Segnali cerebrali decodificati per determinare ciò che vede una persona

Eye study Painting by Dora Ragusa |

Alcune persone sono intrappolate nelle loro menti, in grado di pensare e sentire ma incapaci di esprimersi perché lesioni cerebrali o malattie hanno danneggiato le loro linee di comunicazione con il mondo esterno. Come passo per aiutare le persone in tali situazioni a comunicare, gli scienziati della Washington University School of Medicine di St. Louis hanno dimostrato che possono usare la luce per rilevare cosa sta succedendo nella testa di qualcuno. I ricercatori utilizzano la luce LED irradiata dall’esterno della testa verso l’interno per rilevare l’attività nell’area del cervello responsabile dell’elaborazione visiva, quindi decodificano i segnali cerebrali per determinare ciò che la persona vede. La realizzazione di questa impresa ha richiesto lo sviluppo di strumenti di neuroimaging e tecniche di analisi che avvicinano il campo alla risoluzione del problema molto più complesso della decodifica del linguaggio. Lo studio, disponibile online sulla rivista NeuroImage, dimostra che la tomografia ottica diffusa ad alta densità (HD-DOT), una tecnologia di imaging cerebrale non invasiva, indossabile e basata sulla luce, è abbastanza sensibile e precisa da essere potenzialmente utile in applicazioni come quella aumentata comunicazione che non sono adatte ad altri metodi di imaging. La risonanza magnetica potrebbe essere utilizzata per la decodifica, ma richiede uno scanner e non ci si può aspettare che qualcuno vada a mentire in uno scanner ogni volta che vuole comunicare. Con questo metodo ottico, gli utenti sarebbero in grado di sedersi su una sedia, indossare un berretto e potenzialmente utilizzare questa tecnologia per comunicare con le persone. Non si è ancora arrivati ​​al punto, ma si stanno facendo progressi. Quello che hanno mostrato in questo articolo è che, utilizzando la tomografia ottica, è possibile decodificare alcuni segnali cerebrali con una precisione superiore al 90%, il che è molto promettente. Quando l’attività neuronale aumenta in qualsiasi regione del cervello, il sangue ossigenato si precipita per alimentare l’attività. HD-DOT utilizza la luce per rilevare l’afflusso di sangue. I partecipanti indossano un berretto dotato di dozzine di fibre che trasmettono la luce da minuscoli LED alla testa. Dopo che la luce è stata trasmessa attraverso la testa, i rilevatori catturano i cambiamenti dinamici nei colori del tessuto cerebrale come risultato dei cambiamenti nel flusso sanguigno. I ricercatori hanno deciso di valutare il potenziale di HD-DOT per la decodifica dei segnali cerebrali. Hanno iniziato con il sistema visivo perché è una delle funzioni cerebrali meglio comprese. I neuroscienziati hanno elaborato molto tempo fa una mappa dettagliata della parte visiva del cervello mostrando ai partecipanti schemi a scacchiera lampeggianti su uno schermo e identificando le unità 3D, note come voxel, nel cervello che si sono attivate in risposta a ciascuna sequenza. La decodifica è il tentativo di invertire il processo: rilevare i voxel attivi e quindi dedurre quale schema a scacchiera ha attivato quel modello di attività cerebrale. Si sa cosa sta vedendo il partecipante, quindi si può verificare quanto la decodifica corrisponda alla realtà. Andando a qualcosa che è stato ben convalidato, hanno potuto ottimizzare il design sperimentale, spingere di più sulle statistiche di decodifica e ottenere prestazioni davvero molto elevate. I ricercatori hanno iniziato in modo semplice. Hanno reclutato cinque partecipanti per più sessioni da cinque a dieci minuti in cui ai partecipanti veniva mostrato uno schema a scacchiera sul lato sinistro o destro del campo visivo per alcuni secondi alla volta, intervallati da pause durante le quali non veniva visualizzata alcuna immagine. Utilizzando una sessione come template, i ricercatori hanno analizzato i dati di un’altra sessione per determinare quando la scacchiera si trovava su quale lato dello schermo. Hanno ripetuto questa analisi utilizzando diverse sessioni come modello e il test fino a quando non hanno analizzato tutti i possibili abbinamenti. I ricercatori sono stati in grado di identificare la posizione corretta della scacchiera – sinistra, destra o non visibile affatto – con una precisione dal 75% al ​​98%. Sebbene la decodifica abbia avuto più successo quando la stessa persona è stata utilizzata per l’esecuzione del modello e per l’esecuzione del test, i modelli di una persona potrebbero essere utilizzati per decodificare l’attività cerebrale di un’altra persona. Le aree nella parte posteriore del cervello si attivano quando una persona guarda un’immagine. I ricercatori della Washington University School of Medicine di St. Louis hanno usato la luce per decodificare i segnali cerebrali e identificare quale immagine vede una persona. Quindi, i ricercatori hanno reso il problema più complesso. Hanno mostrato ai partecipanti un cuneo a scacchiera che ruotava di 10 gradi al secondo. Tre partecipanti si sono seduti per sei sessioni di sette minuti in due giorni separati. Utilizzando lo stesso modello e la stessa strategia di esecuzione del test, i ricercatori sono stati in grado di individuare la posizione del cuneo entro 26 gradi. I risultati sono un primo passo verso l’obiettivo finale di facilitare la comunicazione per le persone che lottano per esprimersi a causa di paralisi cerebrale, ictus o altre condizioni che provocano la sindrome da blocco, hanno detto i ricercatori. Sembra un enorme salto, dalle scacchiere per capire quali parole qualcuno sta verbalizzando internamente a se stesso. Ma molti dei principi sono gli stessi. L’obiettivo è aiutare le persone a comunicare e ciò che hanno imparato decodificando questi stimoli visivi è un passo solido verso tale obiettivo.

Daniele Corbo

Bibliografia: “Decoding visual information from high-density diffuse optical tomography neuroimaging data” by Tripathy K, Markow ZE, Fishell AK, Sherafati A, Burns-Yocum TM, Schroeder ML, Svoboda AM, Eggebrecht AT, Anastasio MA, Schlaggar BL, Culver JP. NeuroImage

Immagine: Eye study (Dora Ragusa)

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