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Rosa Salva, Orsola (2010) Early predispositions for social stimuli: the case of face perception. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

Converging evidence from several different species has led to the proposal that some newborn vertebrates, including humans and domestic chicks, have visual predispositions to attend to the head region of conspecifics (or of animals of other species that share similar characteristics) (Johnson and Horn 1988; Morton and Johnson, 1991; Sugita 2008). More specifically it has been claimed that these newborn preferences are (i) domain-relevant to the extent that other naturally occurring stimuli do not draw attention in the same way, (ii) are not based on rapid early learning, but are present from birth/hatching, and (iii) may be mediated by phylogenetically ancient brain routes common to many vertebrates.
One of the most common criticisms of the work supporting domain-relevant face biases in human newborns is that the majority of the studies conducted (with some notable exceptions) regard newborns of more than a few hours old. Thus, it remains possible that very rapid early learning contributes to the specificity of some of the effects observed (Nelson, 2001). This criticisms of the data from human newborns can be addressed by testing newly hatched visually-deprived chicks whose preference for visual stimuli can be assessed prior to any other visual experience with faces, a procedure obviously not viable with human newborns for ethical reasons.
The main aim of present study is thus to investigate from a new perspective and employing an animal model (the domestic chick) a long-debated issue: the specificity vs. non-specificity of the perceptual factors involved in face preferences. One central issue in cognitive science is how brain processes knowledge of specific domains, as for example the visual information regarding faces. Some existing evidences seem to indicate that faces are processed by anatomically and/or functionally dedicated domain-specific brain circuits, in humans and possibly also in animals. This idea seems also to be consistent with the striking processing abilities that human beings have demonstrated in face perception.
It seems plausible that, because of the relevance of faces for social life, natural selection led to the evolution of innate face-specific devices that are available prior to any postnatal experience. In fact, a number of studies have demonstrated that, even from a few hours or minutes after birth, a schematic pattern representing an upright face elicits greater visual attention in human newborns than do similar stimuli presenting the same internal face-features in scrambled positions or arranged upside-down (see Morton and Johnson, 1991 for a review). According to Morton & Johnson (1991) this evidence would indicate that human newborns respond to the unique structural configuration of the face (i.e. to facedness) due to a face-detecting mechanism (CONSPEC) that contains a configural representation of the structure of the face’s inner features (three darker areas in an upside-down triangular configuration). Similarly, domestic chicks have been shown to posses an unlearned representation for the appearance of a social object. Such a representation would guide the imprinting process ensuring that chicks would imprint on an animate object instead of on an inanimate feature of the environment. In particular, this unlearned representation of the appearance of a social object would include a very broad structural description of the features contained in the head region of a vertebrate creature (e.g. Johnson & Horn, 1988). It has thus been hypothesised that the same mechanism described to explain face preferences in newborn babies (CONSPEC) would underlie also spontaneous preferences of visually naïve chicks (Morton and Johnson, 1991).
However, in the human developmental literature it has often been debated whether newborns’ preference for faces would not be simply the secondary effect of some more general and not domain-specific visual preference displayed by newborn vertebrates. This kind of domain-general preference would direct the organism’s attention toward any stimulus presenting a certain physical attribute, regardless of whether this stimulus is a face or a non-face object (Acerra, Burnod and de Schonen, 2002; Kleiner, 1987; Macchi Cassia et al., 2008; Simion et al., 2002; Turati et al., 2002).
In my thesis I will thus assess the role of three perceptual properties (that are considered influential in the developmental literature) in determining face preferences in visually naïve domestic chicks.

The role of the vertical asymmetry of inner elements
Recently, in the developmental literature, it has been argued that newborn infants’ preferences for faces could be a secondary effect determined by non-specific biases due to constraints imposed by the immature visual system of the child. In particular, Turati et al. (2002) provided evidence that the preference for face-like stimuli could be determined by an “up-down bias” (Simion et al., 2002) that directs the babies’ attention toward any configuration presenting more elements in its upper part (a “top-heavy configuration”, as opposed to a “bottom-heavy configuration”, presenting more elements in its lower part).
Thus, we decided to investigate whether visually naive domestic chicks spontaneously prefer schematic faces or other top-heavy stimuli and whether such a preference is determined by an up-down bias, as suggested by some literature on newborn babies (Turati et al., 2002).
Eggs were incubated and hatched in the darkness and after hatching, for about 24 h, chicks were placed in an uniform white cage whose walls and floor were made of opaque white paper. The only stimulus available to chicks during this rearing period was an artificial orange cardboard imprinting object that presented an identical outline with respect to stimuli that will be employed at test (the outline of a schematic face and neck), but no inner feature. Thus, the imprinting object could not provide chicks with any bias for one of the test stimuli or with any information regarding faces’ inner features.
During the second day of life chicks underwent a spontaneous preference test, in which each chick had to choose between one of two stimuli that were simultaneously presented at the two opposite ends of a longitudinal runway. The runway was divided into three virtual sectors. At the beginning of the test each chick was placed in the central sector of the apparatus. In order to approach one of the two stimuli the chick had to leave the central sector of the apparatus and enter one of the two lateral sectors adjacent to the stimuli. Thus, entrance and residence of the chick in one of the side compartments indicated a preference for the adjacent object. The test lasted for 6 minutes. Stimuli employed at test were identical to the imprinting object in size, shape and colour, but presented three inner features (three black squares) that were absent in the imprinting object. The two stimuli in each test-pair differed from one another only in the configuration created by the three black squares (in line with standard stimuli used in the developmental literature). Changing the disposition of the three inner elements it was thus possible to test chicks preferences for face-like vs. non-face like objects controlling also for the role of the up-down bias. Each chick was tested only once and was thus exposed to only one pair of stimuli.
With this procedure we demonstrated that chicks prefer to approach a schematic face-like configuration similar to those used in newborn studies with respect to another equally top-heavy, but non-face-like, stimulus (Exp. 1).
In line with this result, in a second experiment chicks did not show any evidence of a preference for a top-heavy stimulus over a bottom-heavy stimulus, if none of them represents a face (Exp. 2).
Moreover, chicks preferred to stay near a bottom-heavy and face-like stimulus over a top-heavy non-face-like one (Exp. 4).
Thus, results obtained in this first cycle of experiments demonstrated that domestic chicks, that are visually naïve with respect to faces’ inner structure, show a spontaneous preference for schematic face-like stimuli that resemble the representation of a face as theorised by Morton and Johnson (1991). Moreover, the vertical asymmetry of inner elements (i.e. the up-down bias, Simion et al., 2002; Turati et al., 2002) does not seem to have a crucial role in the expression of this preference in the animal species that we tested.

The role of the spatial frequencies composing stimuli
During the past decades another alternative interpretation, based on the so called linear system model (LSM, e.g. Kleiner, 1987), has been proposed to explain face preferences in newborn babies, as opposed to the CONSPEC model proposed by Morton and Johnson (1991). According to this interpretation (confirmed also by the results of a recent neural network model by Acerra, Burnod and de Schonen, 2002) faces would elicit preferential attention in newborn babies simply because they happen to be composed of the range of spatial frequencies more visible to newborns.
In previous studies existing in the literature, stimuli were controlled for properties such as vertical symmetry or for the presence of structure (Morton and Johnson, 1991; Farroni et al., 2005; Rosa Salva, Regolin and Vallortigara, 2009). The research conducted in similar studies already generated a good amount of evidence for the role of the above mentioned properties. We thus decided to concentrate our efforts on the role of another potentially relevant perceptual property, namely, spatial frequency composing stimuli. The use of stimuli that exactly match spatial frequencies between face-stimuli and control-stimuli, comparing faces to frequency matched visual noise, is already a common standard in works investigating neural correlates of face perception (Csibra et al., 2004; Blasi et al., 2007). However, to the best of our knowledge, this approach has not yet been systematically applied to the investigation of behavioural preferences in newborn babies and domestic chicks. We thus decided to fill this gap between behavioural and neuroimaging studies.
In a recent study (Rosa Salva et al., submitted) we were able to demonstrate that newborn babies show a preference for looking at faces with respect to visual noise stimuli that were matched in terms of their component spatial frequencies.
In Expt. 5 of my thesis we thus decided to run a comparative study in order to be able to directly compare data obtained in newborn babies and visually naïve domestic chicks, tested with comparable procedures and identical stimuli.
The experimental procedures were the same as those described in the previous session, with the exception that no imprinting stimulus was provided to the chicks. Stimuli consisted in a colour photographic image of a human face and in a frequency matched noise stimulus.
Domestic chicks displayed a clear preference for the face-like stimulus. The strength of this preference was comparable to that displayed by newborn human babies.
The results of the present research demonstrated that analogue effects can be obtained in both visually deprived domestic chicks and human newborn babies, in that both species show a preference for images of faces. Moreover, such a preference is, in both species, independent from component spatial frequencies. Thus, the present study extends the existing analogy between results obtained in newborn babies and domestic chicks (Johnson and Horn, 1988; Morton and Johnson, 1991; Rosa Salva, Regolin and Vallortigara, 2009), confirming the validity of use of the domestic chick as an animal experimental model to investigate issues connected with the developmental literature. Finally, results obtained showed that the preference for faces observed in domestic chicks is not species-specific (in fact chicks’ preferences could be elicited by a human face). This confirms previous evidence suggesting the presence of a very broad template for the detection of faces in this species (Johnson and Horn, 1988).

Effects originated by contrast reversal
In recent years it has been demonstrated that contrast reversal eliminates the preference of newborn babies for schematic faces. The normal preference for faces can however be made to remerge by adding a pupil-like dot within the schematic face features (Farroni et al., 2005). These results have been interpreted as due to the fact that the mechanisms underling face preference have been selected to identify faces under natural (top-down) illumination. Such mechanisms are thus sensitive to the light-shadow pattern generated on faces by such conditions (the eye and mouth regions are recessed on a face and therefore appear to be darker than other parts of the face). As a consequence, infants should show no preference for face-like patterns where the elements within the face are lighter than the background, because those elements would indicate protrusions rather than recesses for their visual system (Farroni et al., 2005).
We decided to investigate the effect of contrast reversal on the preference for schematic face-like configurations displayed by chicks. The experimental procedure was the same as that described for experiments 1-4. Stimuli employed were obtained from those used in Expt. 1 (where a preference for the face-like stimulus was observed), and consisted in two top-heavy configurations, of which only one represented a face.
Stimuli employed in Expt. 6 were identical to those used in Expt. 1, with the relevant exception that they presented a reversed contrast (they were made of lighter inner features on a darker face background). No preference for one of the two stimuli was observed.
In Expt. 7, after Farroni et al. (2005), we introduced a pupil-like dot within the lighter inner features of both stimuli. This was done in order to try to restore the initial preference for the face-like stimulus observed in Expt. 1 using stimuli with “normal” contrast polarity. On the contrary, if anything, a preference for the non-face-like stimulus was observed in the present experiment. We interpreted this result as due to the fact that chicks are innately scared of stimuli resembling a pair of eyes. This is especially true for stimuli having a darker pupil within a lighter iris, because such stimuli look predator-like to them (Gagliardi, Gallup and Boren, 1976). Chicks, would thus avoid the face-like stimulus because its two upper features would resemble a pair of predators’ eyes.
We tested this hypothesis in Expt. 8, by increasing the pupil-to-iris ratio of our stimuli in order to reach the ratio that is most effective in determining a fear reaction in chicks. With this manipulation results obtained in the previous experiment were confirmed and extended, showing again a preference for the non-face-like stimulus.
Moreover, in Expt. 9, we investigated brain lateralization using the same stimuli as in Expt. 8, but testing chicks in monocular vision condition (in chicks this is an effective way for limiting visual processing to the hemisphere contralateral to the eye in use). We hypothesised that the fear reaction elicited by the face-like stimulus should be more pronounced in chicks using their right hemisphere (specialized for fear reactions to the eye-gaze of predators, Rosa Salva, Regolin and Vallortigara, 2007). Some of the results obtained in Expt. 9 were in favour of this hypothesis.
As a final control (Expt. 10) we presented chicks with a pair of stimuli that had the normal direction of contrast polarity for a face (i.e. presented darker inner features on a lighter background), but had also an eye-like appearance of their inner features. No preference whatsoever was observed, this was possibly interpreted as a consequence of the simultaneous presence of two opposite tendencies: a social preference for the face-like configuration, now emerged again thanks to the normal direction of contrast polarity, and a fear reaction elicited by its eye-like features.
Finally, in Expt. 11 we tested monocular chicks using identical stimuli to those of Expt. 10, in order to investigate brain lateralization. In this final experiment, an opposite tendency was observed for chicks using their right hemisphere with respect to what observed in Expt. 9. In fact, chicks using their right hemisphere tended to prefer again the face-like configuration. This is not completely unexpected if two things are taken in consideration. First of all, the right hemisphere is not only dominant for fear reactions to eye gaze, but also for recognition of social partners (e.g. Daisley et al., 2009, for a review). Moreover, the face stimulus used in the present experiment was conspicuously “more social” than that used in Expt. 9, because it presented the normal direction of contrast polarity for a face. This probably caused the right hemisphere to be driven by the social nature of the stimulus rather than by its aversive predator-eye-like inner features.
Results of this last cycle of experiments show that, in line with the evidence available in developmental literature, contrast reversal is effective in suppressing chicks’ preferences for schematic faces. However, adding a pupil-like eye dot on inner face features had an opposite effect in chicks with respect to newborn babies. In fact, in chicks this manipulation elicited a preference for the non-face-like stimulus, possibly due to an anti-predator fear reaction.

Overall, my results are consistent with the presence in chicks of an unlearned mechanism for the detection of faces based on a very broad template representing the structure of a face (i.e. CONSPEC, Morton and Johnson, 1991).
Moreover, contrary to evidence obtained in newborn babies (Turati et al., 2002), it seems that chicks’ preferences for faces are not influenced by the vertical asymmetry of inner elements.
On the other hand, both chicks and human babies (Rosa Salva et al., submitted) seem to prefer faces regardless of their component spatial frequencies. Similarly, contrast reversal effectively abolishes the preference for faces in both human newborns (Farroni et al., 2005) and domestic chicks.

Abstract (italian)

Sulla base di evidenze sperimentali ottenute in diverse specie animali è stato teorizzato che i piccoli di alcuni vertebrati possano avere predisposizioni precoci o innate per prestare attenzione alla regione della testa e del volto dei conspecifici (o di altri animali che ne condividano la struttura generale) (Johnson e Horn 1988; Morton e Johnson, 1991; Sugita 2008). In particolare è stato teorizzato che tali predisposizioni siano (i) di natura dominio-specifica in quanto altri stimoli presenti in ambiente naturale non attraggono l’attenzione con la stessa efficacia dei volti, (ii) non siano basate su fenomeni di apprendimento precoce, ma piuttosto siano presenti sin dal momento della nascita/schiusa, e (iii) siano mediate da sistemi neurali filogeneticamente antichi comuni a diverse specie di vertebrati.
Una delle principali critiche ai lavori che hanno dimostrato la presenza di preferenze dominio-specifiche per i volti nei neonati della specie umana è legata al fatto che, per lo più, tali lavori abbiano testato neonati di alcune ore di vita. Per tale ragione non è mai stato possibile escludere il fatto che le preferenze per i volti riscontrate nei neonati fossero dovute in realtà ad effetti di apprendimento legati all’esperienza avuta dai neonati stessi con i volti (Nelson, 2001). Tale critica può essere tuttavia aggirata da studi che impieghino pulcini di pollo domestico, deprivati di esperienza visiva riguardo ai volti, come modello animale per investigare la presenza di preferenze spontanee per i volti.
Lo scopo del mio lavoro di tesi è perciò quello di investigare da una nuova prospettiva ed usando un modello animale (il pulcino domestico) un problema a lungo dibattuto in letteratura: ovvero la specificità o non specificità dei fattori percettivi coinvolti nelle preferenze per i volti. Un tema centrale nelle scienze cognitive è rappresentato dalle modalità con le quali il cervello elabora la conoscenza relativa a degli specifici domini, come ad esempio l’informazione visiva riguardante i volti. Alcune evidenze presenti in letteratura sembrano indicare che i volti siano processati da circuiti cerebrali specificamente dedicati sia nell’uomo, che probabilmente negli animali. Questa idea è anche coerente con le incredibili capacità di elaborazione che la nostra specie dimostra per le informazioni relative ai volti.
Sembra perciò plausibile che, a casa della rilevanza dei volti per la vita sociale, la selezione naturale abbia portato all’evoluzione di meccanismi specifici deputati all’elaborazione dei volti e disponibili in modo non appreso. Infatti, numerosi studi hanno dimostrato che neonati umani di poche ore o minuti di vita preferiscono guardare uno stimolo schematico rappresentante un volto rispetto ad uno stimolo simile in cui i medesimi elementi interni componenti il volto sono presentati in posizioni scrambled o capovolte (Morton e Johnson, 1991). Secondo il modello proposto da Morton e Johnson (1991), questi risultati indicherebbero che i neonati umani preferiscono osservare qualsiasi stimolo che presenti la peculiare struttura di un volto, grazie ad un meccanismo innato per la detezione dei volti (CONSPEC), il quale conterrebbe una rappresentazione della struttura di un volto e della disposizione spaziale delle sue componenti interne. Tale rappresentazione potrebbe semplicemente comprendere la presenza di tre aree più scure su fondo chiaro poste in corrispondenza dei vertici di un invisibile triangolo rovesciato, ovvero in posizioni corrispondenti ad occhi e bocca di un volto.
In linea con il modello proposto da Morton e Johnson (1991) anche i pulcini di pollo domestico sembrano possedere una rappresentazione innata dell’aspetto di un con specifico o di un oggetto sociale in generale. Tale rappresentazione guiderebbe il processo di apprendimento noto come imprinting, assicurando che l’animale sviluppi attaccamento per un appropriato compagno sociale e non per un qualsiasi oggetto inanimato presente nell’ambiente. In particolare la rappresentazione di oggetto sociale in possesso dei pulcini includerebbe una generica e schematica descrizione strutturale relativa alla configurazione formata dagli elementi presenti nella regione della testa e del collo di un vertebrato (Johnson e Horn, 1988). E’ stato perciò teorizzato che lo stesso meccanismo descritto per spiegare le preferenze per i volti nei neonati umani (CONSPEC) stia alla base delle preferenze dimostrate dai pulcini privi di esperienza visiva (Morton e Johnson, 1991).
Tuttavia, nella letteratura relativa alla psicologia dello sviluppo è stato spesso dibattuto se le preferenze per i volti riscontrate nei neonati della specie umana non siano semplicemente un effetto secondario di un qualche generico bias aspecifico, invece che essere determinate da una preferenza di tipo dominio-specifico per i volti. Questo tipo di preferenza dominio generale dirigerebbe l’attenzione del bambino verso qualsiasi stimolo che presenti un certo attributo fisico, a prescindere dal fatto che tale stimolo sia un volto oppure no (Acerra, Burnod e de Schonen, 2002; Kleiner, 1987; Macchi Cassia et al., 2008; Simion et al., 2002; Turati et al., 2002).
Nel mio lavoro di tesi ho perciò deciso di investigare il ruolo di tre proprietà percettive (considerate influenti nella letteratura sulle preferenze per i volti nel neonati umano) nel determinare le preferenze espresse da pulcini di pollo domestico privi di esperienza visiva relativamente a dei volti.

Ruolo dell’asimmetria verticale nella distribuzione degli elementi interni
Recentemente, in psicologia dello sviluppo, è stato teorizzato che le preferenze dimostrate dai neonati umani per i volti potrebbero essere un effetto secondario determinato da dei bias attentivi di tipo non specifico, dovuti alle limitate capacità del sistema visivo immaturo. In particolare, Turati ed altri (2002) hanno prodotto dati a favore della teoria secondo la quale le preferenze per i volti sarebbero determinate dal cosiddetto “bias up-down” (Simion et al., 2002). Tale bias dirige l’attenzione del neonato verso qualsiasi configurazione che presenti più elementi nella metà superiore dello stimolo (ovvero verso qualsiasi configurazione di tipo “top-heavy”, in opposizione alle configurazioni “bottom-heavy” che presentano più elementi nella parte inferiore).
Abbiamo perciò deciso di verificare se pulcini di pollo domestico privi di esperienza visiva relativa ai volti avessero una preferenza spontanea per stimoli rappresentanti volti schematici o per configurazioni di tipo “top-heavy” e se una eventuale preferenza per i volti fosse determinata dal “bias up-down”, come suggerito dalle evidenze relative al neonato umano (Turati et al., 2002).
Sono stati testati pulcini nati all’interno del laboratorio da uova incubate e schiuse al buio. Durante le 24 ore successive alle schiusa i pulcini erano allevati in delle gabbie foderate di carta bianca opaca. L’unico stimolo fornito ai pulcini durante tale periodo di allevamento era un oggetto di imprinting artificiale, una sagoma di cartoncino arancione che aveva la stessa forma generale degli stimoli sperimentali poi usati in fase di test (la sagoma schematica di una testa su di un collo, creata da una forma ovoidale posta in cima ad una rettangolare), ma era privo di caratteristiche interne. L’oggetto di imprinting non poteva perciò fornire ai pulcini alcuna fonte di informazione relativa alla struttura interna di un volto.
Al secondo giorno di vita i pulcini venivano testati tramite un compito di scelta spontanea nel quale ciascun pulcino doveva scegliere tra una di due configurazioni (stimoli di test) simultaneamente presenti alle due estremità di un apparato longitudinale. L’apparato di scelta era virtualmente diviso in tre settori, e all’inizio del test il pulcino veniva posto in quello centrale. Per avvicinare uno dei due stimoli sperimentali l’animale doveva lasciare il settore centrale dell’apparato ed entrare in uno dei due settori laterali, adiacenti agli stimoli. Per questa ragione l’ingresso e la permanenza del pulcino in uno dei due settori laterali era considerato un indice di preferenza per lo stimolo adiacente. Il test aveva una durata di 6 minuti. Gli stimoli impiegati erano identici all’oggetto di imprinting per forma, colore e dimensioni e differivano da esso per la presenza di tre blob neri che rappresentavano le caratteristiche interne di ciascuno stimolo. I due stimoli in ogni coppia oggetto del test differivano tra loro solo nella disposizione di tali elementi interni (in accordo con gli standard relativi agli stimoli usati in psicologia dello sviluppo per testare le preferenze per i volti). Cambiando la disposizione degli elementi interni era perciò possibile testare le preferenze dei pulcini per stimoli rappresentanti dei volti schematici rispetto a stimoli che non avevano la struttura di un volto, controllando al contempo il ruolo del “bias up-down”. Ciascun pulcino era testato soltanto una volta (partecipava perciò soltanto ad un esperimento ed era esposto solo ad una coppia di stimoli).
Tramite questa procedura è stato possibile dimostrare che i pulcini preferiscono approcciare uno stimolo schematico rappresentante un volto (simile a quelli impiegati negli studi sui neonati della specie umana) rispetto ad un altro stimolo egualmente “top-heavy” ma non rappresentante un volto (Exp 1).
Coerentemente con questo risultato, in un secondo esperimento i pulcini non hanno dimostrato alcun segno di preferenza per uno stimolo “top-heavy” rispetto ad uno “bottom-heavy”, quando nessuno dei due rappresentava un volto (Exp 2).
Inoltre, in un ulteriore esperimento i pulcini hanno preferito stare vicino ad uno stimolo“bottom-heavy” rapprsentante un volto rispetto ad uno “top-heavy”, ma non avente la struttura di un volto (Exp 4).
I risultati ottenuti in questo primo ciclo di esperimenti hanno perciò permesso di dimostrare che pulcini domestici privi di esperienza visiva al riguardo hanno una preferenza spontanea per stimoli schematici che ricordano la rappresentazione di volto teorizzata da Morton e Johnson (1991). Inoltre, la asimmetria verticale nella disposizione degli elementi interni (cioè il “bias up-down”, Simion et al., 2002; Turati et al., 2002) non sembra avere un ruolo cruciale nell’espressione di tale preferenza, almeno nella specie da noi testata.

Ruolo delle frequenze spaziali componenti gli stimoli
Negli ultimi decenni è stata tuttavia proposta anche un’altra interpretazione alternativa per spiegare le preferenze per i volti in opposizione al modello proposto da Morton e Johnson (1991). Tale interpretazione è basata sul cosiddetto linear system model (LSM, Kleiner, 1987). Secondo questa teoria (recentemente avvalorata dai risultati ottenuti tramite un modello neurale da Acerra, Burnod e de Schonen, 2002), i volti sarebbero osservati preferenzialmente dai neonati umani semplicemente perché composti dal range di frequenze spaziali più visibili per i neonati.
In precedenti lavori esistenti in letteratura, sono stati impiegati stimoli controllati per proprietà quali la simmetria verticale o la presenza di struttura (Morton e Johnson, 1991; Farroni et al., 2005; Rosa Salva, Regolin e Vallortigara, 2009). Tali studi hanno generato sufficienti evidenze a proposito del ruolo di tali proprietà. Nella presente ricerca abbiamo perciò deciso di investigare il ruolo di un’altra proprietà potenzialmente rilevante, quale le frequenze spaziali componenti gli stimoli. L’uso di stimoli che equiparino le frequenze spaziali tra volti e stimoli di controllo è già uno standard accettato in lavori di neuroimmagine (Csibra et al., 2004; Blasi et al., 2007). Tuttavia, questo approccio non è stato ancora sistematicamente impiegato per l’investigazione di preferenze comportamentali in neonati umani e pulcini domestici. Abbiamo perciò deciso di colmare questo divario presente tra studi comportamentali e di neuroimmagine.
In uno studio recente (Rosa Salva et al., sottomesso) siamo stati infatti in grado di dimostrare che neonati umani preferiscono guardare immagini di volti rispetto a stimoli che abbiano il medesimo contenuto in termini di frequenze spaziali.
Nel Exp. 5 della mia tesi abbiamo perciò deciso di svolgere uno studio comparativo al fine di paragonare direttamente dati ottenuti in neonati umani e in pulcini privi di esperienza visiva, testati con procedure analoghe e stimoli identici.
La procedura sperimentale era la medesima descritta nel paragrafo precedente, con l’eccezione che non veniva fornito alcun oggetto di imprinting ai pulcini. Gli stimoli consistevano in una fotografia a colori di un volto umano ed uno stimolo noise composto dalle medesime frequenze spaziali dello stimolo rappresentante un volto.
In tale esperimento pulcini hanno dimostrato una chiara preferenza per lo stimolo rappresentante un volto. L’entità di tale preferenza era inoltre comparabile a quella precedentemente riscontrata nei neonati umani.
Il risultato della presente ricerca dimostra che effetti analoghi possono essere ottenuti in pulcini domestici privi di esperienza relativa a dei volti, e neonati umani di pochi giorni di vita, poiché entrambe le specie hanno una preferenza per immagini rappresentanti dei volti. Inoltre, tale preferenza è in entrambe le specie indipendente dalle frequenze spaziali componenti gli stimoli. Perciò, questo studio estende ulteriormente le analogie esistenti tra risultati ottenuti nel neonato umano e nel pulcino domestico (Johnson e Horn, 1988; Morton e Johnson, 1991; Rosa Salva, Regolin e Vallortigara, 2009), confermando inoltre la validità del pulcino come modello animale per lo studio di problematiche originate nell’ambito della psicologia dello sviluppo. Infine, i risultati ottenuti mostrano che la preferenza per i volti osservata nei pulcini di pollo domestico è di tipo non specie specifico (infatti le preferenze dei pulcini potevano essere elicitate anche da un volto umano). Ciò conferma le evidenze precedenti che avevano suggerito la presenza di un template estremamente generico per la detezione dei volti in questa specie (Johnson e Horn, 1988).

Effetti dell’inversione della polarità di contrasto
Recentemente, è stato dimostrato che invertire la polarità di contrasto elimina le preferenze dei neonati umani per i volti schematici. La normale preferenza per i volti riemerge tuttavia aggiungendo un pupil-like-dot entro gli elementi schematici interni al volto (Farroni et al., 2005). Questi risultati sono stati interpretati come dovuti al fatto che il meccanismo responsabile delle preferenze per i volti è stato selezionato durante l’evoluzione al fine di identificare i volti come essi appaiono in condizioni di illuminazione naturale (ovvero dall’alto). Un simile meccanismo dovrebbe perciò essere sensibile al pattern di luci ed ombre che viene creato sui volti da tale tipo di illuminazione. In particolare, le aree degli occhi e della bocca sono rientranze ed appaiono perciò più scure delle aree circostanti. Per tale ragione i neonati non dovrebbero preferire stimoli rappresentanti dei volti ma aventi polarità di contrasto invertita, perché gli elementi interni del volto sarebbero in tale caso più chiari e non più scuri dello sfondo del volto stesso (Farroni et al., 2005).
Abbiamo perciò deciso di studiare l’effetto dell’inversione della polarità di contrasto sulle preferenze per volti schematici che avevamo precedentemente dimostrato in pulcini di pollo domestico (Exp. 1). La procedura sperimentale era la stessa descritta per gli Exp. 1-4. Gli stimoli impiegati erano stati ottenuti manipolando quelli usati nell’Exp. 1 (nel quale era stata dimostrata una preferenza per lo stimolo rappresentante un volto) e consistevano in due configurazioni “top-heavy”, delle quali solo una rappresentante un volto.
Nell’Exp. 6 sono state impiegate configurazioni identiche a quelle usate nel’Exp. 1, ma aventi opposta polarità di contrasto (tali configurazioni presentavano infatti tre blob più chiari, le caratteristiche interne del volto, disposti su di uno sfondo più scuro). In questo caso non veniva osservata alcuna preferenza.
Nell’Exp. 7, seguendo la procedura di Farroni ed altri (2005), abbiamo introdotto un pupil-like-dot più scuro all’interno dei blob più chiari rappresentanti le caratteristiche interne dei due stimolo. Tale manipolazione era volta a far riemergere l’originaria preferenza per lo stimolo rappresentante il volto (che era stata osservata nell’Exp. 1 usando stimoli aventi “normale” polarità di contrasto). Al contrario, una preferenza per lo stimolo non rappresentante un volto sembrava essere presente nell’Exp. 7. Abbiamo interpretato tale risultato come dovuto al fatto che i pulcini sono spaventati in modo innato da stimoli che rassomiglino ad un paio di occhi di un potenziale predatore. Ciò è particolarmente vero per occhi aventi una pupilla scura su di un iride più chiaro, perché tali stimoli rassomigliano in modo particolare agli occhi di alcuni predatori (Gagliardi, Gallus e Boren, 1976). I pulcini da noi testati nell’Exp. 7 tenderebbero perciò ad evitare lo stimolo volto perché i suoi due elementi interni superiori rassomiglierebbero ad un paio di occhi di predatore.
Tale ipotesi è stata testata nell’Exp. 8 accrescendo il rapporto tra le dimensioni di “iride” e “pupilla” fino a raggiungere il rapporto che risulta essere il più efficace nell’elicitare una risposta di paura nei pulcini (Gagliardi, Gallus e Boren, 1976). Tramite tale manipolazione sono stati ottenuti risultati che hanno confermato ed esteso quelli dell’esperimento precedente, dimostrando nuovamente una preferenza per lo stimolo non rappresentante un volto.
Inoltre, nell’Exp. 9, è stata indagata la lateralizzazione cerebrale associata a tali effetti. A tal fine sono stati impiegati stimoli identici all’esperimento precedente, ma i pulcini sono stati testati in condizioni di visione monoculare (tale procedura è nella specie da noi impiegata efficace nel limitare l’elaborazione delle informazioni all’emisfero contralaterale all’occhio in uso). La nostra ipotesi era che la reazione di paura indotta dallo stimolo rappresentante un volto avrebbe dovuto essere più pronunciata nei pulcini aventi in uso l’emisfero destro (dominate nelle risposte di paura elicitate dallo sguardo di un potenziale predatore, Rosa Salva, Regolin e Vallortigara, 2007). Alcuni dei risultati ottenuti nell’Exp. 9 hanno supportato tale ipotesi.
Come ulteriore controllo (Exp. 10) abbiamo inoltre presentato ai pulcini una coppia di stimoli aventi la normale polarità di contrasto attesa per un volto (cioè aventi elementi interni più scuri rispetto allo sfondo del volto), ma i cui elementi interni presentavano comunque una rassomiglianza con gli occhi di un potenziale predatore. Non è stata in questo caso osservata alcuna preferenza per uno dei due stimoli. Probabilmente ciò è stato dovuto alla compresenza simultanea di due tendenze opposte: la preferenza sociale per la configurazione rappresentante un volto (ora riemersa grazie alla normale polarità di contrasto) e la reazione di paura dovuta all’aspetto simile ad occhi degli elementi interni del volto.
Infine, nell’Exp. 11, abbiamo testato pulcini monoculari usando stimoli identici a quelli impiegati nell’Exp. 10, al fine di studiare eventuali effetti di lateralizzazione cerebrale. In questo ultimo esperimento è emersa una tendenza opposta a quella osservata nell’Exp. 9. Infatti, i pulcini aventi in uso l’emisfero destro sembravano avere una preferenza per lo stimolo rappresentante un volto. Questo risultato non è così inaspettato come potrebbe sembrare, se si prendono in considerazione alcuni elementi. Per prima cosa, l’emisfero destro del pulcino non è solo dominante per le risposte di paura eleicitate dallo sguardo di un potenziale predatore, ma anche dominante per il riconoscimento dei partner sociali (review in Daisley et al., 2009). Inoltre, lo stimolo volto usato nell’Exp.11 risulta decisamente più efficace come stimolo sociale di quello usato nell’Exp. 9, poiché presenta la normale polarità di contrasto attesa per un volto. Ciò probabilmente ha fatto si che l’emisfero destro rilevasse la natura sociale di tale stimolo, piuttosto che la natura predatoria data dall’aspetto dei suoi elementi interni simili ad occhi.
I risultati di tale ultimo ciclo di esperimenti mostrano come, in linea con le evidenze ottenute nel neonato della specie umana, l’inversione della polarità di contrasto sia efficace nel sopprimere le preferenze per i volti schematici nel pulcino domestico. Tuttavia, l’aggiunta di un pupil-like-dot più scuro entro gli elementi interni del volto ha effetto opposto nel pulcino rispetto alla specie umana. Infatti, nei pulcini tale manipolazione suscita una preferenza per lo stimolo non rappresentante un volto, probabilmente a causa di una reazione di tipo antipredatorio.

Nel complesso i risultati da me ottenuti sono coerenti con la presenza nel pulcino di pollo domestico di un meccanismo innato per la detezione dei volti, basato su di una rappresentazione estremamente generica e schematica della struttura di un volto (come quella ipotizzata per CONSPEC, Morton e Johnson, 1991).
Inoltre, contrariamente alle evidenze ottenute nel neonato umano (Turati et al., 2002), sembra che le preferenze espresse dai pulcini per i volti non siano influenzate dall’asimmetria nella disposizione degli elementi interni.
D’altro canto, sembra che le preferenze per i volti, riscontrate sia nei pulcini che nei neonati umani (Rosa Salva et al., sottomesso), siano indipendenti dalle frequenze spaziali componenti gli stimoli. Similmente, in entrambe le specie l’inversione della polarità di contrasto elimina tali preferenze.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Regolin, Lucia
Ph.D. course:Ciclo 22 > Scuole per il 22simo ciclo > SCIENZE PSICOLOGICHE > PERCEZIONE E PSICOFISICA
Data di deposito della tesi:UNSPECIFIED
Anno di Pubblicazione:27 January 2010
Key Words:face preferences, domestic chicks, early social predispositions, CONSPEC, up-down bias, spatial frequencies, contrast polarity
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 11 - Scienze storiche, filosofiche, pedagogiche e psicologiche > M-PSI/02 Psicobiologia e psicologia fisiologica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Psicologia Generale
Codice ID:2544
Depositato il:11 Nov 2010 16:30
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