FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso Di Laurea In Ingegneria Automatica E Dei Sistemi Di Automazione DIPARTIMENTO DI INFORMATICA E SISTEMISTICA Sviluppo di una interfaccia Cervello - Computer dinamica per il controllo di un ambiente intelligente (Smart Home) Relatore: Chiar. ma Prof. ssa Serenella Salinari Candidato: Dario Giuseppe Ferriero Correlatore: Matricola: Ing. Fabio Aloise 1091037 ANNO ACCADEMICO 2007-2008
1. FONDAMENTI DI ANTOMIA CEREBRALE E STRUMENTI DI ANALISI In questa sezione si andrà a delineare quelli che sono i concetti fondamentali di anatomia e neurofisiologia sulla base dei quali sono stati individuati i settori di maggior interesse per lo sviluppo del sistema di controllo basato su Brain Computer Interface. In particolare si esploreranno rapidamente quelle che sono le caratteristiche principali del sistema nervoso e gli strumenti di cui ci si è avvalsi per l analisi del suo funzionamento. 1.1. Il sistema nervoso Il sistema nervoso, sede della raccolta, dell elaborazione e della trasmissione delle informazioni relative all ambiente esterno ed a quello interno al corpo umano, è anatomicamente suddiviso in due parti: il sistema nervoso centrale o nevrasse (SNC) ed il sistema nervoso periferico (SNP). Il sistema nervoso centrale è costituito dal cervello, racchiuso nella scatola cranica, e dal midollo spinale, contenuto invece nel canale vertebrale; ogni singolo segmento midollare ha la capacità di controllare autonomamente delle funzioni motorie specifiche. Il SNC è responsabile dell analisi e della coordinazione dei dati sensoriali e dei comandi motori; è anche la sede di funzioni più importanti quali l intelligenza, la memoria, l apprendimento e le emozioni. A differenza del sistema nervoso periferico, il SNC non è solo in grado di raccogliere e trasmettere informazioni, ma anche di integrarle. Il sistema nervoso periferico è costituito dai nervi periferici che collegano il cervello ed il midollo spinale al resto del corpo, compresi i muscoli, gli organi di senso e gli organi dei sistemi digerente, respiratorio, escretore e circolatorio. All interno dei nervi periferici si trovano gli assoni dei neuroni sensoriali che trasmettono al sistema nervoso centrale l informazione sensoriale proveniente da tutte le parti del corpo. I nervi periferici contengono anche gli assoni dei neuroni motori (o motoneuroni) che trasmettono i segnali dal sistema nervoso centrale agli organi ed ai muscoli. 3
Il sistema nervoso periferico, quindi, svolge essenzialmente la funzione di trasmissione, attraverso fasci di conduzione, dei segnali afferenti da un unità periferica (organi) verso il sistema nervoso centrale, o dei segnali efferenti dal sistema nervoso centrale verso un unità periferica. Il sistema nervoso centrale (SNC) è una struttura bilaterale e simmetrica (fig. 1.1), tradizionalmente divisa in sei parti, ciascuna delle quali può essere ulteriormente suddivisa in aree anatomicamente e funzionalmente distinte. Le principali regioni sono il bulbo, il ponte, il cervelletto, il mesencefalo, il diencefalo e gli emisferi cerebrali o telencefalo. Figura 1.1: rappresentazione schematica del sistema nervoso centrale (SNC) nelle sue principali regioni Gli emisferi cerebrali sono la regione più vasta di tutto il sistema nervoso centrale dell uomo e comprendono la corteccia cerebrale, la sostanza bianca sottostante e tre formazioni nucleari profonde: i nuclei della base, l amigdala e l ippocampo. Gli emisferi cerebrali sono implicati in funzioni percettive, motorie e cognitive. Essi sono interconnessi dal corpo calloso costituito da un cospicuo fascio di fibre che mette in connessione regioni simmetriche dei due emisferi. L amigdala è implicata nel comportamento sociale e nell espressione delle emozioni, l ippocampo nella memoria ed i nuclei della base nel controllo del movimento fine. 4
Un importante caratteristica dell organizzazione del sistema nervoso centrale è costituita dal fatto che la maggior parte delle vie bilaterali e simmetriche si portano dal lato opposto (contro laterale) del cervello e del midollo spinale. Di conseguenza le attività sensoriale e motorie di un lato del corpo sono mediate dall emisfero cerebrale del lato opposto; così, ad esempio, i movimenti della parte sinistra del corpo sono controllati in larga misura dai neuroni della corteccia motoria destra. 1.2. Corteccia cerebrale La maggior parte delle funzioni cerebrali trova una localizzazione nella corteccia che ricopre gli emisferi cerebrali e nella quale tutte le informazioni sono elaborate ed integrate. La corteccia è una struttura molto complessa caratterizzata dalla presenza di un gran numero di fenditure, dette solchi, e di circonvoluzioni, le cui creste prendono il nome di giri. Alcuni solchi sono comuni a tutti gli individui, tanto che si è deciso di usarli come zone di riferimento per dividere la corteccia di ogni emisfero in quattro lobi: frontale, parietale, temporale ed occipitale. Figura 1.2: Rappresentazione schematica della struttura cerebrale diviso nei quattro lobi 5
Il lobo frontale, sito anteriormente al solco di Rolando, è costituito da una zona frontale pura (sede della motricità), da una zona pre-frontale ( responsabile del carattere dell individuo) e, posteriormente, dalla zona motoria. Il lobo parietale è sede della percezione e dell interpretazione delle sensazioni (tattili, termiche e dolorifiche). Il lobo temporale assolve prevalentemente ad una funzione di collegamento tra gli altri lobi ed è sede della corteccia uditiva. Il lobo occipitale, infine, rappresenta il terminale delle vie ottiche e quindi assolve alle funzioni visive. Studi anatomo-fisiologici hanno inoltre consentito di appurare che determinate aree della corteccia cerebrale sovrintendono specifici compiti sia cognitivi che motori. Contributo fondamentale a questa teoria è stato quello apportato dall anatomista Brodmann, autore, già agli inizi del 900, di una classificazione della superficie corticale in aree omogenee dal punto di vista citoarchitettonico. Operando esami istologici accurati, valutando diversi tipi di cellule nervose e la disposizione delle fibre mieliniche (ovvero sia delle fibre che rivestono il tessuto nervoso), Brodmann giunse ad individuare 47 precise aree corticali con caratteristiche distinte. Figura 1.3: Rappresentazione schematica di alcune delle aree corticali individuate da Brodmann 6
Alcune delle suddette aree sono state denominate in base al compito specifico cui esse attendono; è possibile, ad esempio, distinguere l area sensitiva primaria (area 3-1-2) e secondaria (area 5 e 7), l area visiva primaria (area 17) e secondaria (area 18 e 19), l area motoria primaria (area 4) e l area premotoria (area 6, parte mediale). Un altro importante contributo alla conoscenza delle funzionalità della corteccia cerebrale è stato quello apportato da Wilder Penfield, il quale, intorno al 1950 nel corso di interventi di neurochirurgia, determinò un legame diretto tra la stimolazione di ristrette porzioni del giro precentrale e la contrazione di specifici muscoli. Egli riuscì ad ottenere una precisa rappresentazione della motilità delle varie parti del corpo sulla corteccia e dimostrò così che zone del corpo vicine sono controllate da regioni contigue della stessa. Figura 1.4: Homunculus motori ed Homunculus sensitiva La rappresentazione fornita non costituisce la trasposizione diretta delle 7
diverse parti del corpo, ma è somatotopica, vale a dire l'ampiezza delle diverse porzioni corticali dedicate ai singoli distretti corporei non corrisponde alle dimensioni delle corrispondenti parti periferiche. Le dimensioni e l ordine delle diverse parti corporee dipendono dall ampiezza del tessuto cerebrale motorio dedicato. Ne risulta un corpo umano distorto, un omuncolo appunto, con mano e lingua molto grandi, tronco e arti più piccoli. Questi dati sperimentali, riferiti a soggetti anestetizzati, sono stati in seguito confermati con tecniche, quali la stimolazione magnetica transcranica, applicabili in condizioni di veglia. È da notare che esiste anche una somatotopia sensitiva. 1.3. Basi di neurofisiologia Il tessuto nervoso comprende due specifiche popolazioni cellulari: neuroni e neuroglia. Mentre le seconde rappresentano elementi di supporto, le prime sono affidatarie del compito fondamentale di trasferimento ed elaborazione delle informazioni che viaggiano assieme al segnale nervoso. Figura 1.5: Struttura neuronale 8
Ogni cellula neuronale è dunque composta da: un soma, che contiene il nucleo e la maggior parte dell apparato energetico; un assone, che conduce l impulso nervoso a distanza dal soma; una serie di dendriti, stimolati da alterazioni ambientali o dall attività di altre cellule; delle terminazioni sinaptiche che interagiscono con un altro neurone o un organo effettore. La corteccia cerebrale contiene al suo interno diversi tipi di neuroni che possono essere suddivisi generalmente in 2 gruppi: cellule piramidali e non. I campi elettrici generati dalle cellule piramidali, se sincroni, possono sommarsi ed essere registrati mediante elettrodi posti sullo scalpo attraverso la tecnica dell elettroencefalografia che tratteremo nel paragrafo successivo. Dal punto di vista funzionale infine, i neuroni possono essere classificati in neuroni effettori, sensitivi e interneuroni: i primi sono quelli che trasferiscono gli impulsi dal sistema nervoso centrale ad organi attuatori come i muscoli; i neuroni sensitivi trasferiscono invece gli impulsi dai recettori verso il SNC; gli interneuroni infine ricoprono funzioni di collegamento sia tra neuroni sensitivi, motori e i centri nervosi superiori sia tra questi ultimi e i neuroni motori. 1.4. Elettroencefalografia L attività cerebrale può essere studiata attraverso la misura dei suoi correlati elettrofisiologici e metabolici, con l utilizzo di diverse tecniche, quali l elettroencefalografia (EEG) e la magnetoencefalografia (MEG). La prima registra le variazioni del campo elettrico generato da gruppi di neuroni piramidali, la seconda le variazioni del campo magnetico indotto al variare del campo elettrico generato dai neuroni stessi. I due fenomeni sono strettamente correlati e le leggi fisiche (le equazioni di Maxwell) che descrivono questi fenomeni sono ben conosciute e costituiscono la base della teoria elettromagnetica. La tecnica dell elettroencefalografia è stata inventata nel 1929 da Hans Berger, il quale scoprì che vi era una differenza di potenziale elettrico tra aghi infissi nello scalpo oppure tra due elettrodi quando essi sono posti a contatto sulla cute sgrassata del cuoio capelluto. La tecnica fu in seguito perfezionata da Herbert Jasper. Le differenze di potenziale generate dal flusso di correnti ioniche che attraversano le 9
membrane sinaptiche e che inducono un flusso di cariche esterne nello spazio extracellulare raggiungendo la superficie della testa, possono essere misurate tramite elettrodi posti sullo scalpo. Il segnale ovviamente perverrà al cranio attenuato, a causa della bassa conducibilità delle ossa craniche. Sul tracciato elettroencefalografico è possibile individuare e classificare andamenti che vengono distinti in quattro gruppi: onde alfa: comprese nel campo 8-13 Hz e ampiezza 20-200µV, presenti nella maggioranza delle persone normali e che compaiono soprattutto nella condizione di quiete e a occhi chiusi; onde beta: comprese nel campo 14-30 Hz. Quelle di tipo I sono simili alla transizione che subiscono le onde alfa successivamente all apertura degli occhi; quelle di tipo II compaiono quando vi è intensa attività del sistema nervoso centrale; onde theta: comprese nel campo 4-7 Hz, originate da forti stress emozionali o in pazienti con disordini metabolici o con estese lesioni del midollo allungato e/o cervello medio; onde delta: con frequenze inferiori a 3,5 Hz, presenti nel sonno profondo. Figura 1.6 a) esempio di attività α, Figura 1.6 b) esempio di attività β, Figura 1.6 c) esempio di attività θ, Figura 1.6 d) esempio di attività δ 10
1.4.1. EEG tradizionale Allo scopo di ricostruire l attività corticale, l EEG deve essere misurato contemporaneamente in diversi punti dello scalpo. Per rendere compatibili i tracciati elettroencefalografici e poter quindi trarre le medesime conclusioni diagnostiche su tracciati compiuti sulla stessa persona in tempi diversi e con macchine diverse, la posizione degli elettrodi è stata standardizzata secondo il sistema 10-20, in cui 19 elettrodi sono posizionati in frazioni del 10% o del 20% rispetto alla distanza tra due punti di repere cranici "inion" (prominenza alla base dell'osso occipitale) e "nasion" (attaccatura superiore del naso). Ogni porzione è caratterizzata da una sigla che ne ricorda la localizzazione anatomica sullo scalpo. Gli elettrodi posti nella parte sinistra sono indicati con un numero dispari, quelli della parte destra con un numero pari (con la lettera A sono indicati i lobi delle orecchie, con la C la zona centrale, F frontale, FP frontale parietale, T temporale, O occipitale). Figura 1.7: disposizione degli elettrodi secondo il sistema internazionale 10:20 Dal momento che l obiettivo è la rilevazione di differenze di potenziale, è necessario fissare uno o più elettrodi di riferimento. Esistono due differenti metodologie utilizzate: la prima rileva i potenziali di tutti gli elettrodi rispetto a 11
quello di un singolo elettrodo comune, generalmente applicato al lobo dell'orecchio (metodo del riferimento comune); la seconda riferisce il valore di ogni canale alla media di tutti i canali (metodo del riferimento medio). 1.4.2. EEG ad alta risoluzione I potenziali registrati nell elettroencefalografia risultano attenuati, distorti e diffusi sullo scalpo a causa delle differenti conducibilità elettriche che i tessuti, quali meningi, cranio e scalpo, presentano al passaggio delle correnti intracraniche. Inoltre, la distorsione della distribuzione del potenziale corticale si amplifica nel momento della rilevazione sullo scalpo a causa degli effetti indotti dai percorsi ad equivalente conducibilità che la discontinuità dei globi oculari e dei forami acustici offrono alla propagazione delle correnti intracraniche. Il potenziale registrato in un certo sito elettronico quindi non è necessariamente generato dalla sottostante corteccia, in quanto la distribuzione di potenziale sullo scalpo presenta una bassa risoluzione spaziale che non consente un affidabile localizzazione dei generatori corticale dei potenziali evento correlati. Ad esempio, il potenziale dello scalpo generato da sorgenti corticali bilaterali può essere massimo al vertex che è posto lontano da tali sorgenti. È stato quantificato, mediante simulazioni, che sorgenti distribuite in un raggio di 3 cm al di sotto della posizione dell elettrodo, contribuiscono solo per il 50% alla potenza che l elettrodo stesso capta, mentre si raggiunge il 90% considerando sorgenti distanti anche 6 cm. Infine, è interessante notare che gli effetti di volume di conduzione, come anche quelli di riferimento elettrico, producono un aumento delle basse frequenza spaziali dei potenziali dello scalpo (blur spaziale). Il segnale EEG è quindi in genere un potenziale che risulta dalla sovrapposizione di segnali provenienti da diverse regioni corticali e/o sottocorticali. Per ottenere un incremento significativo della risoluzione spaziale dei potenziali evento-correlati registrati sullo scalpo, si ricorre all impiego della tecnologia detta Elettroencefalografia ad Alta Risoluzione Spaziale (EEG-HG). In tale tecnologia vengono prima condotte le registrazioni del potenziale evento-correlato impiegando una rete di 64-128 sensori posti sullo scalpo e successivamente tali 12