PO L I T E C N I C O D I B A R I ESTRAZIONE AUTOMATICA DI ESPRESSIONI EMOTIVE DA VOLTI UMANI

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1 PO L I T E C N I C O D I B A R I I a FACOLTA DI INGEGNERIA DI BARI Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica Corso di Laurea in Ingegneria Informatica TESI DI LAUREA IN ELEMENTI DI SISTEMI ESPERTI ESTRAZIONE AUTOMATICA DI ESPRESSIONI EMOTIVE DA VOLTI AUTOMATIC DETECTION OF EMOTIONS FROM HUMAN FACES Relatore: Prof. Ing. Vitoantonio BEVILACQUA Laureando: Giovanni MANDOLINO Anno Accademico

2 Chi ha occhi per vedere e orecchi per udire può convincersi che nessun mortale può tenere un segreto. Se le sue labbra tacciono, parlerà con la punta delle dita; ciò che lo tradisce trasuda da tutti i pori. (Sigmund Freud) : LA BASE BIOLOGICA DELLE EMOZIONI

3 1.1 INTRODUZIONE Prima di analizzare le emozioni basi, attraverso la variazione di uno o più muscoli del volto, è opportuno descrivere sommariamente, la funzione del cervello nell emozione. Negli ultimi decenni le neuroscienze hanno fatto grandi progressi nella comprensione di come funziona il cervello, che ci hanno permesso di formulare delle ipotesi su come il cervello contribuisce al comportamento emozionale e all'esperienza delle emozioni. Le emozioni sono programmi fisiologici e psicologici integrati emersi nel corso dell evoluzione biologica, con l apparizione dei Mammiferi. Sono programmi che si attivano in reazione a stimoli rilevanti rispetto ai bisogni di un individuo, alla sua sopravvivenza o a quella della specie. Esistono delle zone del cervello che attraverso la produzione di sostanze chimiche generano quelle condizioni che sono poi percepite dal soggetto come emozioni. Numerose strutture corticali e sottocorticali sono coinvolte nella regolazione di tali emozioni, nella motivazione e nell associazione degli stati emozionali con i ricordi e le sensazioni. Esse includono: Corteccia Cingolata; Amigdala; Ipotalamo; Ippocampo; Giro Paraippocampale; Corteccia Orbito-frontale; Corteccia Somestesica; Insula; Tronco Encefalico (nuclei monaminergici); Grigio Periacqueduttale; 2

4 Figura 1.1: strutture corticali e sottocorticali del cervello 1.2 IL CERVELLO Il nostro cervello è il prodotto della sovrapposizione dei tre tipi di cervello apparsi nel corso della trasformazione evolutiva dei Vertebrati. Il cervello più antico, specializzato nel controllo delle funzioni automatiche, come gli stati di coscienza, la respirazione, la circolazione, i processi metabolici. Comprende le strutture spinomidollari che si allungano dal midollo spinale terminando alla base del cervello. Con l apparizione dei Mammiferi, il cervello arcaico è stato circondato dalle strutture come l amigdala, il setto, il talamo, che fanno parte del sistema limbico. Questo sistema media i processi fondamentali del comportamento emotivo e motivazionale. 3

5 Figura 2.1:connessioni fra la corteccia sensoriale e il sistema limbico La corteccia cerebrale rappresenta la parte evolutivamente più recente del cervello umano, il neo-encefalo. Essa integra e coordina le funzioni di tutte le strutture nervose sottostanti ed è la sede delle funzioni psichiche superiori, come i processi cognitivi e il linguaggio. Dalla corteccia prefrontale, in particolare, dipende la regolazione volontaria delle emozioni e il controllo cognitivo del comportamento. 4

6 Figura 3.1: aree del cervello 1.3 CIRCUITI CEREBRALI DELLE EMOZIONI L ippocampo, l amigdala e la corteccia prefrontale sono strutture in connessione con l ipotalamo. I nuclei mammillari dell ipotalamo sono in comunicazione con la porzione anteriore del talamo che a sua volta è connesso alla corteccia cingolata. Le connessioni che dal cingolo raggiungono e mettono in connessione ippocampo, amigdala e corteccia prefrontale completano il circuito (20). Sebbene l intero circuito sia importante per il comportamento emozionale, l amigdala e la corteccia prefrontale rivestono un ruolo fondamentale nel processo di comprensione ed interpretazione della natura delle esperienze emozionali. E possibile affermare che un sistema multiplo di strutture cerebrali, sia corticale che sottocorticale, contribuisca all esperienza di un emozione. Ciascun area cerebrale coinvolta risulta, però, svolgere un ruolo diverso ed apportare un contributo specifico all elaborazione dello stimolo emotigeno. 5

7 Le aree che risultano particolarmente attive nel processo di elaborazione emozionale sono: Ipotalamo; Amigdala; Corteccia Prefrontale Mediale; Corteccia Cingolata Anteriore; Insula IPOTALAMO L ipotalamo è responsabile dell attivazione delle risposte vegetative dell organismo in relazione a stimoli emotigeni. facilita l aggressività difensiva, insieme con quello laterale inibisce la predazione (l essere predatore). Tali risposte consistono in variazioni a carico di diversi indici fisiologici: frequenza cardiaca; temperatura corporea; pressione arteriosa; sudorazione; ritmo respiratorio; contrazione gastrica; Tali variazioni sono indotte dal sistema simpatico e dalla risposta del sistema colinergico parasimpatico. 6

8 Figura 4.1: area dell ipotalamo AMIGDALA La principale regione cerebrale implicata nell elaborazione delle emozioni è l amigdala, organizza le risposte comportamentali, vegetative e ormonali di rabbia, paura e ansia. Collocata all interno della porzione mediale del lobo temporale, adiacente all ippocampo, con la corteccia prefrontale posta immediatamente anteriormente. L amigdala è costituita da tre nuclei principali: basolaterale, corticomediale e centrale. Il nucleo centrale facilita l aggressività difensiva, quello basolaterale o mediale la suscita. La stimolazione dell amigdala induce risposte emozionali, la sua disattivazione farmacologica (benzodiazepine, oppio) le attenua e la sua distruzione le abolisce. L amigdala, non appena capta una situazione emotiva negativa, di pericolo, accende una serie di sistemi fisici compreso il sistema nervoso autonomo. Questo, a sua volta, stimola da parte delle ghiandole surrenali il rilascio dell adrenalina nel sangue. 7

9 In questo modo le decisioni vengono prese inconsciamente, basandosi sull istinto, in quanto la sopravvivenza fisica nelle situazioni di forte stress, diventa l obiettivo primario. Partono dall amigdala vie per l ipotalamo (via amigdalofughe e stria teminale), che garantiscono la risposta vegetativa, vie per il grigio acqueduttale che garantiscono la reazione comportamentale e vie per la corteccia che consentono l elaborazione, il controllo ed il riconoscimento emozionale. Figura 5.1: area dell amigdala Numerosi dati sostengono l evidenza che l amigdala sia responsabile della rilevazione, della generazione e del mantenimento delle emozioni correlate alla paura. 8

10 Evidenze Sperimentali: 1) Ruolo svolto dall amigdala in alcuni processi legati all elaborazione di stimoli minacciosi: paura condizionata; riconoscimento delle espressioni facciali paurose; percezione della paura indotta da un anestetico (novocaina); evocazione di risposte emozionali paurose da stimolazione diretta. 2) Presenza di una risposta amigdalare più generica quando l espressione minacciosa non viene percepita in modo consapevole o quando i soggetti non sperimentano la paura in modo soggettivo. 3) Lateralizzazione sinistra delle funzioni amigdaloidee in relazione alle emozioni CORTECCIA PREFRONTALE MEDIALE La porzione mediale della corteccia prefrontale orbitale è connessa con le strutture limbiche, ed è implicata nei processi emotivi ed affettivi e nella capacità di prendere decisioni finalizzate ad uno scopo; in particolare le regioni mediali inferiori sono coinvolte, insieme alle regioni orbitali mediali, nella regolazione delle emozioni e del comportamento. Il circuito orbitofrontale mediale connette la corteccia prefrontale mediale con la corteccia cingolata anteriore, l amigdala e le altre strutture limbiche; nell ambito di questo circuito la corteccia prefrontale mediale riceve afferenze dalle strutture sottocorticali e mesencefaliche connesse con i circuiti della gratificazione e del piacere. 9

11 Figura 6.1: area della corteccia prefrontale mediale Evidenze Sperimentali: 1) La comune attivazione della MPFC (Medial Pre-Frontal Cortex) in compiti relativi a differenti emozioni, suggerisce che tale struttura svolga un ruolo generale nel processo di elaborazione emozionale (stima, esperienza, risposta). Una possibilità, quindi, è che l attività della MPFC sia implicata nell elaborazione di quegli aspetti cognitivi che sono strettamente correlati al processo emozionale. 2) L attività di tale struttura, inoltre, potrebbe essere coinvolta nella regolazione degli stati emozionali; le regioni prefrontali occupano una posizione strategica per assolvere alla modulazione dell attività limbica; la MPFC, infatti, con le estese connessioni alle strutture limbiche sottocorticali - tra cui l amigdala - (Corteccia Paralimbica), costituisce una plausibile zona di interazione tra i processi cognitivi ed affettivi. 10

12 1.3.4 CORTECCIA CINGOLATA ANTERIORE La Corteccia Cingolata viene oggi distinta da un punto di vista funzionale in tre sottoregioni: rostrale (anteriore) coinvolta nelle emozioni; dorsale coinvolta nella cognizione; caudale (posteriore) implicata nel controllo motorio. Il circuito del Cingolato Anteriore mette in connessione tale struttura con la corteccia orbitofrontale e con l amigdala. Figura 7.1: area della corteccia cingolata anteriore Questa regione regola le funzioni endocrine, ma è coinvolta anche nell apprendimento emozionale condizionato, nella valutazione di contenuti motivazionali, nella capacità di attribuzione di valore emotivo ad eventi interni o esterni. Evidenze Sperimentali: 1) In generale, la porzione rostrale del cingolo anteriore sembra essere coinvolta nella valutazione della salienza di informazioni di tipo motivazionali ed emozionali; essa è anche coinvolta nell attività di mediazione dell attivazione 11

13 emozionale, soprattutto quando l informazione esterna, in contrasto con lo stato interno, richiede un processamento addizionale. 2) L attivazione di una porzione del cingolo anteriore corteccia cingolata subcallosale risulta specificamente associata all emozione tristezza. 3) Il richiamo indotto di un emozione attiva specificamente il cingolo anteriore INSULA L insula giace profonda sulla superfice laterale del cervello, all interno del solco laterale, che separa il lobo temporale dalla corteccia parietale inferiore. L insula riceve differenti informazioni corticali e talamiche: la porzione anteriore dell insula è in connessione con i nuclei ventro-mediali del talamo e con il nucleo centrale dell amigdala; la porzione posteriore è connessa con la corteccia somatosensoriale secondaria, col nucleo ventrale infero-posteriore del talamo e con la porzione posteriore del nucleo ventro-mediale del talamo. Figura 8.1: l area segnata e la sezione dell insula 12

14 L insula svolge un ruolo fondamentale nell elaborazione dell esperienza emozionale soggettiva; essa, cioè, è preferenzialmente coinvolta negli aspetti valutativi, esperenziali o espressivi di stati emotivi generati internamente. Evidenze Sperimentali: 1) Si ritiene che essa svolga un ruolo importante nel processo di mappatura degli stati viscerali associati ad esperienze emozionali. 2) L insula sembrerebbe partecipare alla valutazione della significatività di sensazioni enterocettive emozionali in modo da fungere da sistema di allarme per pericoli percepiti internamente o per cambiamenti omeostatici. Questa ipotesi è sostenuta dall evidenza che l attivazione insulare aumenta in risposta a tutti gli stimoli negativi che evocano sensazioni viscerali/somatiche. 1.4 BRAIN IMAGING La risonanza magnetica funzionale, la PET, la SPECT, la magnetoencefalografia sono tra le tecniche più usate per verificare la reazione del cervello di una persona in preda ad un emozione. Queste tecniche misurano principalmente l afflusso di sangue nelle varie regioni cerebrali. Le aree attive del cervello usano maggiore energia e quindi richiedono un più elevato rifornimento di ossigeno e glucosio. Con l uso di particolari marcatori, il brain imaging permette anche di rilevare la densità e le variazioni di concentrazione cerebrale degli agenti e delle microstrutture, come i neurotrasmettitori e i relativi recettori, attraverso cui si realizza la trasmissione dell impulso nervoso, base di tutte le attività del cervello. Gli indici di attività del cervello e di densità degli agenti e delle microstrutture della neurotrasmissione vengono tradotti in scale di colore. 13

15 1.4.1 RISONANZA MAGNETICA FUNZIONALE Con la risonanza magnetica funzionale (fmri, functional magnetic resonance imaging), non soltanto è possibile vedere immagini relative a sezioni trasversali del corpo umano, ma anche osservare come il cervello processi differenti mansioni. In particolare la risonanza magnetica funzionale è una tecnica di imaging biomedico che consiste nell uso dell imaging a risonanza magnetica per valutare la funzionalità di un organo o un apparato, in maniera complementare all imaging morfologico. La risonanza magnetica funzionale è uno strumento destinato a rivoluzionare il mondo della diagnostica a immagini in quanto permette si osservare cosa accade ad esempio all interno del cervello mentre l organo compie normali azioni come il pensare, provare emozioni o muovere gli arti. L esame viene eseguito mostrando al paziente, grazie a un sistema ottico di proiezione, alcune immagini mentre è all interno del tunnel. Il dispositivo quindi cattura e registra immagini relative a sezioni del cervello (MRI) insieme alla misura dell attività neurale come variazione di concentrazione locale e temporale della quantità di ossigeno nel sangue e nei tessuti (fmri). Alla fine il dispositivo produrrà immagini con zone colorate differentemente in modo da evidenziare i diversi livelli di attività in diverse zone del cervello. 14