BRANDY Summer School. Archivio Università di Trento.

Ricerca

Studiare le dinamiche delle reti cerebrali

Il progetto strategico BRANDY e la sua prima summer school internazionale

22 luglio 2019
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di Albrecht Haase
Professore presso il Centro Interdipartimentale Mente/Cervello - CIMeC e il Dipartimento di Fisica

La ricerca sul cervello sta crescendo a un ritmo rapidissimo su piani molto diversi: dalle singole molecole alle cellule, dai neuroni alle reti, dalla percezione   al comportamento, da studi su piccoli animali agli esseri umani. A ciascuno di questi livelli si aprono spiragli preziosi non solo sulla struttura e sulla funzione del nostro sistema nervoso, ma anche su ciò che ne causa il malfunzionamento e su possibili metodi diagnostici e terapeutici. L'avanzamento della ricerca richiede competenze in ambiti molto diversi, come la biologia molecolare, la fisiologia, la matematica, la fisica, la neurologia e la psicologia.

In aggiunta a questo, scoperte recenti hanno stimolato una rivoluzione nella ricerca e nella tecnologia ispirate alla neurologia. Le reti neurali artificiali, l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale hanno da tempo lasciato i laboratori di scienziati e ingegneri informatici e trovato applicazione nella nostra vita quotidiana, con un potenziale futuro di sviluppo inimmaginabile.
Oggi pertanto una numerosa comunità scientifica è già al lavoro su problemi strettamente legati tra loro ed è necessario che le prossime generazioni di scienziati siano preparate a far parte di questo settore in rapida evoluzione. Anche dipartimenti e centri dell'Università di Trento danno il proprio contributo a questi progressi sia attraverso l'insegnamento che con la ricerca. Per stimolare, dirigere e velocizzare questa rivoluzione scientifica occorre garantire che ricercatori con esperienze diverse continuino a scambiarsi idee, metodologie e risultati.

Il Piano strategico della nostra Università sostiene questo aspetto importante attraverso un progetto strategico di collaborazione interdipartimentale sulle dinamiche di rete cerebrali (Brain Network Dynamics, BRANDY), cui partecipano il Centro Interdipartimentale Mente/Cervello (CIMeC), il Dipartimento di Fisica, il Dipartimento di Ingegneria e Scienza dell'Informazione (DISI) e il Centro di Biologia Integrata (CIBIO), assieme a partner esterni come la Fondazione Bruno Kessler (FBK), l'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), l'Università di Palermo e il Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech).
Si è da poco concluso positivamente il primo intervento previsto da questo progetto, la Summer School of Interdisciplinary Research on Brain Network Dynamics (summer school di ricerca interdisciplinare sulle dinamiche di rete cerebrali), che si è svolta nell'ultima settimana di giugno in un convento a Terzolas, in Val di Sole. L'idea era di offrire un’occasione di incontro a studenti e ricercatori esperti provenienti dai membri del progetto BRANDY ma anche di instaurare legami con la comunità scientifica internazionale, e per questo sono stati invitati a partecipare anche 15 docenti e 43 studenti da diversi paesi. Nei 5 giorni del programma si è visto quanto le dinamiche neuronali siano divenute essenziali in molti ambiti di ricerca. Siccome i relatori e i partecipanti avevano curriculi ed esperienze molto diversi tra loro, si è provveduto a illustrare ciascun ambito di ricerca con una lezione introduttiva prima di procedere alla presentazione dei risultati raggiunti in quell’ambito più recentemente.

Le presentazioni sono state di grande qualità e sono riuscite, come auspicato, a suscitare interesse anche tra i partecipanti non esperti in materia. Alcuni dei risultati presentati hanno cercato di stabilire, quali proprietà dovrebbero avere i modelli semplici per imitare le reti neurali. Ad esempio si è visto come circuiti elettrici rumorosi sono in grado di generare la camminata controllata in insetti robot. Scienziati teorici hanno presentato le simulazioni più efficaci di reti neuronali e come implementarle   su processori grafici (GPU) con prestazioni superiori a quelle dei supercomputer attualmente in uso. Esperti di neuroimaging e di analisi delle immagini hanno mostrato nuovi metodi per individuare reti accoppiate   nel cervello e tra cervello e corpo. Ingegneri  informatici  hanno presentato interfacce cervello-computer avanzatissime che consentono di controllare robot o arti protesici attraverso segnali elettrici registrati dal cervello.

Esperti informatici hanno presentato un’architettura hardware futura che mima i neuroni collegati da sinapsi per rendere più efficiente l'apprendimento automatico, che trova applicazione per esempio nell'analisi di immagini o vocale. Oltre alla tecnologia che si ispira ai neuroni, sono state fatte dimostrazioni di applicazioni dirette di diagnostica cerebrale basata sulla tecnologia, che sono in grado, per esempio, di valutare lo stato di coscienza dei pazienti in coma e di identificare la base neurale della tossicodipendenza e potenziali interventi per contrastarla. Maggiori informazioni si possono ottenere dalle slide che i relatori hanno gentilmente messo a disposizione sul sito web della scuola.

Gli studenti hanno contribuito all’evento con poster affissi nell'affascinante corte interna del convento. La gradevole atmosfera della scuola, nell’ambiente alpino del Trentino, ha contribuito a stimolare un dibattito vivace tra i partecipanti, che è tuttora in corso, e a creare solidi legami a tutti i livelli. Molti partecipanti, per concludere, hanno espresso il desiderio che la scuola diventi un evento stabile nei prossimi anni.

[Traduzione di Paola Bonadiman]

 

The First Summer School of Interdisciplinary Research on Brain Network Dynamics

Brain research is growing extremely fast on a variety of levels: from single molecules to cells, from neurons to networks, from perception to behaviour, from tiny animals to humans. Research on all these levels provides fundamental insights into the structure and function of our nervous system but also into causes for its dysfunction and the required diagnostic and therapeutic methods. Bringing this research forward requires expertise in various fields including molecular biology, physiology, mathematics, physics, neurology, and psychology.
Moreover, recent findings have stimulated a revolution in neuro-inspired research and technology. Artificial neural networks, machine learning, and artificial intelligence have already made it out of the labs of computer scientists and engineers into our everyday life, and the future potential of these developments is inconceivable.

So today a large scientific community is already working on closely related issues, and the next generations of scientists need to be prepared to enter this rapidly growing field. At the University of Trento, too, many departments and centres are contributing to these advancements with teaching and research. One way to stimulate, to direct, and to accelerate this scientific revolution is to ensure that researchers with different backgrounds keep exchanging their ideas, methodologies, and findings. The Strategic plan of our University supports this important aspect through a strategic project on interdepartmental collaboration on Brain Network Dynamics (BRANDY), which involves the Center for Mind/Brain Sciences (CIMeC), the Department of Physics (DF), the Department of Information Engineering and Computer Sciences (DISI), and the Centre for Integrative Biology (CIBIO) as well as external partners from Fondazione Bruno Kessler (FBK), the Italian Institute of Technology (IIT), the University of Palermo, and the Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech).

The first step in this project was the Summer School of Interdisciplinary Research on Brain Network Dynamics, which took place in the last week of June in a monastery in Terzolas, in Valle di Sole. The idea was to bring together advanced students and researchers of all BRANDY partners, but also to establish connections with the international community. To this end, 15 lecturers from 9 countries and 43 students from 14 nations were invited to attend. The 5-day programme proved how neuronal dynamics became vital for so many research fields. Since speakers, as well as the audience, had very diverse backgrounds, each field of research was first introduced by a tutorial lecture before then the most recent findings were reviewed.

The presentations were of great quality and succeeded, as desired, in stimulating the interest also of those participants who were not familiar with the subject. Some of the presented results tried to answer the question of what properties do simple models require to behave like brain networks. An example showed simple noisy electrical circuits stimulating controlled walking in insect robots. Theorists introduced the most effective simulation of neuronal networks and how to implement those on Graphics Processors (GPUs) so that their performance beats current supercomputers. Neuroimaging and image-analysis experts showed novel methods to identify coupled networks within the brain and between brain and body. Engineers showed state-of-the-art brain-computer interfaces to control robots as well as body prostheses via electrical signals recorded from the brain. Computer experts presented future hardware architecture that mimics neurons connected by synapses in order to time-optimize machine learning, which is applied e.g. in image or voice-analysis.

Besides neuron-inspired technology, direct applications of technology-based brain diagnostics were also demonstrated, which were successful e.g. in evaluating the consciousness of patients in a coma and in identifying the neural basis for drug addiction and potential counteractions. More details can be obtained from the lecture slides that the speakers have generously agreed to publish on the school’s website.
Students presented their contributions as posters in the picturesque courtyard of the monastery. The pleasant atmosphere of the school location, in the alpine countryside of Trentino, helped stimulate a lively and on-going discussion among the participants and created strong bonds among the participants at all levels. Finally, many participants expressed their wish to make this school a constantly recurring event in the next years.