Elettroencefalogrammi collettivi

Tre anni fa, durante la notte bianca di Toronto, è stata l’installazione più visitata. File di oltre due ore si allungavano all’esterno del duomo geodesico di 18 metri di diametro che ospitava “My Virtual Dream“. Si tratta di un esperimento neuroscientifico unico nel suo genere. I partecipanti, oltre cinquecento alla fine dell’evento, sono stati letteralmente “immersi” in un’esperienza artistica e musicale prodotta dai loro stessi cervelli, monitorati tramite elettroecefalogramma (EEG). L’obiettivo era quello di studiare il fenomeno del neurofeedback, ovvero l’effetto che la visualizzazione della propria attività cerebrale  produce sull’attività stessa. Ideato da un gruppo di neuroscienziati del Rotman Research Institute presso il Baycrest hospital di Toronto, il progetto è stato realizzato grazie al coinvolgimento di figure molto diverse tra loro: multi-media artist, esperti di brain imaging e brain computer interface, musicisti. L’esperimento è unico nel suo genere per due motivi. Per la prima volta i dati relativi alle oscillazioni neuronali sono stati raccolti fuori da un laboratorio, in un ambiente ricco di stimoli e disturbi, molto più simile a quello in cui viviamo quotidianamente. In secondo luogo il campione di dati raccolto ha una dimensione (523 soggetti) mai raggiunta prima. I risultati raccolti durante l’evento “My Virtual Dream”, hanno permesso di confermate effetti già osservati in laboratorio e scoprirne di nuovi.

L’esperimento “My Virtual Dream” sfrutta la tecnica del neurofeedback, un biofeedback basato sulla visualizzazione in tempo reale dell’attività cerebrale allo scopo di apprendere l’autoregolazione di alcune funzioni cerebrali.

NEUROFEEDBACK e INTERFACCE CERVELLO COMPUTER
L’attività del nostro cervello, per quanto complessa, è costituita da segnali elettrici che attraversano le sinapsi, i cavi di collegamento tra i neuroni. Questi segnali sono brevissimi, alcuni millesimi di secondo, e di intensità molto modesta, pochi millesimi di Volt. Non è dunque possibile rilevarli dall’esterno, posizionando degli elettrodi sul cranio come succede durante un EEG. Tuttavia questi microscopici segnali elettrici, che si attivano a intermittenza, possono interferire costruttivamente tra loro, sommandosi. La somma di questi segnali è rilevabile e costituisce le cosiddette onde cerebrali, più propriamente chiamate oscillazioni neuronali. L’EEG registra le oscillazioni neuronali rilevate da ciascun elettrodo, e permette di misurarne la frequenza e l’intensità.

Osservando le tracce di un EEG è possibile riconoscere alcuni “mattoni fondamentali”, sezioni di onde che si ripetono in ciascuna traccia, ognuna caratterizzata da uno specifico intervallo di frequenze (la frequenza di un’onda è la distanza tra due creste successive). Si distinguono quattro tipi di onde cerebrali: onde delta (0-4 Hz), onde alfa (7.5–12.5 Hz), onde beta (12.5 and 30 Hz), onde gamma (25 and 100 Hz). Ciascuna di queste onde può essere associata (grossolanamente) a diversi stati mentali. Le onde delta caratterizzano lo stato di sonno profondo. Le alfa indicano rilassamento. Le onde beta vengono prodotte quando siamo profondamente concentrati, mentre le theta quando siamo assaliti dalla tensione.

Tramite le moderne interfacce tra cervello e computer (più frequentemente indicate con l’acronimo BCI, Brain Computer Interface), è possibile tradurre in immagini, suoni o video l’attività cerebrale e mostrarle al soggetto in esame. La visualizzazione della propria attività cerebrale provoca una reazione nel soggetto, che modifica l’attività cerebrale stessa. Questo fenomeno, chiamato neurofeedback, è alla base di nuove tecniche di auto-modulazione del proprio stato mentale che sono impiegate sia per la riabilitazione che per il potenziamento. Nell’ambito della riabilitazione possiamo fare due esempi. Gli esercizi di neurofeedback si sono dimostrati una valida alternativa ai farmaci nel curare bambini affetti da deficit dell’attenzione, come l’Attention Deficit Hyperactive Disorder (ADHD). Inoltre, un protocollo basato sul neurofeedback ha recentemente mostrato di migliorare le capacità di controllo delle crisi di freezing nei malati di Parkinson.

L’EVENTO
Ciascuna sessione di “My virtual dream” coinvolge 20 partecipanti, davanti ai quali è seduto un pubblico di circa 50 persone in attesa del proprio turno. La presenza del pubblico contribuisce a rendere l’esperienza una vera e propria performance.

La prima parte dell’evento è dedicata a un gioco che studia due stati mentali, rilassamento e concentrazione, per capire se un training basato sul neurofeedback favorisce il raggiungimento di questi stati.
I 20 partecipanti vengono divisi in quattro gruppi da 5 persone. Ciascun gruppo siede davanti a uno dei quattro schermi posizionati in posizione circolare al centro del duomo. Ogni partecipante indossa una speciale cuffia equipaggiata con 7 elettrodi, 4 posizionati sulle zone mastoidee (vicino alle orecchie), e 3 sulla zona frontale. Queste cuffie registrano le onde cerebrali e le inviano a un computer centrale a cui sono connesse via bluetooth. Le onde vengono poi tradotte in immagini: ogni volta che l’intensità delle onde alfa (o beta) supera una certa soglia, un nuovo punto luminoso appare sullo schermo segnalando uno stato di rilassamento (o concentrazione) sempre più intenso. Ciascuno schermo è diviso verticalmente in 5 zone, ognuna dedicata alla visualizzazione dell’attività cerebrale di un componente. Ogni partecipante, dunque, osserva la propria attività ma anche quella degli altri.
Il gioco si articola in quattro fasi, raffigurate nella figura qui sotto, che vengono ripetute più volte.

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Dopo un messaggio di benvenuto, ai partecipanti viene chiesto di rilassarsi (per 20 secondi) e poi di concentrarsi (per 30 secondi), i loro sforzi vengono rappresentati dai punti luminosi sullo schermo. L’ultima fase è una sfida collettiva a coordinarsi nello stesso stato mentale (scelto autonomamente dal gruppo). Questa prima fase ha prodotto i dati analizzati in seguito dagli scienziati.

La seconda parte dell’evento è dedicata alla dream-experience. Le onde cerebrali dei 20 partecipanti vengono utilizzate per attingere da 4 librerie di file audio e video, componendo un’unica clip proiettata a 360° sulla superficie del duomo. Dei musicisti arricchiscono l’esperienza improvvisando sulla base delle immagini proiettate sulle pareti circostanti.

RISULTATI

Apprendimento veloce grazie al neurofeedback.
Il risultato più importante di “My Virtual Dream” è stato quello di dimostrare che gli effetti benefici del neurofeedback nel raggiungimento di un certo stato mentale si manifestano in tempi molto più brevi di quanto si pensasse finora. La fase di training per raggiungere lo stato di rilassamento è durata in media 60 secondi, mentre per raggiungere lo stato di concentrazione sono stati necessari 80 secondi di training.

Come spiega Natasha Kovacevic, tra gli ideatori del progetto, “apprendiamo senza rendercene conto”. Gli esperimenti realizzati in passato, misuravano l’effetto del neurofeedback solo dopo sessioni lunghe ore ripetute ogni settimana per mesi. Per registrare questo fenomeno su scale di tempo inferiori al secondo, è stata fondamentale la dimensione del campione. Gli autori dello studio hanno infatti mostrato che sono necessari almeno 200 soggetti.

L’apprendimento dipende dallo stato di partenza
“My virtual dream” ha inoltre permesso di confermare l’ipotesi secondo la quale il grado di apprendimento dovuto al neurofeedback è fortemente influenzato dallo stato cerebrale di partenza. Analizzando i dati, è stato possibile misurare le performance di ciascun partecipante negli stati di rilassamento e concentrazione, ovvero la loro abilità a rimanere nello stato desiderato, durante tutta la parte di gioco. Si vede che mentre le performance relative al rilassamento sono abbastanza costanti, quelle relative alla concentrazione hanno un comportamento molto più variabile. In particolare, dividendo il totale dei partecipanti in due gruppi, secondo la loro abilità nel matenere lo stato di concentrazione nelle fasi iniziali, si è visto che i più abili all’inizio peggiorano le loro performance, mentre i meno abili migliorano durante il gioco. È come se i più concentrati all’inizio non fossero in grado di concentrarsi di più anche sforzandosi. Questo conferma osservazioni passate sul fatto che lo stato iniziale influenza l’efficacia del training basato sul neurofeedback.

Effetti di veglia
L’eccezionale occasione in cui sono stati raccolti i dati, ha permesso di misurare gli effetti che una veglia prolungata (l’evento è durato dalle 7 della sera fino alle 7 del mattino) produce sulla capacità di modulare la propria attività cerebrale. Restare svegli più a lungo aumenta l’attività su frequenze alte, diminuendo quella sulle frequenze più basse.

IL TOUR
L’esperimento è stato ripetuto lo scorso ottobre in California, durante il “Festival of Discovery” organizzato dalla University of California Irvine. Il prossimo evento è previsto il 2 luglio prossimo presso il Computerspiele Museum di Berlino, nel caso capitaste da quelle parti …

Pubblicato da

Chiara Sabelli

Cerco. E, quando trovo, racconto. Giornalista scientifica freelance. Fisica di formazione, in finanza dopo il PhD.

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