• 4 IIT@UNIFE © 2016 IIT 4851
  • 1 IIT@UNIFE © 2016 IIT 4847
  • 8 IIT@UNIFE © 2016 IIT 4855
  • 2 IIT@UNIFE © 2016 IIT 4849
  • 7 IIT@UNIFE © 2016 IIT 4854

Gli obiettivi principali del Centro di Neurofisiologia Traslazionale del linguaggio e della comunicazione IIT@UNIFE sono due. Da un lato studiamo come il cervello si costruisce delle rappresentazioni per la comunicazione e il linguaggio. Dall’altro progettiamo e costruiamo nuovi sistemi di interfaccia con il cervello, concepite specificamente per uso umano, per registrare e decodificare i segnali nervosi. Il centro focalizzato parte delle sue attività sullo studio della comunicazione perché crediamo che nel caso di molte patologie che immobilizzano il paziente, per prima cosa sia importante il ripristino della capacità di comunicare con l’ambiente circostante.

Per raggiungere questo obiettivo (1) studiamo come il cervello elabora e comprende le azioni comunicative degli altri allo scopo di decodificare in maniera efficiente i segnali nervosi correlati alle intenzioni comunicative, (2) applichiamo tecnologie innovative e possibilmente biologicamente compatibili, al problema del riconoscimento automatico del linguaggio e delle azioni (Speech and Communication Team) e (3) progettiamo e realizziamo di una nuova generazione di elettrodi cerebrali caratterizzati da ridotta invasività, migliore risoluzione e sensibilità (Neural Interfaces Team).

In conclusione, ponendo una particolare attenzione sull’utilizzo di metodiche di neurofisiologia traslazionale (registrazione intracorticale, Micro-ECoG, fMRI, EEG, TMS), l’obiettivo della nostra ricerca è di accrescere la conoscenza sul funzionamento del cervello, per permettere lo sviluppo di interfacce uomo-computer di futura generazione. Le attività del gruppo spaziano dalla ricerca di base a quella applicata, attraverso tre principali linee di studio:

  • Progettazione di interfacce neurali stabili e durature
  • Ricerca sui centri e circuiti cerebrali necessari alla produzione e alla comprensione delle azioni e del linguaggio
  • Ricerca di metodi innovativi per il riconoscimento automatico del linguaggio

Fondamentali per il nostro lavoro sono le collaborazioni con altri laboratori nazionali e internazionali e con l’Unità complessa di Neurochirurgia dell’ospedale di Udine diretta da Miran Skrap e con cui è in atto una specifica convenzione.

Laboratori

IIT@UniFe ospita moderni laboratori e attrezzature per la registrazione del movimento, la neurofisiologia, l’istologia, le colture cellulari e  la scienza dei materiali.

  • Stimolazione magnetica transcranica neuronavigata, Elettroencefalografia ad alta densità, registrazione dei movimenti oculari, registrazione optoelettronica del movimento corporeo, articulografia elettromagnetica
  • Sistemi multicanale di registrazione e stimolazione neurale cablati e senza fili, microscopia a fluorescenza per il tracciamento dei neuroni, microtomi per preparazioni istologiche, Laboratorio per colture cellulari
  • Potenziostati/galvanostati, sintesi e polimerizzazione chimica, microscopie ottiche ad alta risoluzione, LCR meter, elettrometri, caratteristigrafi

Gruppi

(D. Ricci, E. Maggiolini, E. Castagnola, S. De Faveri)

Nel cervello la trasmissione e l’elaborazione dell’informazione avviene tramite segnali di natura elettrochimica. Per questa ragione, uno dei modi più efficienti per accedere a tali informazioni è tramite la connessione di elettrodi al cervello. Dato che i dispositivi attualmente disponibili non soddisfano tutte le esigenze di biocompatibilità, efficienza e versatilità necessarie sia per la registrazione che la stimolazione, la sfida oggi consiste nella ricerca della tecnologia più appropriata per realizzare elettrodi adatti all’impianto cronico nell’uomo.

Legenda A) matrice di microelettrodi epicorticale a 128 canali; B) elettrodo d’oro nanostrutturato; C) microelettrodo a microsfera d’oro incapsulata in un idrogelo sintetico biocompatibile; D) microelettrodo intracorticale bio-ibrido incapsulato in cellule autologhe dell’organismo ospite; E) potenziali somatosensoriali evocati registrati utilizzando elettrodi ECoG in PEDOT-CNT e rivestiti di un idrogelo di fibrina

Il Neural Interfaces Team si dedica allo sviluppo e impiego di nuove tecnologie per le interfacce neurali attraverso un approccio altamente multidisciplinare che include competenze nei campi della scienza dei materiali, nanotecnologie, ingegneria elettronica, biologia e neurofisiologia, sfruttando un’ infrastruttura di laboratori allo stato dell’arte: chimico ed elettrochimico, caratterizzazione elettronica, colture cellulari, istologia, neurofisiologia.

In modo specifico, progettiamo nuove matrici di microelettrodi epicorticali e intracorticali soffici e flessibili,  con ridotta impedenza, accresciuta capacità di trasferimento di carica e biocompatibilità, grazie all’uso di rivestimenti in nanocompositi ad alta area superficiale e incapsulamento in idrogeli. In parallelo, progettiamo tecniche per l’integrazione bio-ibrida degli elettrodi nel tessuto cerebrale utilizzando cellule autologhe dell’organismo ospite. La biocompatibilità e le prestazioni in registrazione e stimolazione, sia in acuto che cronico, dei dispositivi realizzati è verificata in laboratorio effettuando test neurofisiologici in roditori seguiti dall’istologia del cervello impiantato attraverso tecniche di immunofluorescenza.

Lo scopo del Neural Interfaces Team è di progredire nella ricerca fondamentale sui dispositivi per l’interfaccia cervello-macchina e di traslare tali conoscenze focalizzandosi su applicazioni cliniche in acuto e in cronico.

(D’Ausilio, L. Badino, R. Viaro, B. Tia)

L’interazione sociale, durante lo sviluppo infantile e nel corso della vita, gioca un ruolo centrale nel plasmare le nostre capacità cognitive. L’efficacia di tale interazione necessita la capacità di inviare e ricevere informazioni tra gli individui. In questo senso, i singoli individui possono essere concettualizzati come unità computazionali, immerse in un sistema complesso di altri individui e relazioni, e specializzate nell’interpretazione di specifici messaggi sociali. Questa fondamentale capacità, che quindi permette l’emergere della cognizione, è basata sulla funzione di uno specifico circuito neurale in grado di decodificare messaggi verbali e non verbali, in modo veloce ed automatico, durante l’interazione.

Lo Speech and Communication Team conduce ricerche su questi aspetti utilizzando un approccio fortemente multidisciplinare influenzato dalle neuroscienze, la psicologia, l’informatica e l’ingegneria, e sfruttando un mix di metodiche all’avanguardia nei campi della neurofisiologia (Micro-Electrocorticography, Single unit Recordings, Micro-Stimulation, Electroencephalography and Transcranial Magnetic Stimulation), delle scienze comportamentali (Eye-tracking, Body Motion Capture) e dei metodi computazionali (Machine Learning, Multivariate Analyses, Nonlinear Data Analyses).

Didascalia immagine: A Elettroencefalografia (EEG); B: Elettormiografia senza fili (EMG); C: Articoli di machine-learning; D: Stimolazione magnetica transcranica (TMS)

In modo specifico, conduciamo ricerche sui meccanismi cerebrali che, nella vita di tutti i giorni, ci permettono di comprendere ed usare la comunicazione verbale (Speech Perception Network) e non verbale (Action Perception Network, Syntax of Action). In parallelo, progettiamo sistemi computazionali in grado di comprendere le interazioni verbali (Automatic Speech Recognition) e non verbali (Non-verbal Sensorimotor Communication) con prestazioni simili a quelle umane.

Lo scopo del Neurophysiology of Speech and Communication Team è di progredire nella ricerca sui meccanismi fondamentali di come il cervello permetta di interagire socialmente in modo efficace al fine di progettare sistemi automatici ad esso ispirati.