Questa breve rassegna sintetizza alcuni importanti risultati che descrivono le caratteristiche specifiche, anatomiche e funzionali, del cervello dei sinesteti. Le principali scoperte trattate sono:

1. Le aree del cervello coinvolte nel controllo della sinestesia sono anatomicamente differenti rispetto a quelle dei non sinesteti.
2. Queste aree vengono inoltre attivate diversamente durante le esperienze sinestesiche.
3. Le differenze anatomiche e funzionali non riguardano solo le aree cerebrali specificamente implicate: vi sono infatti risultati che indicano che l’intero cervello dei sinesteti è maggiormente interconnesso di quello dei non sinesteti.
4. In termini di attivazioni neurofisiologiche i sinesteti reagiscono in modo diverso agli stimoli induttori, nelle fasi iniziali del processo di elaborazione anche quando non vi è elaborazione cosciente. Così, il cervello dei sinesteti è un esempio di grande interesse per gli specialisti ed è quindi un prezioso oggetto di ricerca.

la sinestesia

La sinestesia è un raro fenomeno percettivo nel quale gli effetti sensoriali che derivano da uno stimolo induttore in una modalità evocano percezioni concorrenti in un’altra modalità sensoriale. Il termine sinestesia è stato usato per la prima volta dal neurofisiologo francese Vulpian (Vulpian, 1866). Ma gli psichiatri svizzeri Bleuler e Lehmann (Bleuler & Lehmann, 1871) sono stati i primi a condurre sofisticate ricerche su questo particolare fenomeno. L’interesse di Bleuler per la sinestesia era finalizzato all’obiettivo di comprendere le esperienze allucinatorie, specialmente nella schizofrenia. Ma gli aspetti psicologici, neurofisiologici e neuroanatomici della sinestesia per se non hanno al tempo attratto particolare interesse. Solo dopo l’avvento dei moderni metodi di imaging cerebrale, e delle tecniche per studiare le basi neurofisiologiche dei fenomeni psicologici, un numero crescente di neuroscienziati ha sviluppato interesse per lo studio della sinestesia.

Una importante pietra miliare nell’argomento è stata il primo studio di imaging cerebrale di Paulesu e coll. (Paulesu et al., 1995) nel quale la tomografia ad emissione di positroni (PET) è stata usata per misurare le risposte emodinamiche nei sinesteti durante le esperienze sinestetiche. Molti altri studi hanno poi usato la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per osservare le risposte emodinamiche nei sinesteti (Elias, Saucier, hardie, & Sarty, 2003; Hagoort, 2010; Weiss, Shah, toni, Zilles, & Fink, 2001; Weiss, Zilles, & Fink, 2005). In generale questi studi mostrano che la percezione “concorrente” è associata a risposte emodinamiche nelle aree cerebrali che normalmente elaborano gli stimoli propri della modalità legata a quell’area. Così nei sinesteti che “odono” i colori, un tono musicale provoca l’attivazione sia nella corteccia uditiva che nell’area fusiforme del colore. Assieme a questi primi studi di imaging cerebrale, misurazioni di elettroencefalografia - legata -all’evento (ERP - EEG) nei sinesteti, hanno consentito di delineare la sequenza temporale delle attivazioni neurofisiologiche nelle esperienze sinestesiche (Barnett et al., 2008; Beeli, Esslen, & Jäncke, 2008; Brang, Edwards, Ramanchandran, & Coulson, 2010; Cohen Kadosh, Cohen Kadosh, & Henik, 2007; Gebuis, Nijboer, & Van der Smagt, 2009; Goller, Otten, & Ward, 2009; Jäncke, Rogenmoser, Mayer, & Elmer, 2012; Schiltz et al., 1999). Sulla base di questi esperimenti, le basi neurofisiologiche della sinestesia possono ora essere descritte e discusse secondo tre modelli neurofisiologici fondamentalmente diversi:

1. il modello in due fasi di attivazione incrociata e di iper legame (Hubbard, 2007),
2. il modello di disinibizione del feedback (Grossenbacher & Lovelace, 2001) 
3. il modello di mediazione limbica (Cytowic & Wood, 1982). Questi modelli che verranno qui discussi brevemente, delineano differenti previsioni sulle sequenze temporali delle esperienze sinestesiche e dei processi neurofisiologici che ne sono responsabili.

Modelli neurofisiologici

Il modello di attivazione incrociata e di iper legame è stato proposto sulla base di studi di fMRI nei sinesteti grafema – colore (Hubbard, 2007). Secondo questo modello, le aree cerebrali dove si processano i grafemi (area posteriore temporale: PTGA) e il colore (area V4) sono particolarmente connesse. L’idea chiave alla base del modello è che l’attivazione crociata di queste due aree così strettamente connesse avvenga per un eccesso di inter-connessioni anatomiche. L’abnorme interconnessione provocherebbe una forte co-attivazione delle due aree durante l’elaborazione dei grafemi. Entrambe le percezioni sono poi collegate da meccanismi parietali che producono l’iper legame. Questo modello ha ricevuto supporto da lavori sulla sinestesia udito – colore (Jäncke & Langer, 2011). Il modello di disinibizione del feedback è basato su studi su specifiche forme di sinestesia acquisita e congenita, anzichè su dati derivanti da studi di imaging cerebrale (Grossenbacher & Lovelace, 2001). Il modello diverge dal precedente perchè postula normali patterns di connettività nei sinesteti. Suggerisce anche che la sinestesia derivi dalla disinibizione del feedback da aree corticali di più alto livello nella catena della elaborazione visiva. Un modello ibrido, il cosiddetto modello di elaborazione ri-entrante, condivide con il modello di attivazione crociata la nozione dell’iper-connettività tra le aree di elaborazione della forma e del colore nell’area fusiforme, e suggerisce, come il modello di disinibizione del feedback, che i colori sinestetici richiedano il feedback dell’attività neurale che origina in aree di più alto livello (ad esempio l’area anteriore-inferiore temporale e quella posteriore -inferiore temporale) al V4 (Smilek, Dixon, Cudahy, & Merikle, 2001).

L’ipotesi di mediazione limbica, proposta da Richard Cytowic e da Frank Wood (1982) propone che la sinestesia sia mediata dal sistema limbico e specialmente dall’ippocampo, in cui molteplici segnali sensoriali convergono. In accordo con questa ipotesi i sinesteti dovrebbero possedere più fibre di connessione dal sistema limbico alla neuro corteccia. Sulla base di questa iperconnettività limbico- neocorticale, Cytowic e Wood propongono che i sinesteti siano più consci degli accoppiamenti funzionali cross-modali. Di conseguenza, il concetto di aumentato accoppiamento cross-modale è fondamentale per questa teoria che non fa assunzione di sorta sulla sequenza temporale delle esperienze sinestesiche e sulle attivazioni neurofisiologiche associate.

Questi modelli si prestano a differenti previsioni sui tempi delle attivazioni neurali. Come formulato esplicitamente in Brang e coll. (2010), ma non considerato da Grossenbacher e Lovelace (2001), ci dovrebbe essere un particolare lasso di tempo tra l’elaborazione dello stimolo induttore (l’induttore) e la percezione concorrente. In termini di attivazione neurofisiologica, si ipotizza quindi che l’attivazione neurofisiologica delle aree del cervello associate con l’elaborazione della percezione concorrente, avvenga con un significativo ritardo rispetto all’attivazione delle aree associate all’elaborazione dello stimolo induttore. Il modello di attivazione incrociata e di iper legame suggerisce aumentata connettività locale, e predice l’attivazione di V4 durante l’onda iniziale di attività in PTGA (Ramachandran & Hubbard, 2001). L’attivazione di V4 e PTGA dovrebbero dunque avvenire più o meno simultaneamente. L’ipotesi di mediazione limbica non fa alcuna assunzione rispetto ai tempi dei processi neurofisiologici. In ogni caso, poiché il sistema limbico e la neocorteccia sono strettamente interconnessi e il sistema limbico è implicato in semplici e complessi processi cognitivi e sensoriali, sono possibili sia processi veloci che lenti. Di conseguenza, anche se vi fosse iper-connettività tra i sistemi limbici e neocorticali, le latenze dell’attivazione tra le aree coinvolte sarebbero possibili ma non necessarie.

Neuroanatomia del cervello dei sinestesici

Con l’avvento delle tecniche moderne di imaging cerebrale, numerosi studi hanno esaminato le caratteristiche specifiche del cervello dei sinesteti. Usando tecniche di fMRI si è visto che le aree sensoriali che corrispondono al tipo di esperienza sinestetica vengono attivate. Così, le percezioni sinestetiche di colore, evocate ad esempio dai grafemi, possono attivare la regione del colore nella corteccia occito-temporale, ma questa attivazione non è ristretta all’area V4: le attivazioni vanno anche oltre, perchè è stato dimostrato che il controllo della sinestesia dipende da una rete di aree cerebrali (Jäncke & Langer, 2011; Rouw, Scholte, & Colizoli, 2011). Si è visto come molte regioni cerebrali sono fondamentali per l’esperienza sinestetica e tra esse vi sono regioni sensoriali e motorie ed anche regioni “di più alto livello” nel lobo parietale e frontale. Queste aree cerebrali “di più alto livello” sono molto probabilmente collegate a tre diversi processi cognitivi che sono parte intrinseca della sinestesia: i processi sensoriali (con le aree sensoriali), i processi attentivi specialmente quelli che controllano il processo associativo (nel lobo parietale) e i processi cognitivi (controllati dalle regioni frontali del cervello). È cosa molto interessante che queste aree cerebrali dimostrino caratteristiche specifiche anatomiche, come evidenziato dall’MRI strutturale (sMRI). Per esempio le aree del colore o le aree vicine a V4 spesso presentano una maggiore densità di materia grigia. Inoltre le aree parietali (specialmente il solco intraparietale: IPS) sono state ripetutamente identificate come i distretti cerebrali che hanno aumentata densità di materia grigia nei sinesteti. Alcuni studi hanno anche identificato specifiche caratteristiche anatomiche nelle aree cerebrali frontali. In questo modo, queste aree cerebrali, che sono fortemente coinvolte nella generazione e nel controllo delle esperienze sinestetiche, sono anatomicamente differenti rispetto a quelle dei non sinesteti.

Solo pochi studi hanno usato “Diffusion tensor imaging” (DTI) per misurare e ricostruire le fibre che connettono le diverse aree cerebrali (Hanggi, Beeli, Oechslin, & Jäncke, 2008; Jäncke, Beeli, Eulig, & Hanggi, 2009). Questi pochi studi hanno rivelato che vi sono alcuni tipi di specifiche interconnessioni tra le aree cerebrali coinvolte citate sopra. Di particolare importanza è un articolo recente del nostro gruppo in cui abbiamo utilizzato approcci graph-teoretici sulla base delle misure dello spessore corticale (Hanggi, Wotruba, & Jäncke, 2011). Usando misure di spessore corticale ottenute con misure sMRI del cervello di sinesteti, ne abbiamo stimata la connettività corticale. Abbiamo trovato che i sinesteti (sinesteti grafema-colore) hanno maggiore interconnettività cerebrale rispetto ai non sinesteti. Quindi non solo le aree del cervello che si sanno coinvolte nel controllo delle esperienze sinestetiche sono fortemente interconnesse, ma anche altre non identificate come specifiche con riferimento alle esperienze sinestetiche. In base a questi risultati noi assumiamo che il cervello sinestetico sia caratterizzato da una sorta di iperconnettività. In un articolo precedente avevamo identificato un tipo di iperconnettività focale per la nostra famosa sinesteta E.S., che è una sinesteta di intervallo tonale-gustativo (Hanggi et al., 2008). Lei sente particolari gusti sulla lingua quando ascolta particolari intervalli di tono (Beeli, Esslen, & Jäncke, 2005). Questa straordinaria sinestesia è correlata a un tipo di iperconnettività nella corteccia uditiva, che si estende all’insula. Può essere la ragione per cui E.S. sente dei sapori come conseguenza dell’ascolto di intervalli tonali, dato che la corteccia uditiva è fortemente e strettamente connessa con l’insula, che ospita reti neurali che si sanno coinvolte nella percezione del gusto. Considerato nel suo insieme, il cervello dei sinesteti mostra molte differenze anatomiche rispetto a quello dei non-sinesteti. Esse sono in accordo con l’idea di un cervello in cui abilità specifiche sono connesse a specifiche caratteristiche anatomiche e funzionali.

Sequenza temporale dell’ attivazione nei sinesteti

L’analisi della sequenza temporale delle attivazioni neurofisiologiche durante l’esperienza sinestetica consente di testare i precedenti modelli neurofisiologici della sinestesia. Gli stessi dati della sequenza temporale forniscono anche un utile mezzo con cui studiare se le esperienze sinestetiche siano guidate da percezioni precoci (bottom – up) o da fasi tardive di elaborazione più cognitive (top-down), o anche dalla loro interazione. Studi recenti hanno proposto che sia i processi bottom-up che quelli top-down possano essere coinvolti nella sinestesia.

L’EEG e la MEG (magnetoencefalografia) sono stati usati per seguire la sequenza temporale dell’attivazione neurofisiologica durante le percezioni sinestetiche, in quanto consentono la misura dell’attivazione corticale nell’ambito dei millisecondi. Due tipi di studi hanno finora usato queste tecniche nelle ricerche sulla sinestesia: il primo ha usato misure di potenziali evocati, con il tempo bloccato per gli stimoli induttori (Beeli, Esslen, & Jäncke, 2007; Brang et al., 2008; Brang, Hubbard, Coulson, Huang, & Ramachandran, 2010b; Goller et al., 2009; Jäncke et al., 2012; Schiltz et al., 1999) che erano visuali (ad esempio grafemi per i sinesteti grafema – colore) o uditivi (toni o parole per i sinesteti udito – colore). Il secondo tipo ha usato tecniche di priming e ha misurato processi di più alto ordine cognitivo nel contesto dell’esperienza sinestetica (Niccolai, Wascher, & Stoerig, 2012; Shalgi & Foxe, 2009).

La maggior parte di questi studi ha rivelato che i sinesteti mostrano diverse reazioni neurofisiologiche in tempi piuttosto precoci nell’elaborazione, circa 80-150 ms dopo la presentazione dello stimolo induttore. Le differenze neurofisiologiche si estendono anche fino alle fasi di elaborazione successive, fino a 300-400 ms dopo la presentazione dello stimolo. Quindi, i sinesteti ovviamente elaborano gli stimoli induttori, in modo diverso per un lungo periodo, ma le differenze compaiono piuttosto presto, a tempi di elaborazione durante i quali l’elaborazione conscia non è probabile (Jäncke et al., 2012).

Riassunto e conclusione

La sinestesia è un affascinante fenomeno che ora attrae molti neuroscienziati e psicologi. Con l’avvento dei moderni studi di imaging cerebrale e con il miglioramento della registrazione dei dati EEG e MEG è ora possibile esaminare il cervello dei sinesteti con molta precisione. Sulla base di esperimenti che sfruttano i vantaggi di tutti i metodi, si è visto che i sinesteti mostrano differenze anatomiche e funzionali nelle aree cerebrali note per essere implicate nel controllo (e probabilmente nella generazione) della sinestesia. È però di grande interesse che l’intero cervello dei sinesteti sia organizzato anatomicamente in modo diverso, con una più alta interconnettività rispetto ai non sinesteti. Un ulteriore interessante risultato è che i precoci processi percettivi (bottom-up), così come i più tardivi processi cognitivi (top-down) sono differenti nella sinestesia. Se entrambi siano simultaneamente alterati nei sinesteti, o se sia alterato soltanto un particolare processo è questione aperta, che verrà risolta da studi futuri.

Bibliografia

Barnett, K. J., Foxe, J. J., Molholm, S., Kelly, S. P., Shalgi, S., Mitchell, K. J., & Newell, F. N. (2008). Differences in early sensory-perceptual processing in synesthesia: a visual evoked potential study. Neuroimage, 43(3), 605–613.

Beeli, G., Esslen, M., & Jäncke, L. (2005). Synaesthesia: when coloured sounds taste sweet. Nature, 434(7029), 38.

Beeli, G., Esslen, M., & Jäncke, L. (2008). Time course of neural activity correlated with colored-hearing synesthesia. Cerebral Cortex, 18(2), 379–385.

Beeli, G., Esslen, M., & Jäncke, L. (2007). Time Course of Neural Activity Correlated with Colored-Hearing Synesthesia. Cerebral cortex (New York, NY: 1991).

Bleuler, E., & Lehmann, K. (1871). Zwangsmässige Lichtempfindungen durch Schall und verwandte Erscheinungen auf dem Gebiete der andern Sinnesempfindungen. Leipzig: Fues’s Verlag.

Brang, D., Edwards, L., Ramachandran, V. S., & Coulson, S. (2008). Is the sky 2? Contextual priming in grapheme-color synaesthesia. Psychol Sci, 19(5), 421–428.

Brang, D., Hubbard, E. M., Coulson, S., Huang, M., & Ramachandran, V. S. (2010a). Magnetoencephalography reveals early activation of V4 in grapheme-color synesthesia. NeuroImage, 53(1), 268–74.

Brang, D., Hubbard, E. M., Coulson, S., Huang, M., & Ramachandran, V. S. (2010b). Magnetoencephalography reveals early activation of V4 in grapheme-color synesthesia. Neuroimage, 53(1), 268–274.

Brang, D., Teuscher, U., Ramachandran, V. S., & Coulson, S. (2010). Temporal sequences, synesthetic mappings, and cultural biases: the geography of time. Conscious Cogn, 19(1), 311–320.

Cohen Kadosh, R., Cohen Kadosh, K., & Henik, A. (2007). The neuronal correlate of bidirectional synesthesia: a combined event-related potential and functional magnetic resonance imaging study. Journal of cognitive neuroscience, 19(12), 2050–2059.

Cytowic, R. E., & Wood, F. B. (1982). Synesthesia. I. A review of major theories and their brain basis. Brain Cogn, 1(1), 23–35.

Elias, L. J., Saucier, D. M., Hardie, C., & Sarty, G. E. (2003). Dissociating semantic and perceptual components of synaesthesia: behavioural and functional neuroanatomical investigations. Brain Res Cogn Brain Res, 16(2), 232–237.

Gebuis, T., Nijboer, T. C. W., & Van der Smagt, M. J. (2009). Multiple dimensions in bi-directional synesthesia. European Journal of Neuroscience, 29(8), 1703–1710.

Goller, A. I., Otten, L. J., & Ward, J. (2009). Seeing Sounds and Hearing Colors: An Event-related Potential Study of Auditory-Visual Synesthesia. Journal of Cognitive Neuroscience, 21(10), 1869–1881.

Grossenbacher, P. G., & Lovelace, C. T. (2001). Mechanisms of synesthesia: cognitive and physiological constraints. Trends in Cognitive Sciences, 5(1), 36–41.

Hanggi, J., Beeli, G., Oechslin, M. S., & Jäncke, L. (2008). The multiple synaesthete E.S.: neuroanatomical basis of interval-taste and tone-colour synaesthesia. Neuroimage, 43(2), 192–203.

Hanggi, J., Wotruba, D., & Jäncke, L. (2011). Globally Altered Structural Brain Network Topology in Grapheme-Color Synesthesia. Journal of Neuroscience, 31(15), 5816–5828.

Hubbard, E. M. (2007). Neurophysiology of synesthesia. Curr Psychiatry Rep, 9(3), 193–199.
Hubbard, E. M., & Ramachandran, V. S. (2005). Neurocognitive mechanisms of synesthesia. Neuron, 48(3), 509–520.

Jäncke, L., Beeli, G., Eulig, C., & Hanggi, J. (2009). The neuroanatomy of grapheme-color synesthesia. Eur J Neurosci, 29(6), 1287–1293.

Jäncke, L., & Langer, N. (2011). A strong parietal hub in the small-world network of coloured-hearing synaesthetes during resting state EEG. J Neuropsychol, 5(2), 178–202.

Jäncke, L., Rogenmoser, L., Meyer, M., & Elmer, S. (2012). Pre-attentive modulation of brain responses to tones in coloured-hearing synesthetes. BMC Neuroscience, 13(1), 151.

Niccolai, V., Wascher, E., & Stoerig, P. (2012). Distinct neural processes in grapheme-colour synaesthetes and semantic controls. The European journal of neuroscience, (January), 1–9.

Nunn, J. A., Gregory, L. J., Brammer, M., Williams, S. C. R., Parslow, D. M., Morgan, M. J., … Gray, J. A. (2002). Functional magnetic resonance imaging of synesthesia: activation of V4/V8 by spoken words. Nature Neuroscience, 5(4), 371–375.

Paulesu, E., Harrison, J., Baroncohen, S., Watson, J. D. G., Goldstein, L., Heather, J., … Frith, C. D. (1995). The Physiology of Colored Hearing - A Pet Activation Study of Color-Word Synaesthesia. Brain, 118, 661–676.

Ramachandran, V. S., & Hubbard, E. M. (2001). Psychophysical investigations into the neural basis of synaesthesia. Proceedings of the Royal Society of London Series B-Biological Sciences, 268(1470), 979–983.

Rouw, R., Scholte, H. S., & Colizoli, O. (2011). Brain areas involved in synaesthesia: A review. Journal of Neuropsychology, 5, 214–242.

Schiltz, K., Trocha, K., Wieringa, B. M., Emrich, H. M., Johannes, S., & Munte, T. F. (1999). Neurophysiological aspects of synesthetic experience. J Neuropsychiatry Clin Neurosci, 11(1), 58–65.

Shalgi, S., & Foxe, J. J. (2009). The neurophysiology of bi-directional synesthesia (Commentary on Gebuis et al.). Eur J Neurosci, 29(8), 1701–1702.

Smilek, D., Dixon, M. J., Cudahy, C., & Merikle, P. M. (2001). Synaesthetic photisms influence visual perception. Journal of Cognitive Neuroscience, 13(7), 930–936.

Van Leeuwen, T. M., Petersson, K. M., & Hagoort, P. (2010). Synaesthetic colour in the brain: beyond colour areas. A functional magnetic resonance imaging study of synaesthetes and matched controls. PLoS ONE, 5(8), e12074.

Vulpian, E. F. A. (1866). Leçons sur la physiologie générale et comparée du système nerveux, faites en 1864 au Muséum d’histoire naturelle. Paris: Gerner-Baillière.

Weiss, P. H., Shah, N. J., Toni, I., Zilles, K., & Fink, G. R. (2001). Associating colours with people: a case of chromatic-lexical synaesthesia. Cortex, 37(5), 750–753.

Weiss, P. H., Zilles, K., & Fink, G. R. (2005). When visual perception causes feeling: enhanced cross-modal processing in grapheme-color synesthesia. Neuroimage, 28(4), 859–868.