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Edoardo Datteri. Tecnologie mirate a ottenere informazioni sullattività neurale nel sistema nervoso centrale… Tecnologie invasive (es. microelettrodi)

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Presentazione sul tema: "Edoardo Datteri. Tecnologie mirate a ottenere informazioni sullattività neurale nel sistema nervoso centrale… Tecnologie invasive (es. microelettrodi)"— Transcript della presentazione:

1 Edoardo Datteri

2 Tecnologie mirate a ottenere informazioni sullattività neurale nel sistema nervoso centrale… Tecnologie invasive (es. microelettrodi) Elettroencefalogramma Tomografia a emissione di positroni (PET) Risonanza magnetica funzionale (fMRI) … considerate supporto empirico per sostenere o rifiutare ipotesi neuroscientifiche, psicologiche, …

3 Fornisce indicazioni sul flusso sanguigno (cambiamenti nel contenuto di ossigeno) nel sistema nervoso centrale (segnale BOLD)… … che si assume essere correlato allattività neurale

4 Negli esperimenti di Mosso (~1881) the subject to be observed lay on a delicately balanced table which could tip downward either at the head or at the foot if the weight of either end were increased. The moment emotional or intellectual activity began in the subject, down went the balance at the head-end, in consequence of the redistribution of blood in his system. (William James, Principles of Psychology, 1890) (Raichle 1998)

5 Localizzazione cerebrale di funzioni cognitive Diagnosi di psicopatologie Rilevazione di stati di coscienza Interfacce cervello- macchina

6 Localizzazione cerebrale di funzioni cognitive Diagnosi di psicopatologie Rilevazione di stati di coscienza Interfacce cervello- macchina

7 Scansione fMRI mentre il soggetto compie Compiti motori (es. movimento di arti) Compiti cognitivi Esempio: quali sono le aree cerebrali coinvolte nella memoria spaziale?

8 Localizzazione cerebrale di funzioni cognitive Diagnosi di psicopatologie Rilevazione di stati di coscienza Interfacce cervello- macchina

9 ADHD: Attention Deficit Hyperactive Disorder ADHD 200 Data Set: insieme di 1000 immagini fMRI di soggetti con e senza ADHD (diagnosi comportamentale) Algoritmi per la rilevazione automatica attraverso fMRI della sindrome

10 Localizzazione cerebrale di funzioni cognitive Diagnosi di psicopatologie Rilevazione di stati di coscienza Interfacce cervello- macchina

11 Identificazione di processi coscienti, distinzione tra elaborazione conscia e non conscia: ruolo centrale dellanalisi del comportamento (incl. resoconti in prima persona) È possibile rilevare loccorrenza di elaborazioni consapevoli in un soggetto senza far ricorso allanalisi del comportamento? metodologie puramente basate su tecniche di brain imaging

12 Consciousness: arousal + awareness

13 Arousal senza awareness Soggetto VS soddisfa tutti i seguenti criteri: 1. No evidence of awareness of self or environment. 2. No evidence of sustained, reproducible, purposeful, or voluntary behavioural responses to visual, auditory, tactile, or noxious stimuli. 3. No evidence of language comprehension or expression. 4. Intermittent wakefulness manifested by the presence of sleep–wake cycles (i.e., periods of eye-opening). 5. Sufficient preservation of autonomic functions to permit survival with adequate medical care. 6. Bowel and bladder incontinence. 7. Variable preservation of cranial nerve and spinal reflexes.

14 Veglia + segnali comportamentali di consapevolezza Soggetti MCS soddisfano almeno uno dei seguenti requisiti 1. Simple command-following. 2. Gestural or verbal yes/no responses. 3. Intelligible verbalisation. 4. Movements or affective behaviours that occur in contingent relation to relevant environmental stimuli and are not attributable to reflexive activity. Any of the following examples provide sufficient evidence for contingent behavioural responses: Episodes of crying, smiling, or laughter in response to linguistic or visual content of emotional but not neutral topics or stimuli. Vocalisation or gestures that occur in direct response to the linguistic content of comments or questions. Reaching for objects that demonstrates a clear relationship between object location and direction of reach. Touching or holding objects in a manner that accommodates the size and shape of the object. Pursuit eye movement or sustained fixation that occurs in direct response to moving or salient stimuli.

15 Owen et al 2006, Science

16 Paziente VS, analisi fMRI Al soggetto viene chiesto di immaginare di 1.Giocare a tennis 2.Visitare tutte le stanze della propria casa Risposte fMRI 1.Area motoria supplementare (SMA) 2.Giro paraippocampale, corteccia parietale posteriore (PPA), corteccia laterale premotoria Conclusione: il paziente VS esegue elaborazioni consapevoli

17 1. Cfr. correlati neurali dei processi immaginativi in soggetti sani SMA: area tipicamente coinvolta nellimmaginazione di movimenti coordinati orientati a uno scopo (es. giocare a tennis) PPA: area tipicamente coinvolta nellimmaginazione di compiti di navigazione spaziale 2. Confronti sperimentali Her neural responses were indistinguishable from those observed in healthy volunteers performing the same imagery tasks in the scanner

18 Moreover, her decision to cooperate with the authors by imagining particular tasks when asked to do so represents a clear act of intention, which confirmed beyond any doubt that she was consciously aware of herself and her surroundings. (Owen et al. 2006) Spiegazione in termini di processi cognitivi non consapevoli? (Owen et al. 2007) Attività fMRI persistente Rilevata a partire dallistruzione dello sperimentatore Interrotta al segnale dello sperimentatore

19 Localizzazione cerebrale di funzioni cognitive Diagnosi di psicopatologie Rilevazione di stati di coscienza Interfacce cervello- macchina

20

21 Le tecnologie di BI forniscono davvero «accesso diretto» ai processi cerebrali umani? Problemi di interpretazione dei risultati degli esperimenti di BI… … talvolta ignorati dai comunicatori scientifici Derive mediatiche e scientiste: BI come macchine per «leggere il pensiero» il bias «neuro»: neuroeconomia, neuromarketing, neuropolitica… Empirismo ingenuo ed eliminazione del vocabolario psicologico a favore di quello neuroscientifico

22 Memories and thoughts are privateor at least they used to be. A new company, Veritas Scientific, is developing a technology that promises to peek into a persons brain to reveal some of their secrets.The last realm of privacy is your mind, says Veritas CEO Eric Elbot. This will invade that.

23 Le tecnologie BI non forniscono sistemi generali per leggere nel pensiero, almeno nel senso comune dellespressione Rilevano schemi di attivazione neurale Se il soggetto afferma di pensare a una casa tutte le volte che si attiva lo schema «A», allora possiamo effettivamente «leggere il pensiero» nellattività fMRI… … ma solo relativamente ai pensieri di cui il soggetto ci ha parlato e agli schemi neurali osservati!

24 Weisberg et al (2008): La plausibilità di una spiegazione (sbagliata) aumenta se vengono fornite informazioni sulla localizzazione cerebrale… … giustificate attraverso il ricorso a tecniche BI e ai loro risultati grafici (Seeing is believing: The effect of brain images on judgments of scientific reasoning, McCabe, Castel 2009)

25 Barack Obama and John McCain have work to do New York Times, 11 novembre 2007

26 Le metodologie BI forniscono un supporto empirico (poco meno che) conclusivo a ipotesi teoriche psicologiche, neuroscientifiche, neuro+…

27 Other algorithms they have developed can automatically sort people [attraverso EEG e fMRI] with an 85 percent success rate according to whether they suffer from depression, bipolar disorder, schizophrenia, or are free of mind or mood problems. And the group is also developing a system that predicts which of the many available treatments would be most effective for a patient suffering from major depression

28 Poco più di un anno fa, era il 10 novembre 2009, il neuroscienziato americano Kent Kiehl mostrava a una giuria dellIllinois, riunita per giudicare il pluriomicida reo confesso Brian Dugan, alcune scansioni del cervello dellimputato. Dalle immagini, diceva Kiehl, si vedeva chiaramente un difetto nelle aree cerebrali emotive, il che rendeva Dugan incapace di provare empatia per il prossimo. Dunque Dugan era più un malato che un lucido assassino, disse lavvocato.

29 La prova neuroscientifica convinse i giurati, che decisero per il carcere a vita. Poi però un giurato ci ripensò, chiese il riesame delle testimonianze scritte, e il giorno dopo arrivò il verdetto di pena capitale

30 Rapporto tra teoria, esperimento, risultato sperimentale Quali assunzioni sono presupposte nel trarre una conclusione teorica su T sulla base di E? Tali assunzioni sono ben corroborate? E: risultati sperimentali BI T: ipotesi teorica in esame vs.

31 Le metodologie BI riposano su un gran numero di assunzioni (e teorie) di sfondo, alcune delle quali molto problematiche I bias estremisti sono banalmente ingiustificati … lo stesso può banalmente dirsi di molte tecniche di indagine non basate su BI Gran parte della comunità BI è consapevole del carattere problematico di tali assunzioni

32 In humans, fMRI is used routinely not just to study sensory processing or control of action, but also to draw provocative conclusions about the neural mechanisms of cognitive capacities, ranging from recognition and memory to pondering ethical dilemmas. Its popular fascination is reflected in countless articles in the press speculating on potential applications, and seeming to indicate that with fMRI we can read minds better than direct tests of behaviour itself. (Logothetis 2008)

33 Unsurprisingly, criticism has been just as vigorous, both among scientists and the public. In fact, fMRI is not and will never be a mind reader, as some of the proponents of decoding-based methods suggest, nor is it a worthless and non-informative neophrenology that is condemned to fail, as has been occasionally argued Perhaps the extreme positions on both sides result from a poor understanding of the actual capacities and limitations of this technology, as well as, frequently, a confusion between fMRI shortcomings and potential flaws in modelling the organizational principles of the faculties under investigation. (Logothetis 2008)

34 Che le metodologie BI dipendano da un gran numero di assunzioni problematiche è ovvio Riflessione epistemologica più interessante: quali sono queste assunzioni? sono ben corroborate? è possibile scaricarle? quali classi di ipotesi teoriche possono essere affrontate attraverso studi BI? È necessario entrare nel vivo delle singole metodologie che fanno parte della grande famiglia BI

35 Implicazioni disciplinari, accademiche, psicologiche,culturali, economiche, politiche… bias neuromaniaco Spiegazione Fattori psicologici, culturali, economici, politici … (neuromarketing) etica della comunicazione scientifica etica della ricerca

36 E: risultati sperimentali BI T: ipotesi teorica in esame insieme 3D di voxel (pixel volumetrici) con informazioni BOLD (entità del flusso sanguigno cerebrale) generalmente sovrapposto a una scansione anatomica MRI Ipotesi formulata in un vocabolario 1.Neuroscientifico 2.Mentalistico vs.

37 Assunzione di modularità dei processi cerebrali? dei processi cognitivi? modularità oltre la neuropsicologia cognitiva sofferenza legata allesclusione sociale (Eisenberger et al. 2003): RVPFC regulates the distress of social exclusion by disrupting ACC activity empatia (Singer et al. 2004): Rostral ACC and AI … constitutes the neural basis for our understanding of the feelings of others and ourselves (Shallice 1988)

38 Quale procedura sperimentale per isolare lattività BOLD correlata a un particolare modulo cognitivo? Metodi sottrattivi Metodi basati sulladattamento Metodi fattoriali Metodi parametrici Conjunction analysis (Amaro Jr., Barker 2006)

39 Zatorre et al. (1992): isolare il modulo RIMA giudica se due triplette CVC sono in rima oppure no Al soggetto vengono presentate coppie CVC (es: ARE,ARE; ERA,ARI) ESP-CONTROLLO: ascolto passivo e pressione di un tasto ESP-TEST: il soggetto deve giudicare se sono in rima aree ESP-TEST - aree ESP-CONTROLLO = area modulo RIMA

40 Ascolto passivo di termini senza rima

41 Ascolto di termini in rima

42 Differenza interpretata come indicazione sulla localizzazione funzionale del modulo RIMA

43 Il problema «pure insertion»: Si assume che ESP-TEST attivi le aree attivate da ESP- CONTROLLO + aree RIMA … ma chi ci garantisce che ESP-CONTROLLO non stimoli anche in parte il modulo RIMA?

44 Ascolto passivo di termini senza rima

45 Ascolto di termini in rima

46 Differenza interpretata come indicazione sulla localizzazione funzionale del modulo RIMA

47 Chi ci assicura che larea evidenziata dalla sottrazione non sia legata al grande sforzo di attenzione necessario nel caso del test?

48 Il cervello è sempre totalmente attivo! ?

49 «non fare nulla» «casa, mare»

50 Linterpretazione dei risultati sperimentali presuppone alcune assunzioni teoriche di sfondo Es: che ascoltando termini in rima si attivino tutte le aree che si attivano ascoltando termini non in rima più una… … e che quando al soggetto viene chiesto di non fare nulla esso non attivi alcun modulo cognitivo

51 Metodi basati sulladattamento si somministra più volte lo stesso stimolo al soggetto, e si esegue BI si assume che larea cerebrale relativa si abitui nel tempo, e che diminuisca il segnale BOLD tale area può essere evidenziata anche per contrasto con stimoli di tipo diverso difficoltà di localizzazione: la diminuzione del segnale BOLD può dipendere da un adattamento a monte (Logothetis 2008, Bartels et al. 2008)

52 Metodi basati sullapprendimento automatico pattern recognition algorithms learn a functional relationship between brain response patterns and a perceptual, cognitive or behavioral state of a subject expressed in terms of a label, which may assume discrete (classification) or continuous (regression) values. This learned functional relationship is then used to predict the unseen labels from a new data set (brain reading) (Formisano et al. 2008)

53 Imagine yourself lying down inside a 60 cm wide, 120cm long tube, exposed to 120dB acoustic noise (with mechanical vibration), trying not to move (or possibly restrained) while trying to perform a cognitive task (Amaro et al. 2006)

54 Riallineamento (algoritmico) delle immagini funzionali Normalizzazione spaziale basata su un template brain Talairach e Tourneaux (cervello post-mortem di una donna francese); cervello del Montreal Neurological Institute (MNI) (media di scansioni MRI) Successful normalization requires a strong conception of how brain anatomy corresponds to function (Brett et al. 2002)

55 the precise loci of activity in imaging must always be interpreted with care, because the most commonly used acquisition technique (gradient-recalled echo planar imaging) at the most often used low-magnetic fields might result in activations downstream from the actual neural events, through venous draining vessels (Bartels et al. 2008)

56 people will start to see fMRI as neophrenology, just telling stories and not giving explanations (R. Pollack, UCLA, Science 2008) Sotto un certo insieme di assunzioni, le metodologie BI permettono di isolare la regione cerebrale attiva durante lattività di un certo modulo cognitivo: cartografia cerebrale Ciò equivale a fornire una spiegazione del funzionamento del singolo modulo cognitivo della capacità più ampia alla cui manifestazione tale modulo cognitivo contribuisce?

57 Quali caratteristiche possiede una buona spiegazione in (neuro)psicologia? Problema più che aperto di filosofia della scienza Identificazione di un meccanismo che coinvolge un certo numero di sotto-capacità La spiegazione mette in luce lorganizzazione delle sotto-capacità Le capacità sono spesso definite attraverso generalizzazioni più o meno qualitative

58 Lattivazione BOLD nel voxel blu riflette : luscita del neurone nero (potenziali dazione)? lingresso eccitatorio (sinapsi verdi)? lingresso inibitorio (sinapsi rosse)? ingressi dal medesimo strato (~80% delle sinapsi)? proiezioni feedforward da aree più profonde? proiezioni feedback da aree più superficiali? strati più profondi (es: talamo) Strati intermedi (es: corteccia visiva primaria) strati più superficiali (es, corteccia visiva secondaria) … materia grigia ( dendriti, nuclei, sinapsi) sostanza bianca (assoni)

59 A frequent explanation of the fMRI data simply assumes an increase in the spiking of many task- or stimulus- specific neurons. This might be correct in some cases, but increases of the BOLD signal may also occur as a result of balanced proportional increases in the excitatory and inhibitory conductances, potential concomitant increases in spontaneous spiking, but still without a net excitatory activity in stimulus-related cortical output.

60 In the same vein, an increase in recurrent inhibition with concomitant decreases in excitation may result in reduction of an areas net spiking output, but would the latter decrease the fMRI signal? The answer to this question seems to depend on the brain region that is inhibited, as well as on experimental conditions (Logothetis 2008)

61 Laumento del segnale BOLD potrebbe indicare sia un aumento che una diminuzione della frequenza di sparo neuronale (Logothetis 2008) Non è chiaro in che senso lanalisi fMRI possa contribuire a districare i meccanismi cerebrali assumendo che le relazioni tra il livello di attività di moduli cerebrali distinti giochino un ruolo rilevante nella definizione di un meccanismo cerebrale

62 Pylyshyn (1984): anche assumendo che qualsiasi comportamento sia prodotto da un meccanismo in principio descrivibile in un vocabolario neuroscientifico, vi sono explananda che (per vari motivi) è di gran lunga preferibile affrontare adottando un vocabolario cognitivista e non è necessario assumere che il meccanismo neuroscientifico e quello cognitivista debbano essere strutturalmente simili (traduzione uno-a- uno di moduli cognitivi in moduli neuroscientifici)

63 The fMRI methodology is used extensively in cognitive neuroscience, and as in any advanced field of investigation there are quite a few publications that are senseless and do not enhance our understanding of brain function. The problem, however, is not in the methodology but rather in those investigators who use it without understanding its limitations (Logothetis 2010)


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