Did I do that? The subjective experience of agency and its neural correlates in healthy and pathological conditions

Modifying the external world through our own voluntary actions is a fundamental aspect of human experience. In adult life, this experience also produces a peculiar feeling of controlling external events, called the “sense of agency.” Perhaps because of its elusive essence, both the subjective experience of agency and its neural correlates – although extensively investigated – remain poorly understood. Over the past decades, new objective measures have been developed to study the sense of agency (e.g., the intentional binding effect), together with new theories emerging from cognitive and computational neuroscience. Coupled with multi-modal neuroscientific techniques, these new methods and theories create a powerful set of tools for investigating the subjective experience of agency and overcoming the limits of previous studies. In this PhD project, I explored the sense of agency by taking advantage of the implicit index of the agency experience known as the intentional binding effect in a series of experiments with meta-analytical techniques, behavioral tasks, functional magnetic imaging, and non-invasive brain stimulation, in healthy and pathological populations. In particular, I first reviewed the state of the art of the investigation on the human sense of agency (chapter one, introduction and meta-analytical investigation). I then characterized the neurofunctional correlates of the sense of agency (chapter two, first functional magnetic resonance imaging (fMRI) study) and determined the consequences of modulating the key nodes of the resulting putative agency brain network on the behavior (chapter three, transcranial magnetic stimulation (TMS) study). I continued exploring the effects of modulating different features of the action-outcome on the behavior and cortical activity associated with the sense of agency (chapter four, second fMRI study). Finally, I completed my investigation exploring possible aberrant agency experiences and associated neurofunctional alterations in a clinical population affected by Gilles de la Tourette syndrome (chapter five, third fMRI study). As well as offering new insights into how we feel in control of our movements, this PhD thesis provides new chances for understanding and treating the disorders of the sense of agency and suggests a number of opportunities for future clinical and empirical works (chapter six, general discussion).

Agire e modificare il mondo circostante attraverso le proprie intenzioni e azioni volontarie rappresenta una caratteristica essenziale della natura umana. Questa peculiare esperienza si accompagna tipicamente ad una sensazione implicita di controllo volontario sugli eventi esterni, denominata “senso di agentività”. A causa della natura elusiva e di difficile misurazione, che mal si concilia con un’indagine esplicita – diretta – delle sue caratteristiche, il senso di agentività e i meccanismi neurali che ne permettono l’origine nella mente umana rimangono ad oggi ancora poco esplorati e compresi. Nel corso delle ultime due decadi, nuove misure oggettive sono state introdotte per permettere lo studio del senso di agentività senza snaturarne la natura implicita. Fra queste, il cosiddetto “intentional binding effect”, si riferisce all’esperienza soggettivamente percepita di una compressione temporale fra un’azione svolta intenzionalmente prodotta e la conseguenza da essa generata. Dalla sua prima introduzione entro il panorama scientifico internazionale, l’intentional binding effect, unito ad i più moderni modelli cognitivi e computazionali del controllo cerebrale del movimento volontario, ha dato un nuovo slancio allo studio del senso di agentività. In aggiunta, l’introduzione di diverse tecniche strumentali - di neuroimmagine e neurostimolazione – offre oggi l’opportunità di indagare il senso di agentività personale – e i suoi correlati neurali – superando i limiti degli studi precedenti. Il presente progetto di dottorato ha pertanto avuto l’obiettivo di investigare le caratteristiche fondamentali – e i meccanismi neurali – del senso di agentività, utilizzando l’intentional binding effect come misura oggettiva, entro una serie di esperimenti condotti con tecniche meta-analitiche, di neuroimmagine e neurostimolazione, in diversi campioni di soggetti adulti sani e affetti da patologia del movimento. In particolare, il progetto ha avuto inizio con un’indagine meta-analitica della letteratura preesistente di neuroimmagine (capitolo 1) che ha permesso di caratterizzare lo stato dell’arte della ricerca dei correlati neurali del senso di agentività. In seguito, si è snodato attraverso l’indagine delle aree cerebrali che generano il senso di agentività mediante uno studio di risonanza magnetica funzionale con intentional binding effect in un campione di soggetti adulti sani (capitolo 2). Ha successivamente permesso di approfondire lo studio dei meccanismi neurali che generano il senso di agentività, mediante uno studio di stimolazione cerebrale invasiva mirato ad identificare il ruolo causale delle aree cerebrali implicate nel senso di agentività preventivamente evidenziate dallo studio di neuroimmagine (capitolo 3). Ha successivamente consentito di esplorare differenze e somiglianze dell’esperienza di agentività (e rispettivi correlati neurali) per diverse conseguenze generate dall’azione intensionalmente svolta, differenti per modalità sensoriale di presentazione (uditiva vs. visiva, capitolo 4). Si è infine concluso con l’indagine dell’esperienza soggettiva di agentività e meccanismi neurofunzionali ad essa associata entro un campione di pazienti adulti affetti da sindrome di Tourette, un disturbo neurologico del movimento volontario (capitolo 5). Insieme a nuove conoscenze di base relative alla percezione soggettiva del controllo volontario delle azioni e meccanismi neurali implicati, questo progetto di ricerca apre nuove frontiere per comprendere e trattare i disturbi del senso di agentività, ed offre diverse possibilità di sviluppo per nuove indagini cliniche ed empiriche (discusse entro il capitolo 6).