RICERCA ITALIANA     

Misura e decodifica dell'attività neurale durante compiti motori guidati dalla memoria visiva

Università degli Studi di Bologna

Abstract

Diverse evidenze sperimentali dimostrano che i neuroni di un'area specifica della corteccia parietale (area V6A nella scimmia) si attivano quando il braccio si muove nello spazio peripersonale per compiere azioni guidate da stimoli visivi. Lesioni limitate di tale area provocano movimenti errati quando il soggetto tenta di raggiungere con la mano un target visivo (sindrome di atassia ottica). Questa ed altre osservazioni supportano l'ipotesi che l'attività dei neuroni dell'area V6A possa integrare l'informazione relativa agli stimoli visivi per comandare l'esecuzione del compito motorio. In particolare, tale area potrebbe operare le trasformazioni che convertono l'informazione retinica in coordinate spazio-motorie adatte a dirigere il movimento del braccio durante azioni guidate dalla vista nello spazio peripersonale. La verifica della validità di tale ipotesi è una condizione essenziale per lo sviluppo di protesi funzionali di arto superiore comandate da segnali derivati dall'attività neurale rilevati nella corteccia parietale. Per dimostrare la consistenza della suddetta ipotesi, nel presente progetto di ricerca sarà verificato in che misura è possibile ricavare dalla registrazione dell'attività neurale extracellulare nell'area V6A in un primate non umano: i) informazioni relative agli stimoli visivi che determinano lo svolgimento di un compito motorio guidato dalla memoria visiva; ii) informazioni relative alla modalità di esecuzione dell'atto motorio. Per operare tale verifica nel presente progetto di ricerca si impiegherà un animale (Macaca fascicularis) che sarà appositamente addestrato a compiere movimenti del braccio controllati da stimoli visivi. In particolare, l'animale sarà addestrato a guardare un punto luminoso di fissazione proiettato su uno schermo. Durante il compito di fissazione, uno stimolo visivo, che apparirà sullo schermo per qualche secondo, indicherà all'animale il punto che dovrà raggiungere (bersaglio). Un successivo stimolo luminoso, indicherà all'animale di eseguire il movimento per raggiungere con la mano il bersaglio. Durante lo svolgimento di tale compito visuomotorio, sarà acquisita: l'attività di singoli neuroni nell'area V6A tramite microelettrodi inseriti nella corteccia parietale posteriore, il movimento degli occhi mediante un oculometro a raggi infrarossi, ed il movimento del braccio dell'animale (posizione e velocità dei segmenti ed angoli articolari) mediante un sistema che sarà messo a punto nel corso del presente progetto. I segnali registrati nel corso degli esperimenti saranno analizzati mediante tecniche che saranno sviluppate nell'ambito del presente progetto. Lo sviluppo di tali tecniche costituirà una parte rilevante del progetto. In particolare, oltre ad impiegare tecniche standard di elaborazione dei segnali, saranno anche sviluppati modelli teorici dell'attività di codifica dell'informazione visuomotoria con cui si cercherà di mettere in relazione l'attività neurale registrata nel corso delle singole prove con gli stimoli visivi che hanno determinato lo svolgimento del compito e/o con la modalità di esecuzione dell'atto motorio. Combinando l'approccio teorico-sperimentale si effettuerà un confronto delle risposte osservate nelle diverse fasi dell'esperimento in modo da stabilire in che misura ed in base a quali modalità l'area corticale investigata codifica informazioni differenti (oculare, visiva, di preparazione del movimento, etc). In particolare, si cercherà di valutare se a) lo stimolo (punto di fissazione, bersaglio, esecuzione del movimento etc.) condiziona l'attività neurale; b) il singolo neurone partecipa in intervalli di tempo differenti a circuiti neurali che codificano informazioni differenti; c) la posizione del bersaglio è memorizzata in modo indipendente dalla posizione dello sguardo; d) funzioni cognitive che possono condizionare l'esecuzione del compito, quali l'aspettativa o l'attenzione, condizionano l'attività neurale. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Silvio CAVALCANTI Università degli Studi di BOLOGNA

Obiettivo del Programma di Ricerca

La comprensione dei meccanismi alla base della codifica dell'informazione visuomotoria è ancora limitata e le poche conoscenze neurofisiologiche in tale ambito limitano lo sviluppo di tecniche per la decodifica dall'attività elettrica neurale. Il presente progetto di ricerca intende approfondire le conoscenze e validare nuove ipotesi sui processi attraverso cui i centri corticali implicati nel coordinamento dell'attività visuomotoria integrano il flusso d'informazione visiva e somatosensoriale per fornire la percezione degli stimoli e per articolare l'attività motoria. A tale scopo, un animale (Macaca fascicularis) sarà addestrato a raggiungere,attraverso il movimento del braccio, un bersaglio indicato all'animale da uno stimolo visivo che scompare qualche secondo prima dell'esecuzione del movimento. Dopo l'addestramento dell'animale, si provvederà a registrare, durante lo svolgimento del compito visuomotorio, l'attività di singoli neuroni nell'area V6A della corteccia parietale posteriore. Tale attività sarà messa in relazione con gli stimoli visivi che determinano lo svolgimento del compito e con la modalità di esecuzione dell'atto motorio. I legami tra attività neurale, stimoli visivi e movimento saranno studiati mediante lo sviluppo di simulatori numerici basati su modelli matematici dell'attività di codifica ed elaborazione dell'informazione visuomotoria. I modelli proposti costituiranno una evoluzione dei paradigmi su cui fondano gli attuali modelli di reti neurali poiché includeranno proprietà di base del processo biologico ad oggi ancora non considerati.
I simulatori avranno le seguenti finalità: i) riprodurre l'attività neurale sulla base degli stimoli visivi dati all'animale e/o al movimento eseguito; ii) decodificare le caratteristiche degli stimoli visivi sulla base dell'attività neurale registrata; iii) prevedere le principali modalità di esecuzione del movimento. Particolare attenzione sarà rivolta allo sviluppo di algoritmi che possano essere applicati per l'analisi in tempo reale dei segnali neurali.

Un aspetto fondamentale del progetto sarà la formazione di giovani ricercatori nel settore della neuroingegneria, perseguita tramite l'erogazione di borse di studio e di assegni di ricerca (40% circa del costo del progetto).

Gli scopi specifici che l'attività di ricerca si propone di raggiungere sono di seguito elencati:
1. Registrare in modo simultaneo l'attività neurale, i movimenti oculari e la cinematica del movimento del braccio durante l'esecuzione di un compito motorio guidato dalla memoria visiva.
2. Sviluppare modelli della risposta neurale a stimoli visivi che evocano l' esecuzione di un atto motorio.
3. Verificare la capacità di tali modelli di estrarre dalla attività neurale informazioni relative agli stimoli visivi, alla direzione dello sguardo ed alla memoria del punto da raggiungere.
4. Verificare la capacità degli algoritmi di predire la posizione del target e la modalità di esecuzione dell'atto motorio
5. Pubblicare i dati e gli algoritmi su Web.

Le conoscenze acquisite con un approccio integrato teorico-sperimentale e con il coinvolgimento di competenze multidisciplinari, come perseguito nel presente progetto, potrebbero dare un contributo significativo allo sviluppo di dispositivi artificiali il cui controllo sia operato sulla base dell'attività cerebrale (neuroprotesi). Inoltre, tali conoscenze potrebbero essere determinanti per la realizzazione di nuovi sistemi robotici ispirati al comportamento dei sistemi naturali. <<<

Risultati parziali attesi

Il principale risultato atteso di questa fase è la preparazione, nei suoi vari aspetti, dell'esperimento che sarà poi effettuato nella fase 2.

I risultati parziali sono i seguenti:
addestrare un esemplare di Macaca Fascicularis all'esecuzione dei compiti previsti dal protocollo sperimentale;
assemblare il sistema PXI e sviluppare il software per la gestione ed il controllo degli esperimenti;
predisporre la strumentazione più idonea all'effettuazione delle misure cinematiche sulla scimmia.Questa fase dovrà produrre un numero sufficiente di registrazioni sperimentali: Inoltre, al termine di questa fase saranno disponibili i codici numerici con cui analizzare i dati sperimentali come previsto nella fase successiva del progetto (fase 3). In particolare, saranno state identificate le tecniche per analizzare off-line i tracciati neurali con la possibilità di estrarre da tali tracciati parametri da mettere in relazione con i comportamenti dell'animale. Le prime evidenze sperimentali che emergeranno, insieme ai metodi di analisi sin qui messi a punto, troveranno adeguata disseminazione attraverso comunicazioni a congressi internazionali nel settore della neuroingegneria e delle neuroscienze.In questa fase saranno analizzati i dati raccolti nel corso degli esperimenti condotti nella fase 2 e saranno validati i modelli sviluppati nella fase 2. Sarà allestito il sito Web progettato ad-hoc per le finalità di questo progetto e saranno pubblicati le registrazioni elettro-fisiologiche (attività neurale, movimenti oculari, movimenti del braccio) ed i codici numerici. Sarà effettuata la classificazione dei neuroni dell'area V6A, in relazione alle diverse componenti studiate nel compito: stimoli visivi, direzione dello sguardo, memoria e movimento del braccio.
I risultati ottenuti saranno oggetto di pubblicazione su riviste internazionali. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Neuro Ingegneria
Una delle più importanti sfide delle scienza moderna è lo studio delle funzioni cerebrali. Il neuroingegnere partecipa a questa sfida collaborando con i neurofisiologi ed i neurobiologi a studi di base sulle funzioni cerebrali. In tale contesto, il neuroingegnere si occupa di sviluppare nuovi metodi e nuove tecniche per la misura e la decodifica dei segnali neurali.

Controllo di dispositivi artificiali operato sulla base dell'attività cerebrale.
Recenti studi sull'interazione simbiotica tra cervello, computer e dispositivi artificiali hanno mostrato che in linea di principio l'attività elettrica cerebrale può essere convertita in tempo reale in segnali con cui comandare dispositivi artificiali. Chapan et al.(1999) hanno provato che una registrazione contemporanea delle attività di insieme di neuroni corticali e del talamo può essere decodificata in tempo reale per guidare un ratto all'esecuzione di un semplice movimento di raggiungimento di un oggetto tramite controllo di un braccio robotico. Pfurtscheller et al (2002) hanno messo in pratica un dispositivo di ausilio per pazienti tetraplegici basato sullo sfruttamento dei segnali elettrici registrati a livello della corteccia somatosensoriale. In questo apparato, i segnali che pilotano l'apertura e la chiusura di una mano artificiale sono derivati da registrazioni di EEG e il paziente può controllare la protesi pensando ala esecuzione di una attività motoria (movimento della mano destra o dei piedi). Questi studi sono molto suggestivi per le potenziali applicazioni. Comunque, la loro concreta applicazione richiede l'acquisizione di ulteriori conoscenze sui meccanismi attraverso cui l'informazione è codificata a livello neurale. In particolare, gli sviluppi attuali si preoccupano di potenziare la capacità dei metodi per estrarre in tempo reale l'informazioni dalla attività elettrica di popolazioni di neuroni.

Compiti motori guidati dalla memoria visiva.
Le conoscenze dei principi attraverso i quali il cervello codifica ed elabora l'informazione sono ancora molto limitate. Questo è vero anche se ci si limita a considerare l'esecuzione di un semplice compito motorio che non implichi esplicitamente un'attività intellettiva, ma semplici stimoli motivazionali. Un esempio di una tale attività è il raggiungimento o la presa di un oggetto collocato in una regione dello spazio che può essere esplorata attraverso la visione. Un gesto come quello del raggiungimento di un target visivo nello spazio peripersonale, anche se estremamente semplice, è di particolare interesse per il fatto che tale gesto può essere eseguito correttamente sulla base della memoria della posizione dell'oggetto da raggiungere, anche in assenza del controllo visivo del movimento (ad es. al buio). L'esecuzione corretta di tale gesto, in assenza del controllo visivo, è una prova indiretta che esso può essere guidato da una qualche rappresentazione a livello cerebrale dell'ambiente esterno che viene aggiornato durante il movimento dai soli stimoli somatosensoriali (Gordon et al., 1995). La modalità usata dal cervello per generare una rappresentazione interna (memoria visiva) dello spazio peripersonale è ancora da spiegare. Lo studio dell'attività neurale, durante l'esecuzione di compiti motori guidati da stimoli o dalla memoria visiva, ha permesso di stabilire che i neuroni implicati nella generazione dello stimolo neurale attivato per raggiungere oggetti visibili o ricordati sono localizzati per la maggior parte nella corteccia parietale posteriore. Inoltre, questi stessi studi hanno dimostrato che l'attivazione corticale precede di qualche centinaia di millisecondi l'attuazione del movimento. Su tale base, oggi si ritiene che l'attività neurale in questa area costituisca un segnale con un grado di astrazione maggiore di quello della corteccia motoria. Pertanto, i segnali da tale zona potrebbero essere utilizzati per il controllo di protesi artificiali. Comunque, per una piena utilizzazione di tali segnali è fondamentale comprendere i meccanismi attraverso cui i centri corticali implicati nelle attività visuomotoria integrano il flusso d'informazione visiva e somatosensoriale, per fornire la percezione degli stimoli e per articolare l'attività motoria in risposta agli stimoli. Alla mancanza di una conoscenza di base sui meccanismi che partecipano alla codifica dell'informazione si aggiungono anche difficoltà tecniche, giacché l'informazione contenuta in questi segnali spesso si confonde con un'attività di fondo di natura diversa. Inoltre, la registrazione dell'attività neurale corticale è spesso non ottimale per difficoltà insite nella tecnica sperimentale utilizzata. Pertanto, è avvertita l'esigenza di sviluppare nuovi metodi che consentano di migliorare il rapporto tra la componente informativa del segnale e la componente di disturbo.

Oscillazioni neurali e codifica dell'informazione
La percezione di uno stimolo visivo o l'esecuzione di un compito motorio evocano l'attivazione sincronizzata di un elevato numero di neuroni. L'attivazione di tali neuroni si manifesta attraverso una variazione della frequenza di scarica del potenziali d'azione, mentre la sincronizzazione si manifesta attraverso clusters di neuroni (circuito neurale) che, pur essendo collocati in regioni corticali e sub-corticali frammentate, si attivano scaricando potenziali d'azione con un'alta correlazione temporale (Hubel D. et al., 1962, Singer et al., 1995).
Un circuito neurale è attivato dalla presenza di uno stimolo appropriato, da un movimento specifico o dalla combinazione di stimolo e movimento. Un neurone che appartiene ad un circuito neurale codifica nella propria frequenza di scarica specifiche caratteristiche dello stimolo o del compito motorio. E' stato mostrato che l'attività dei neuroni nella corteccia striata ed extra-striata è in grado di codificare in frequenza caratteristiche dello stimolo visivo quali l'orientamento, la direzione del movimento o la coerenza del movimento di stimoli diversi (Kreiter & Singer 1992; Frien et al. 1994; Kruse & Hoffmann 2002). Studi di elettroencefalografia nella corteccia somatomotoria dell'uomo hanno rivelato che scariche a frequenze più basse sono associate alla rappresentazione del movimento della mano (16-22 Hz) rispetto alla rappresentazione del movimento del piede (19-26 Hz) (Pfurtscheller et al. 2000b; Neuper & Pfurtscheller 2001). Pfurtscheller et al. (2000°) hanno sfruttato tale differenza di frequenze per guidare l'apertura e la chiusura di una protesi neurale.
Il fenomeno del sincronismo alla base dei circuiti neurali si riscontra a diversi livelli del sistema nervoso ed è stato ipotizzato che la sincronizzazione sia un meccanismo attraverso cui il cervello memorizza e/o elabora l'informazione (Singer W, 1993; Von der Malsburg et al., 1992; Eckhorn R., 1999). Inoltre, è stato ipotizzato che i neuroni prendano parte a circuiti diversi in intervalli di tempo differenti, in funzione dell'informazione che viene codificata (Abeles 1982; Abeles 1991; Abeles & Prut 1996 Singer W, 1993; Von der Malsburg et al., 1992; Eckhorn R., 1999). Sulla base di tale ipotesi, durante un compito con tipi di stimoli diversi o tipi di azioni diverse, un neurone dovrebbe mostrare scariche con frequenze diverse che dipendono dal circuito al quale appartiene nell'intervallo di tempo considerato. Un neurone che è coinvolto nelle trasformazioni visuomotorie dovrebbe far parte di un circuito visivo durante la codifica delle caratteristiche visive e di un circuito motorio durante la codifica dei parametri motori. Di conseguenza, lo stesso neurone dovrebbe mostrare frequenze di scarica diverse in rapporto all'informazione che viene codificata in quella fase. L'ipotesi più generale, alla base di tale idea, è che la correlazioni temporale dei segnali a livello cellulare raggrupperebbe i neuroni dinamicamente in entità di ordine superiore (circuiti neurali) in modo da codificare oggetti o proprietà dell'oggetto di alto livello in modo incredibilmente efficiente (von der Malsburg & Schneider 1986; von der Malsburg & Buhmann 1992; von der Malsburg 1995, Engel et al. 2001). Questa idea ha già ispirato nuove tecniche computazionali (Dynamic Link Architecture) che costituiscono una valida estensione delle classiche reti neurali artificiali.

Oscillazioni nella corteccia parietale
E' noto che la corteccia parietale è coinvolta nella trasformazione delle coordinate visuomotorie (Mountcastle et al. 1975;
Jeannerod 1986; Taira et al. 1990; Quintana & Fuster 1993; Mountcastle 1995; Kalaska 1996). Nella corteccia parietale della scimmia si sono trovati diversi potenziali oscillatori durante un compito visuomotorio. Per es. la potenza nella banda di frequenza di 20-25 Hz risulta aumentata durante l'intervallo preparatorio e depressa durante l'esecuzione del movimento (MacKay & Mendonca 1995; MacKay 1996). Nell'area intra-parietale laterale (LIP) della scimmia sono stati individuati neuroni che, durante un compiti di saccadi ritardate, codificano in frequenza la direzione della saccade. Si pensa che questa abilità serva come dynamic memory field (Pesaran et al. 2002). Il gruppo di R. Andersen ha dimostrato che i neuroni della parietal reach region (PRR) rispondono, in un compito di raggiungimento ritardato, in un modo simile ai neuroni della LIP. Lo spettro di potenza delle cellule della PRR mostra strutture temporali che sono in grado di codificare dynamic memory fields (Andersen, comunicazione orale, EuroConference, La Londe Francia, 2002). Questi ricercatori sostengono che le oscillazioni trovate nella corteccia parietale siano adatte per essere usate in una protesi neurale per dirigere il movimento verso bersaglio visivo (Pesaran et al. 2002).
È interessante notare che studi di magnetoencefalografia nell'uomo hanno permesso di trovare un'attività oscillatoria nella regione del solco parieto-occipitale (Salmelin & Hari 1994; Hari & Salmelin 1997; Hari et al. 1997). Si suppone che questa regione del solco parieto-occipitale sia l'omologo nell'uomo del complesso V6 (Hari1997; Portin & Hari 1999; Portin et al. 1999). Tale complesso è costituito nella scimmia dall'area visiva V6 (Galletti et al. 1999°) e dall'area visuomotoria V6A (Galletti et al. 1999b). Il complesso V6 nell'uomo ha la caratteristica di mostrare modulazioni di oscillazione in corrispondenza al riconoscimento di oggetti (Vanni et al. 1997), e all'inizio e alla fine di movimenti di inseguimento con occhio e dito (Nishitani et al. 1999) e al riconoscimento visivo di movimenti sconosciuti del braccio (Levanen et al. 2001).

Attività dei neuroni dell'area corticale V6A di primati non umani.
L'area V6A della corteccia parietale posteriore è un'aria visiva che contiene un grande numero di neuroni che mostrano un'attività sensibile alla posizione dell'occhio e all'esecuzione di movimenti saccadici (Galletti et al. 1991; Galletti et al. 1995; Galletti et al. 1996, Kutz et al. 2003). Alcuni neuroni dell'area V6A si attivano durante stimolazioni somatosensoriali passive (Breveglieri et al. 2002). Inoltre, tale area contiene neuroni sensibili al movimenti del braccio (Galletti et al. 1997b) che si attivano intensamente durante i movimenti verso bersagli nello spazio peripersonale (Fattori et al. 2001). L'area V6A è connessa bi-direzionalmente con la corteccia pre-motoria, così come con aree del solco intra-parietale (Matelli et al. 1998; Shipp et al. 1998). È interessante notare che nell'uomo lesioni in una regione simile a quella che contiene l'area V6A nella scimmia provocano errati movimenti di raggiungimento, sotto la guida visiva (sindrome di atassia ottica, Balint 1909; Ratcliff & Davies-Jones 1972; Perenin & Vighetto 1988). In uno studio recente, che mostra gli effetti di lesioni limitate all'area V6A della scimmia, sono stati riportati errati movimenti di raggiungimento simili a quelli osservati in pazienti con atassia ottica (Battaglini et al. 2002). Questi dati supportano l'idea che l'attività neurale in V6A possa codificare le trasformazioni visuomotorie che convertono l'informazione retinica in coordinate spazio-motorie adatte a dirigere il movimento del braccio durante azioni guidate dalla vista nello spazio peripersonale (Galletti et al. 1993; Galletti et al. 1995; Galletti et al. 1996; Galletti et al. 1997a; Galletti et al. 1999b; Galletti and Fattori 2002; Galletti et al. 2003).

Fig. 1: esempi di modulazione di neuroni nell'area V6A durante movimenti di raggiungimento con le braccia compiuti al buio. (da Fattori et al., 2001)

Modelli matematici e simulazione numerica
Le attuali tecniche sperimentali permettono di rilevare le risposta neurale durante la stimolazione visiva e durante lo svolgimento di compiti motori. Sulla base dei risultati di tali studi è possibile formulare alcune ipotesi sui principi con cui avviene il processo di codifica ed integrazione dell'informazione visuomotoria. Da tali ipotesi è possibile derivare modelli matematici che possono essere usati, ricorrendo alla simulazione numerica, come proficui strumenti di indagine teorica (Dayan and Abbott, 2003). Tali modelli sono orientati a riprodurre le caratteristiche di base del processo biologico. Inoltre, essi consentono la verifica quantitativa delle ipotesi su cui si fondano e possono operare il processo inverso in quanto permettono di risalire alla tipologia di stimolazione che ha generato una determinata risposta neurale.
L'analisi modellistica è stata già ampiamente utilizzata nello sviluppo di modelli di reti neurali della corteccia visiva attraverso i quali si cerca di riprodurre la proprietà di selettività a varie caratteristiche dell'input visivo, come ad esempio la selettività all'orientamento, alla direzione, alla frequenza spaziale e temporale, oltre che alla velocità (Miura et al. 1995, Suarez et al. 1995, Ursino and La Cara, 2003). Da tali modelli sono stati anche derivati algoritmi numerici per la visione artificiale che permettono di segmentare gli oggetti presenti in un'immagine (Sarti et al, 2000, Sarti et al, 2002, Ursino et al, 2003).
L'approccio modellistico potrebbe essere utilmente impiegato nello studio della capacità dei circuiti neurali di operare come elementi di integrazione dell'informazione visiva e motoria. Tale aspetto può essere messo in relazione al fenomeno della risonanza stocastica. La risonanza stocastica è stata mostrata essere un proprietà rilevante di molti sistemi fisici, chimici e biologici (L. Gammaitoni et al., 1998). Tale proprietà può essere replicata mediante modelli matematici di sistemi dinamici non-lineari che sono in grado di amplificare e propagare in modo selettivo un segnale informativo quando questo viene corrotto con un ampio rumore di fondo. Un circuito neurale rappresenta un sistema fisico che potrebbe godere di tale proprietà. Di fatto, esso è costituito da elementi che hanno una risposta agli stimoli altamente non lineare. Inoltre, tali elementi coordinandosi attuano, in modo efficiente, attività altamente complesse pur operando in un contesto rumoroso. La verifica della presenza di un fenomeno quale quello della risonanza stocastica nei circuiti neurali è stata oggetto di studi sia teorici (Bulsara A et al., 1991; Shimokawa, T., et al., 1991) sia sperimentali (Chialvo D.R. et al., 1993). Sebbene questi studi indicano che meccanismi stocastici potrebbero avere un ruolo essenziale nel funzionamento del sistema sensoriale, resta ancora da verificare il ruolo di tali meccanismi nel processo di integrazione dell'informazione visuomotoria. <<<