilità connesse con l’uso delle cifre numeriche derivassero da quelle linguistico-verbali. La ricerca neuroscientifica ha invece accertato da tempo che la capacità di afferrare la cardinalità di oggetti al fine di valutarne la quantità e l’abilità di definire la posizione di un elemento in una serie ordinata, non nascono nell’uomo come conseguenza delle abilità linguistiche, ma hanno un’origine filogenetica più antica e indipendente.

Studi su popolazioni allo stato primitivo che mancano delle parole indicanti i numeri o hanno una concezione molto limitata del contare mediante parole, hanno mostrato che questi indigeni sono in grado di stimare il numero di elementi di un insieme anche grande impiegando mezzi e strategie non-verbali.

Studi comportamentali hanno accertato che animali incapaci di produzione linguistica sono capaci di valutazioni numeriche quantitative e seriali.

Varie specie animali sono state addestrate per discriminare numerosità in condizioni di laboratorio standard, controllabili e ripetibili, secondo protocolli collaudati da decenni. Accanto a questi studi classici, altri di impostazione più etologica, hanno dimostrato che animali allo stato selvatico sono in grado di usare spontaneamente informazioni numeriche per prendere decisioni adeguate nel proprio ambiente naturale.

Il “list learning”, che è l’abilità di codificare e recuperare una lista arbitraria di elementi nel loro ordine corretto, ha aperto una finestra per lo studio del modo in cui gli animali apprendono ed immagazzinano la collocazione ordinale degli oggetti nelle serie.

Nella specie umana è stato dimostrato che il cervello di lattanti di pochi mesi è già in grado di rappresentare la cardinalità.

La registrazione da singoli neuroni nella scimmia e lo studio mediante immagini funzionali nell’uomo hanno fornito dati importanti per il riconoscimento delle basi neurali della competenza numerica: l’informazione relativa alla quantità è rappresentata nella corteccia parietale posteriore in stretta associazione con la corteccia prefrontale.

Le proprietà di risposta delle cellule cerebrali specifiche per la numerosità aiutano a spiegare fenomeni psico-fisici di base come l’effetto di distanza numerica e l’effetto di dimensione numerica.

Nel cervello umano una formazione appartenente al lobo parietale, il solco intraparietale, è specificamente attivato da informazioni di quantità, verbali e non-verbali, indipendentemente dalla modalità sensoriale, dal tipo di notazione simbolica e dallo stato cognitivo del soggetto.

Nella scimmia l’ordine numerico è codificato dai neuroni della corteccia prefrontale laterale, indipendentemente dalle proprietà sensoriali degli oggetti impiegati. In scimmie esercitate per esperimenti in cui i movimenti della mano e dell’occhio avevano un preciso ordine seriale, sono stati trovati neuroni codificanti la posizione ordinale di tali movimenti in numerose aree della corteccia cerebrale associate alle funzioni motorie.

Nell’uomo gli studi di imaging funzionale hanno rilevato l’attivazione marcata di aree corticali parietali e prefrontali nella gestione cognitiva di informazioni ordinali.

I risultati di numerose ricerche convergono nel dimostrare che le operazioni mentali che compiamo mediante concetti riferibili ai numeri cardinali e quelle descrivibili mediante il ricorso a numeri ordinali hanno un'unica base morfo-funzionale in un sistema le cui strutture-chiave sono rappresentate dalla corteccia prefrontale e dal solco-intraparietale.

Al termine di questa esposizione sommaria ed estremamente sintetica dello stato delle conoscenze, si può affermare che i dati emergenti dalla ricerca sono ancora frammentari ed eterogenei, pertanto difficili da sintetizzare in un quadro coerente, ma poco a poco cominciano a delinearsi elementi certi per un primo abbozzo delle basi neurobiologiche della competenza numerica.

 

Patrizio Perrella

BM&L-Dicembre 2005

www.brainmindlife.org