Nuova tecnica di mappatura del cervello


Nuova tecnica di mappatura del cervello

I ricercatori hanno sviluppato un metodo per mappare le risposte cerebrali variabili per le immagini con lo scopo di rivelare come il cervello elabora le informazioni visive.

Un certo numero di tecniche di neuroimaging sono state impiegate per capire come le informazioni visive si trasformano lungo il percorso visivo. Sebbene ogni tecnica abbia limiti spaziali e temporali, ognuna può fornire importanti approfondimenti sul codice visivo. Mentre il segnale audace di fMRI può essere piuttosto informativo, il codice visivo non è statico e questo può essere oscurato dalla scarsa risoluzione temporale di fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging).

Il professor Bruce C. Hansen (1) (Colgate University Neuroscience), ha collaborato con la dottoressa Michelle R. Greene (2) (Bates College) e il dottor David J. Field (3) (Cornell University) per introdurre la mappatura dinamica dell'electrode-to-image (Dynamic Electrode-to-Image - DETI) - una tecnica analitica che capitalizza l'alta Risoluzione temporale dell'elettroencefalografia (electroencephalography - EEG) per rendere le mappe di funzioni visive associate a diversi segnali neurali nel tempo. Visualizza un esempio in tempo reale delle risposte neurali mappate a un'immagine. (4)

I ricercatori hanno sfruttato l'elevata risoluzione temporale dell'lettroencefalogramma (EEG) per sviluppare una tecnica di codifica basata sulla distribuzione delle risposte generate da una popolazione di scene del mondo reale. Questo approccio ha mappato i segnali neurali per ogni pixel all'interno di un'immagine specifica rilevando le trasformazioni della posizione del codice visivo, fornendo una firma spazio temporale per l'immagine ad ogni elettrodo.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista PLOS Computational Biology. (5)

Secondo il dottor Bruce C. Hansen «Quando si visualizza qualsiasi ambiente, il nostro cervello codifica le informazioni visive attraverso una grande popolazione di neuroni in un modo che consente una varietà di comportamenti intelligenti. Tuttavia, il codice visivo utilizzato per guidare il comportamento non è costante come un'immagine, ma si evolve nel tempo con diverse popolazioni di neuroni che contribuiscono al codice in diversi punti nel tempo. La nostra tecnica di mappatura DETI offre un primo sguardo in quel codice di valore variabile in ogni posizione in immagini».

I recenti progressi nelle analisi della codifica voxel-wise basati sulla risonanza magnetica funzionale (fMRI) hanno consentito ricostruzioni di sequenze convincenti di immagini basate sui dati cerebrali, ma sono in grado di rendere solo una singola istantanea a causa della risoluzione temporale limitata generata dall'fMRI. La procedura di mappatura DETI introdotta dal team del dottor Hansen è basata sui segnali EEG, che offre l'opportunità di mappare il codice neurale delle immagini con un precisione calcolata in millisecondi.

Per mappare con successo il codice visivo alle immagini con dati EEG, Hansen e colleghi hanno dovuto superare una serie di sfide metodologiche. «I segnali cerebrali che sono registrati dall'EEG soffrono di interferenze da parte del cranio e diverse quantità di cancellazioni dovute ai modelli variabili del cervello». Utilizzando un modello di codifica biologicamente plausibile del cervello, Hansen e il suo team sono stati in grado di eludere quei problemi misurando la corrispondenza tra i pixel codificati attraverso un gran numero di immagini e di conseguenti cambiamenti nella risposta neurale. «Un modo per pensare a come funziona la procedura di mappatura Deti passando un'immagine nel cervello e proiettando il codice neurale risultante sull'immagine».

I dati di mappatura prodotti dalla procedura DETI offrono nuove e importanti approfondimenti su come il codice neurale delle immagini si evolve nel tempo. Uno dei risultati più sorprendenti riportati da Hansen e colleghi è che le analisi della mappatura hanno rivelato che le scene subiscono una serie di trasformazioni non uniformi che privilegiano diverse frequenze spaziali in diverse regioni di scene nel tempo.

Queste scoperte portano a domande nuove e interessanti relative a come il codice neurale in evoluzione informa processi cognitivi a livello superiore quando le persone sono impegnate in diversi compiti. «Sappiamo che il codice per le informazioni visive è distribuito in una grande popolazione di neuroni, ma come tale codice è distribuito dipende dagli obiettivi di un determinato compito. Ciò significa che il cervello non crea semplicemente un'immagine mentale basata esclusivamente sull'ambiente, ma crea invece una rappresentazione che meglio corrisponde agli obiettivi comportamentali della persona».

Questa tecnica di mappatura offre un potenziale approcio per gli studi futuri con l'obiettivo di esplorare il modo in cui i processi focalizzati sulle azioni future da praticare per ottenere i risultati definiti e i ricorrenti dinamici informano e perfezionano le rappresentazioni di alto livello del nostro mondo visivo.
.

Riferimenti:

(1) Bruce C. Hansen

(2) Michelle R. Greene

(3) David J. Field

(4) real-time example

(5) Dynamic Electrode-to-Image (DETI) mapping reveals the human brain’s spatiotemporal code of visual information

Descrizione foto: La mappatura DETI deriva dal cervello di una persona che osserva uno degli stimoli usati nell'esperimento (a sinistra). La colonna centrale mostra una mappa topografica appiattita degli elettrodi sul retro della testa, illustrando la variazione delle mappe DETI ad ogni elettrodo in tutta la regione del cuoio capelluto. Dal lato destro, ogni colonna mostra un primo piano dell'evoluzione spazio temporale del codice visivo per diversi elettrodi (ogni riga corrisponde a un punto diverso nel tempo in millisecondi). Ogni colore rappresenta una delle sette diverse risposte di popolazione neurale che sono state mappate a ciascuna posizione dell'immagine, rivelando così le regioni dell'immagine con un migliore codice della popolazione neurale in diversi punti nel tempo. - Credit: Bruce Hansen.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Brain mapping: New technique reveals how information is processed