1) Sviluppo di reti neuronali in grado di simulare l'integrazione
in regioni del cervello fra diversi input sensoriali (visivi,
auditivi, tattili), in accordo con i dati della letteratura
neurofisiologica. 2) Sviluppo di metodi per la stima della
connettività fra diverse regioni cerebrali, durante compiti
cognitivi e/o motori, con l'uso di modelli matematici dell'attività
di gruppi di neuroni interconnessi. 3) Sviluppo di modelli di
oscillatori neuronali, per affrontare il problema della
rappresentazione separata di diversi oggetti in memoria, il
riconoscimento di oggetti a partire da informazione incompleta, e
il legame fra oggetti e linguaggio. 4) Sviluppo di modelli
matematici in grado di descrivere l'azione integrata dei diversi
meccanismi di regolazione cardiovascolare e cerebrovascolare nel
breve periodo. 5) Uso di metodi avanzati di elaborazione dei
segnali (wavelet, Componenti Indipendenti) per lo studio dei
segnali elettroencefalografici e dei movimenti oculari nella veglia
e nel sonno in soggetti sani e patologici.
1) E' nota l'esistenza nel cervello di neuroni che integrano
l'informazione proveniente da diverse modalità sensoriali, quali
input di tipo visivo, auditivo o tattile. Tale integrazione sembra
svolgere un ruolo fondamentale nell'orientare il comportamento (ad
esempio i movimenti) sulla base delle informazioni provenienti dal
mondo esterno. Tuttavia, il modo di funzionamento di tali neuroni è
tuttora poco noto. Scopo del tema di ricerca è di sviluppare reti
neurali, fisiologicamente plausibili, in grado di spiegare i
risultati della letteratura neurofisiologica, e i principali test
psicofisici relativi all'integrazione multisensoriale.
Successivamente, in collaborazione con il centro di Neuroscienze
Cognitive (Università di Bologna, Cesena, Prof.ssa Lavadas) e con
la Wake Forest University School of Medicine (North Caroline, USA,
Prof.Stein) i modelli saranno utilizzati per individuare nuovi
esperimenti, in grado di discriminare fra ipotesi diverse. Lo scopo
finale è di giungere ad una comprensione teorica dei meccanismi
neurali che permettono l'integrazione fra informazioni sensoriali
diverse, ed il loro utilizzo nella pratica clinica al fine di
migliorare deficit cognitivi. 2) E' noto che lo svolgimento di
compiti motori e cognitivi è il risultato della partecipazione di
diverse regioni cerebrali fra loro interconnesse. La connettività
cerebrale è stimata a partire da misure effettuate con tecniche di
neuroimaging, quali la risonanza magnetica funzionale, la
tomografia a emissione di positroni o l'elettroencefalografia. I
metodi fino ad oggi adottati, tuttavia, si basano su modelli
empirici. Scopo della ricerca è di formulare metodi per lo studio e
la stima della connettività cerebrale, utilizzando modelli
matematici neurofisiologici. Sono stati individuati, come
particolarmente utili allo scopo, i cosiddetti “modelli di massa
neuronale”, in cui l'attività di intere popolazioni di neuroni è
descritta attraverso poche variabili di stato, trascurando le
singole fluttuazioni individuali. La ricerca (in collaborazione con
il Dipartimento di Fisiologia Umana di Roma, Prof. Babiloni) si
propone di comprendere l'effetto della connettività fra diverse
regioni cerebrali sulle grandezze misurabili attraverso tecniche di
neuroimaging, la genesi dei ritmi nell'EEG e, in prospettiva, di
individuare criteri affidabili per la stima della connettività a
partire da dati reali. 3) La rappresentazione di oggetti in memoria
avviene in modo distribuito nel cervello: un oggetto è in genere
rappresentato da collezioni di attributi, ciascuno dei quali è
mappato in una diversa regione cerebrale. E' quindi fondamentale
capire come tali attributi siano uniti insieme (binding) e separati
dagli attributi di altri oggetti simultaneamente memorizzati
(segmentation), al fine di pervenire ad una rappresentazione
coerente del mondo. Un'ipotesi oggi molto accreditata sostiene che
la rappresentazione di un oggetto sia realizzata attraverso la
sincronizzazione dei neuroni, che codificano gli attributi in
diverse aree cerebrali. Scopo della ricerca è di sviluppare modelli
matematici, basati sull'uso di gruppi neuronali oscillanti, per
analizzare e risolvere il problema del binding e segmentation, e
per ricostruire oggetti a partire da informazioni incomplete, sia
per quanto riguarda rappresentazioni di basso livello (separazione
di figure in una scena visiva), sia rappresentazioni di alto
livello (riconoscimento di oggetti astratti e il loro legame con il
linguaggio e la semantica). Una particolarità dei modelli è
l'utilizzo di una architettura neuronale realistica e di regole di
addestramento basate su conoscenze fisiologiche. 4) E' noto come il
mantenimento dell'omeostasi cardiovascolare sia garantito
dall'azione di sofisticati meccanismi, che operano a più livelli in
risposta a perturbazioni acute (quali l'ipossia, l'ipercapnia,
l'emorragia, ecc..). Scopo della ricerca è sviluppare e migliorare
modelli matematici integrati, che descrivano le principali azioni
di controllo sia a livello sistemico (contrattilità e frequenza
cardiaca, circolazione in organi meno nobili) sia a livello degli
organi vitali (circolazione coronarica, cerebrale e muscolare
durante esercizio fisico). Tali modelli, sviluppati in
collaborazione con la Medical Philips North America (Ing. Chbat)
potranno essere utilizzati come strumento di miglioramento
delle conoscenze fisiologiche di base, come supporto alla pratica
clinica (attraverso una stima di parametri che tenga conto della
variabilità individuale), sia all'interno della medical education.
5) L'analisi di segnali biologici si avvantaggia dell'uso di
tecniche avanzate di elaborazione, quali le wavelet, e la ricerca
delle componenti indipendenti (ICA). L'analisi wavelet è
particolarmente adatta allo studio di segnali biomedici
non-stazionari, in cui i fenomeni di interesse sono costituiti da
eventi transienti. La ICA permette di risalire alle sorgenti del
segnale e di escludere eventuali artefatti. Tali tecniche sono
applicate a due diversi segnali biomedici, con diverse
finalità: i) l'elettroencefalogramma (EEG) di superficie acquisito
in soggetti sani e patologici, per rilevare e classificare diversi
pattern di attività corticale; ii) l'elettro-oculogramma acquisito
(in collaborazione con il Dipartimento di Scienze Neurologiche,
Prof. Montagna) durante la veglia e il sonno, per individuare i
movimenti oculari lenti, considerati possibili manifestazioni delle
strutture preposte all'addormentamento e alla regolazione del
sonno.
