L’attività di ricerca riguarda principalmente lo
studio di processi cognitivi di alto livello mediante modelli matematici, con obiettivi:
(i) lo studio delle strutture neurali coinvolte in tali processi e i relativi meccanismi;
(ii) la formulazione di predizioni mediante i modelli, che possano guidare future indagini sperimentali realizzate ad hoc per aumentare le conoscenze neuro-fisiologiche e validare i meccanismi proposti;
(iii) lo studio di meccanismi di apprendimento che guidano la maturazione di capacità cognitive durante lo sviluppo delle strutture cerebrali dopo la nascita, sia in soggetti normotipici che in soggetti affetti da disturbi cognitivi;
(iv) il miglioramento delle pratiche riabilitative, mediante lo sviluppo di training precedentemente studiati tramite simulazioni su calcolatore.
Si occupa anche di elaborazione di segnali EEG per l’individuazione di indicatori specifici per la predizione dell’insorgere delle crisi epilettiche.
L’attività di ricerca è svolta in collaborazione con diversi centri clinici e di ricerca sia nazionali che internazionali, ed è documentata dalle pubblicazioni elencate nel presente documento.
Si riporta di seguito una breve sintesi delle principali attività di ricerca:
Reti neurali per lo studio della percezione sensoriale
In accordo con dati neurofisiologici e psicofisici, vengono sviluppate reti neurali per simulare e studiare come il cervello percepisca ed analizzi stimoli sensoriali di diversa natura (visivi, acustici, tattili). In particolare sono realizzati modelli neurocomputazionali per riprodurre i meccanismi cerebrali responsabili sia della percezione delle singole modalità sensoriali (a livello di aree sensoriali primarie), sia della loro interazione ed integrazione, processi svolti in diverse regioni del cervello. L’obiettivo è giungere ad una comprensione teorica dei meccanismi neurali sottostanti e investigare come le proprietà di integrazione multisensoriale possano essere acquisite e maturino durante lo sviluppo e siano fortemente influenzate dall’esperienza sensoriale a cui il soggetto viene sottoposto. Infine, tali modelli sono utilizzati per analizzare il ruolo della percezione multisensoriale in processi di decision-making, come la causal inference, e in training riabilitativi sviluppati per compensare la perdita di specifiche capacità percettive (ad es. emianopsia). (Collaborazioni con Department of Neurobiology and Anatomy - Wake Forest University, Department of Pediatrics and Department of Neuroscience - Albert Einstein College of Medicine, UCLA Psychology Department, Centro Studi e Ricerche in Neuroscienze Cognitive - Università di Bologna, Dipartimento di Psicologia - Università degli Studi di Milano-Bicocca).
Reti di oscillatori neurali per lo studio di processi semantici, linguistici e decisionali
Studi recenti hanno evidenziato come funzioni cognitive quali riconoscimento di oggetti, memoria semantica, apprendimento e linguaggio, e processi decisionali, siano esplicate da reti distribuite in aree corticali diverse; in tale ambito è stata evidenziata l’importanza della attività oscillatoria in banda gamma (30-100 Hz) durante questi processi. Attraverso i modelli è possibile comprendere i meccanismi di sincronizzazione e desincronizzazione che si instaurano tra gruppi di oscillatori neurali, il ruolo svolto da tali meccanismi nel riconoscimento di oggetti e il legame con la memoria semantica e lessicale. (Collaborazioni con Università di Roma “La Sapienza”, IUSS).
Reti neurali per lo studio di deficit cognitivi
Le conoscenze ottenute mediante simulazioni di processi percettivi (unisensoriali e multisensoriali) e cognitivi (acquisizione di memoria semantica, capacità linguistiche e lessicali) in soggetti normotipici vengono applicate allo studio di soggetti con deficit cognitivi (ad es. disturbi dello spettro autistico, Alzheimer e demenza semantica). L’obiettivo è di individuare i meccanismi responsabili del diverso processo di acquisizione di tali capacità ed elaborare training riabilitativi specifici per i singoli soggetti. (Collaborazioni con Department of Pediatrics and Department of Neuroscience - Albert Einstein College of Medicine, UCLA Psychology Department, Università di Roma “La Sapienza”, IUSS).
Modelli della corteccia visiva primaria
Vengono sviluppati modelli delle cellule della corteccia visiva primaria in grado di riprodurre la risposta all’orientamento, velocità e direzione del movimento, in accordo con i risultati di letteratura. Tali modelli vengono utilizzati anche per investigare i possibili meccanismi neurali alla base di fenomeni sensoriali illusori (ventriloquismo temporale e spaziale). (Collaborazioni con UCLA Psychology Department).
Analisi di segnali elettroencefalografici in pazienti epilettici
Viene analizzato il segnale EEG di superficie acquisito in pazienti epilettici; mediante specifico software realizzato in matlab si analizza la variazione della frequenza di “blinking” (ammiccamento) negli istanti precedenti e successivi l’attacco epilettico per ottenere un indicatore dell’insorgere della crisi. (Collaborazioni con Dipartimento di Scienze Neurologiche - Ospedale Bellaria).
