Detection of social agents: the role of kinematic cues

A central issue in developmental cognitive science is to understand how cognition develops and changes over time to reach an adult level of specialization. Determining the abilities with which infants come equipped into the world, their mechanisms for acquiring knowledge, and whether and how these abilities change as a function of development and experience is a challenging issue. Since humans are intensely social creatures and they tend to rely on visual signals for communicating psychological dispositions, intentions and emotions, the study of how our system becomes specialized to detect and recognize others is an interesting field of research. A fundamental human social ability is the capacity to accurately detect and understand the intentional conduct of others, to anticipate their upcoming actions, and to appropriately adjust their own behavior (Gallese, Rochat, Cossu, & Sinigaglia, 2009). Particularly, face and body motion represent primary social cues and it has been demonstrated that adults’ brain has a specific neural network that supports detection and recognition of conspecifics and their actions (Adolphs, 2009). From an ontogenetic perspective, the ability to read behavioral cues may be regarded as the fundamental precursors of more sophisticated social cognitive abilities (Gallese et al., 2009). Indeed, there is no doubt that before attributing goals, desires, dispositions to social agents, humans need to detect them in the environment and they need to use perceptual cues that allow them to discriminate animate versus inanimate objects. One of the most powerful cues that attract attention since birth is motion. Moreover, motion of living being has specific features that are not shared with motion of inanimate objects. Considering motion as a fundamental feature that human species might use to detect others and within the Neo/Neuro-constructivist theoretical framework, the purpose of my PhD dissertation is to test the role of kinematic cues in detection of social agents. Particularly, my hypothesis is that our visual system, since birth, possesses some attentional biases towards specific cues of motion that characterize animate entities. These low-level biases are the building blocks, on which during development, infants built their ability to infer other intentions. In this vein, the experience during the first months of life, plays a central role in shaping how our species can use kinematics information, and also in shaping the system to become specialized in processing social information. With this consideration in mind, my thesis begins with a theoretical chapter describing the Neo/Neuro-constructivist approach and how it explains the origin of social brain and social cognition in humans. Subsequently, in the second part of the thesis I will describe a series of experiments aimed at testing the hypothesis of the presence of low-level attentional biases towards cues of motion that characterize human motion since birth (Chapter 2). Using both the visual preference and the visual habituation techniques, the aim of the experiments presented in Chapter 2 was to investigate to which motion cues that in adults elicit animacy perception, the human visual system is sensitive since birth. On the basis of previous evidence showing that human infants, adults and even newly hatched chicks seem to use dynamic cues such as self-propulsion, change in direction, (Mascalzoni, Regolin & Vallortigara, 2010) and speed changes to discriminate between animate and inanimate entities (Tremoulet & Feldman, 2000; Lou & Baillargeron 2005) human newborns without any previous experience have been tested, (Experiment 1; Experiment 2). Collected data demonstrate that at birth also human newborns are sensitive to these cues. Furthermore, results from Experiment 3, 4, 5, and 6, demonstrate that newborns possess an innate predisposition towards a specific acceleration-deceleration pattern of kinematic (Experiment 5), and they do not manifest any preference towards a single speed change (Experiment 3, and 4) or when the order of presentation of acceleration-deceleration is inverted (Experiment 6). These results have been interpreted as suggesting that newborns possess some attentional biases towards cues of motion that characterize animate entities. This inborn sensitivity towards self-propulsion and acceleration-deceleration pattern of motion allows the system to focus attention towards these specific cues of motion also when they are embedded in complex arrays. Previous evidence demonstrates that newborns and infants manifest a sensitivity toward these motion cues also when they are embedded in a complex array of dots (i.e. Simion, Regolin & Bulf, 2008; Bardi, Regolin & Simion, 2011). Moreover, evidence collected with adults demonstrates that when the complex array of dots depicts a walking human figure, adults can retrieve multiple information form it such as walking direction (Bardi, Di Giorgio, Lunghi, Troje & Simion 2015). In light of this, the aim of the experiments described in Chapter 3, was to test whether the information of directionality conveyed by a complex array of dots can trigger orienting of attention in infancy. Specifically, a cueing paradigm was employed (Posner, 1980) and target locked event related responses (ERPs; HD Geodesic System) were recorded. Data from Experiments 7, and 8 demonstrated that the ability to use walking direction to orient attention towards the peripheral space is an ability that emerges from 6 months of age. Moreover, ERPs results indicate that 6-month-old infants, as well as adults, show a modulation of sensory components when a peripheral target appeared in a congruent position with walking direction (Experiment 8 and 9) demonstrating that walking direction can yield a gain control or selective amplification of the sensory information in the extra-cortical visual pathways. Overall, these data demonstrate that detection of social agents relies upon motion cues and that our visual system is tuned, since birth, to specific cues of motion that define human kinematics. It is hypothesized that these cues of motion might be the building blocks on which our species infer and extract intentions of others (Biro & Leslie 2007; Carey, 2009) and that the experience with conspecific might shape our ability to use motion cues to orient attention toward the surrounding space. These conclusions are in line with the Neo/Neuro-Constructivist theory of cognitive development and suggest that experience with conspecifics play a fundamental role in shaping the human system that become specialized in detecting social agents.

Una delle domande di ricerca più affascinanti all’interno delle scienze cognitive dello sviluppo riguarda il comprendere a quali cambiamenti la cognizione vada incontro nel corso dello sviluppo per raggiungere il livello di specializzazione osservato nell’adulto. A tal fine, una delle più grandi sfide è quella di determinare quali siano le abilità che i neonati posseggono fin dalla nascita e come le predisposizioni innate fungano da innesco nel processo di specializzazione del sistema nel corso dello sviluppo e in funzione dell’esperienza. In particolare l’obiettivo di questo lavoro è quello di studiare come il sistema si specializzi per riconoscere degli agenti sociali considerando il fatto che gli esseri umani sono creature sociali in grado di comprendere le intenzioni e le emozioni altrui basandosi sulla analisi di segnali non verbali e che nell’adulto è presente una specializzazione neurale e funzionale per l’elaborazione di stimoli sociali (Adolphs, 2009). Riconoscere gli agenti sociali implica la messa in atto di una serie di processi, quali orientare l’attenzione verso di essi, saperli discriminare rispetto ad altri stimoli, quali ad esempio gli oggetti inanimati, e poterli categorizzare come agenti sociali, che si affinano man mano nel corso dello sviluppo. Sicuramente, in ottica evolutiva, l’abilità di poter utilizzare il movimento come indice per poter riconoscere e categorizzare un agente come sociale potrebbe essere un precursore fondamentale di abilità cognitive più sofisticate, quali anticipare l’obiettivo delle azioni altrui e di conseguenza adeguare il proprio comportamento (Gallese, Rochat, Cossu, & Sinigaglia, 2009). Non ci sono dubbi infatti, che prima di attribuire obiettivi e intenzioni agli altri, gli esseri umani individuino gli altri esseri sociali nell’ambiente e che, per poter fare questo, abbiano bisogno di usare indici percettivi che consentano loro di discriminare tra esseri animati ed inanimati. Considerando il movimento come un aspetto fondamentale che gli esseri umani possono utilizzare per distinguere gli essere animati dagli inanimati e riferendomi al modello teorico del Neo/Neuro-Costruttivismo, l’obiettivo della mia tesi di dottorato è quello di testare il ruolo svolto dagli indici di movimento nella identificazione degli esseri sociali e delle loro azioni. In particolare, la mia ipotesi è che il nostro sistema visivo abbia fin dalla nascita dei biases attentivi per dei specifici indici di movimento che caratterizzano il movimento degli esseri animati. Questi biases sarebbero i punti di partenza da cui origina il cervello sociale che a partire dalla identificazione degli esseri viventi arriverà “a leggere” non solo gli obiettivi delle azioni ma anche le intenzioni e gli stati mentali degli altri esseri sociali. L’esperienza avrebbe dunque un ruolo centrale nello strutturare il sistema e nel farlo diventare specializzato ad elaborare le informazioni sociali. In quest’ottica, nel primo capitolo di carattere teorico, verrà introdotto l’approccio Neo/Neuro-costruttivista e verrà descritto come il cervello sociale e la cognizione sociale si sviluppano nella specie umana. Nella seconda parte della tesi (Capitolo 2). saranno presentati una serie di esperimenti il cui obiettivo sarà quello di testare l’ipotesi che fin dalla nascita il sistema abbia dei biases attentivi verso gli indici cinematici che caratterizzano il movimento degli esseri animati. Impiegando paradigmi quali la preferenza visiva e l’abituazione, è stato investigato a quali indici di movimento, che nell’adulto elicitano la percezione di un oggetto come animato, il sistema visivo fosse sensibile fin dalla nascita. Nello specifico i neonati hanno mostrato di preferire il movimento auto-generato rispetto ad un inizio di movimento ambiguo (Esperimento 1 e 2). I risultati degli Esperimenti 3, 4, 5 e 6 dimostrano, come fin dalla nascita il sistema umano possieda un bias attentivo per un oggetto che cambia velocità con una sequenza caratterizzata da accelerazione-decelerazione rispetto ad un oggetto che si muove a velocità costante, ma solamente quando i cambi di velocità in accelerazione e decelerazione sono presentati insieme e nell’ordine in cui l’accelerazione preceda la decelerazione. Questi risultati confermano la presenza di bias attentivi per gli indici di movimento che caratterizzano gli esseri animati. Quest’iniziale predisposizione permetterebbe al sistema di focalizzare l’attenzione verso indici di movimento quali, il movimento auto-generato e cinematiche caratterizzate da cambi di velocità in termini di accelerazione e decelerazione, anche quando questi indici sono presenti in configurazioni complesse di punti come dimostrano le ricerche che attestano una preferenza per il movimento biologico alla nascita (Simion, Regolin, & Bulf, 2008; Bardi, Regolin, & Simion 2011). Studi condotti con adulti hanno inoltre dimostrato che da queste configurazioni di punti è possibile estrarre una serie di informazioni socialmente rilevanti come ad esempio il genere e lo stato emotivo (Kozlowski & Cutting, 1977; Dittrich, Troscianko, Lea & Morgan 1996) e che la direzione della camminata determina un orientamento dell’attenzione verso la direzione dello spazio da essa indicata (Bardi, Di Giorgio, Lunghi, Troje & Simion, 2015). In quest’ottica, l’obiettivo degli esperimenti descritti nel Capitolo 3, è stato quello di testare se la direzione della camminata umana veicolata da un insieme complesso di punti possa elicitare un orientamento attentivo anche nei bambini di pochi mesi di vita. A tal fine è stato utilizzato il paradigma di cueing (Posner, 1980) e sono state registrate le risposte evento relate alla comparsa di uno stimolo periferico (ERPs; HD Geodesic System). I risultati degli Esperimenti 7 e 8 dimostrano che l’abilità di poter utilizzare la direzione della camminata come indice per orientare l’attenzione compare a partire dai 6 mesi di vita. I dati elettroencefalografici dimostrano che sia nei bambini di 6 mesi di vita che in partecipanti adulti, l’orientamento attentivo veicolato dalla direzione della camminata umana produce un effetto sulle componenti sensoriali quando uno stimolo periferico compare nella posizione spaziale indicata dalla direzione della camminata umana (Esperimenti 8 e 9). La modulazione delle componenti sensoriali sembra suggerire che la direzione della camminata umana eliciti un orientamento attentivo e di conseguenza produca un “beneficio” in termini di miglior elaborazione delle informazioni che compaiono in posizioni congruenti alla direzione della camminata. Complessivamente, i dati presentati in questa tesi estendono le precedenti conoscenze che dimostravano che la detezione degli agenti sociali si basa sulla presenza della configurazione volto (Valenza, Simion, Macchi Cassia & Umiltà, 1996) e mostrano che essa avviene anche sulla base di indici di movimento a cui il nostro sistema visivo è sensibile fin dalla nascita. Questo avvalora l’ipotesi che la presenza di biases attentivi verso alcuni peculiari indici cinematici focalizzi l’attenzione su queste informazioni rilevanti e filtri l’esperienza che il sistema umano acquisisce per la costruzione del cervello sociale. In quest’ottica i biases attentivi e l’esperienza sono il punto di partenza su cui il sistema si specializza nel riconoscimento degli agenti sociali e su cui poi la specie umana costruisce la cognizione sociale. Queste conclusioni sono in linea con l’approccio Neo/Neuro-costruttivista e suggeriscono che l’esperienza con i conspecifici svolga un ruolo rilevante durante lo sviluppo per strutturare la conoscenza e determinare la specializzazione del sistema.