Che diavolo è la fMRI?

Alcune parti del cervello si “accendono” quando proviamo certe emozioni, quando ascoltiamo la musica, o quando risolviamo problemi matematici. Vi sarà sicuramente capitato di imbattervi in notizie simili, visto quanto spesso finiscono sulla stampa. La tecnica che si usa per questi studi (e in tantissimi altri di neuroscienze) si chiama risonanza magnetica funzionale, o fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging), che è una gran figata, ma sembra anche avere qualche problema. Prossimamente se ne sentirà parlare abbastanza, quindi vale la pena di capire cos’è.

Una macchina per la risonanza magnetica. CC-BY-NC Penn State, via Flickr.

Cominciamo dalle basi. La risonanza magnetica (quella che ci fanno se ci facciamo male al ginocchio, per capirci) sfrutta campi magnetici e la risonanza, cioè reazioni inusuali di un oggetto o materiale ad uno stimolo di una particolare frequenza.

Il classico esempio è spingere qualcuno su un’altalena: spingendo ogni volta che l’altalena arriva a fine corsa, la facciamo più in alto che spingendo in momenti a caso. Semplificando (molto), la risonanza magnetica usa onde radio per spingere atomi di idrogeno, che abbondano in tessuti ricchi di acqua o grasso, tipo il cervello.

I nuclei di idrogeno hanno spin, una proprietà che li fa reagire ai campi magnetici come una bussola. La macchina per la risonanza magnetica applica un forte campo magnetico, allineando gli spin degli atomi, che poi colpisce brevemente con un’onda radio. Se la sua frequenza è quella giusta (chiamata frequenza di risonanza), l’onda rovescia lo spin di alcuni atomi (non gli atomi stessi però!).

Appena l’impulso termina, tutto torna com’era e gli atomi rilasciano un po’ di energia. Registrando queste emissioni con un’antenna si possono distinguere tessuti con diverse quantità d’acqua, ad esempio, diverse parti del cervello, generandone un'immagine.

Schema semplificato del funzionamento della risonanza magnetica. Gli atomi (palline rosse) si allineano al campo magnetico verde, finché l’onda elettromagnetica viola non li investe, rovesciando i poli di alcuni. Appena possono, gli atomi tornano al loro stato iniziale e rilasciano l’energia, che viene registrata dall’antenna blu. Credit: howequipmentworks.com

Per la fMRI si registrano velocemente tantissime di queste immagini. Analizzandole tutte è possibile capire quali parti del cervello sono più attive in ogni momento perché sono quelle dove viene indirizzato più sangue ossigenato, che reagisce alla risonanza in modo leggermente diverso da quello che sta lasciando il cervello.

L’operazione, francamente geniale, richiede un sacco di analisi statistica. Secondo alcuni studi recenti, servirebbe molta cautela e un intenso scrutinio dei software che fanno questa parte del lavoro. In uno studio, ad esempio, un salmone morto sembrava reagire quando gli venivano mostrate foto di persone.

Non vuol dire che la tecnica non sia valida, ma solo che bisogna stare attenti a cosa succede. Questi studi sono importantissimi per la ricerca, perché ci fanno identificare problemi ed errori.

Solo così possiamo essere sicuri di quello che stiamo facendo e di sfruttare appieno i risultati di tecniche spettacolari come la fMRI.

Per saperne di più

 

Foto copertina: SumaLateral Whole Brain Image, CC-BY NIH Image Gallery, via Flickr. Some rights reserved.

Come vediamo noi e come vedono i computer

Vi sarà bastato un dettaglio per capire che la foto di copertina è di un’auto. I computer non sono altrettanto capaci. Saranno pure capaci di batterci a Go, ma le macchine hanno difficoltà a distinguere gli oggetti nelle immagini.

Secondo i ricercatori del Weizmann Institute in Israele, il nostro vantaggio è che il cervello coglie singoli dettagli e dà un senso al resto.

I ricercatori hanno messo alla prova questa abilità mostrando diverse foto, spesso sgranate, a migliaia di volontari. Sorprendentemente, dice Shimon Ullman, “Se un’immagine minima perde anche pochissimo dettaglio, tutti improvvisamente perdevano l’abilità di riconoscere l’oggetto”. Nelle foto qua sotto, per esempio, la percentuale passa da oltre il 70% ad a malapena il 20%.

Piccole differenze tra le immagini della riga sopra e quella sotto cambiano moltissimo la possibilità di riconoscere cosa rappresentano (i numeri). Credit: Weizmann Institute

Secondo i ricercatori, questo significa che c’è una quantità minima di informazione che un’immagine deve contenere perché un cervello possa capire di cosa si tratta.

Meglio capiamo come funzionano i complicati processi visivi del cervello, migliori sistemi di visione artificiale possiamo progettare.

Ad esempio, migliorando la vista nelle auto che si guidano da sole.

 

Foto copertina: CC0 Alain Willenmart, via unsplash

Cosa hanno in comune le chitarre e il cervello?

La forma delle chitarre non è solo estetica: serve a darle il suo suono. E ci aiuta a capire come funziona il nostro cervello.

Pizzicando la corda di una chitarra, tutta la sua lunghezza viene attraversata da una vibrazione, un fremito. Da una parte, questa vibrazione va a sbattere contro la fine della corda, dall’altra con il dito del chitarrista. In entrambi i casi, rimbalza e torna indietro, andando a scontrarsi con quella che viene dall’altra parte.

Appena si scontrano, le vibrazioni fanno interferenza, e siccome viaggiano molto veloci lungo la corda, presto si stabilizzano in un’onda.

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Vibrazioni rimbalzano sul bordo di una corda immaginaria e interferiscono, creando un’onda stazionaria. CC-BY-SA Davidjessop via Commons.

Però questa non è un’onda qualsiasi: la lunghezza del tratto di corda che percorre tra un rimbalzo e l’altro (insieme ad altre cose) le lascia prendere solo alcune frequenze particolari. In particolare, quelle che fanno sì che sembri stare ferma in un posto (e perciò si chiamano onde stazionarie).

Una delle onde stazionarie nel corpo di una chitarra. Credit: Cardiff University

Anche il corpo riceve la vibrazione, e si comporta una specie di grande (e più complicata) corda: la vibrazione gli viaggia attraverso, rimbalza ai bordi e crea un’onda stazionaria.

La combinazione di queste onde è la nota che sentiamo. E tutto questo succede per ogni singola nota che viene suonata.

La forma del corpo, quindi, determina parte del suono.

Stando ad uno studio recente, il nostro cervello fa qualcosa di molto simile: anche a riposo, i neuroni sono sempre impegnati a mandarsi impulsi elettrici, che ci rimbalzano avanti e indietro in testa. Secondo gli scienziati, la geometria della rete dei neuroni fa sì che tra questi segnali si creino interferenze. Così, alcune frequenze vengono “scelte”, mentre le altre vengono smorzate proprio come in una chitarra.

Ognuno ha in testa un raffinato strumento con una voce unica. Che suono ha il vostro?

 

Foto copertina: Live at the O2, Dublin Mark Knopfler, CC-BY-NC-ND Sean Rowe, via Flickr. Some rights reserved.