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PERCEPTUAL AWARENESS IN THE REORGANIZING BRAIN

The results of this project will help to develop new rehabilitation strategies

16 ottobre 2015
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Angelika Lingnau
by Angelika Lingnau
Visiting Professor at the Center for Mind/Brain Sciences (CIMeC) University of Trento, and Reader in Human Neuroscience at the Department of Psychology, Royal Holloway University of London.

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When we imagine a picture in our mind, this information is thought to be internally represented within cortical areas similar to those involved during the visual perception of the external environment. This ability to experience sensory representations in the absence of any stimulus available from the environment has been the central theme of discussions concerning the nature of the human mind for centuries. 
Until recently however, studies on sensory imagery relied solely on behavioral paradigms and subjective measures. The introduction of functional neuroimaging suddenly made it possible to investigate the neurocognitive foundations of our internal sensory experiences.

In recent years, neuroscientific research has explored the potential therapeutic applications of visual imagery for cognitive training and rehabilitative interventions in clinical populations, as well as the possibility of using this ability for controlling a brain-computer interface, making it possible for paralyzed people to communicate. For instance, in this project we are studying patients suffering from hemianopia due to lesions either in the optic nerve or specific visual areas of the brain. These patients are unable to see stimuli presented to the affected quadrants, but can still imagine visual stimuli in the same regions.

We ask whether it is possible to reactivate affected parts of the visual cortex in these participants using mental visual imagery. To address this question, we are using a convergence of neuroscientific methods (magnetoencephalography, functional magnetic resonance imaging, multivariate pattern analysis and real-time neurofeedback). Using these techniques, we aim to (a) characterize the underlying neural processes that support visual imagery in normal sighted populations, (b) examine whether normal sighted participants can be trained to up-regulate early visual cortex by means of real-time feedback while performing mental visual imagery (c) determine whether hemianopic participants can learn to recruit silenced visual cortex by means of real-time feedback while performing mental visual imagery.
The different applied neuroimaging techniques complement each other. The electrophysiological signals from the magnetoencephalography (MEG) provide us with high temporal resolution data that can help us determine the timing and order of the cortical processes. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) on the other hand gives us detailed information on the anatomical location of the same processes. We hope that the results of this project will help to develop new rehabilitation strategies. 



LA CONSAPEVOLEZZA PERCETTIVA NEL CERVELLO CHE RIORGANIZZA
I risultati di questo progetto potranno essere utili per sviluppare nuove strategie di riabilitazione

Quando pensiamo ad un’immagine, si pensa che le informazioni siano rappresentate internamente in aree corticali simili a quelle sviluppate durante la percezione visiva dell’ambiente esterno. Tale abilità di percepire rappresentazioni sensoriali in assenza di un qualunque tipo di stimolo dall’ambiente è stata al centro di dibattiti sulla natura della mente umana per secoli. 
Fino a poco tempo fa tuttavia, gli studi sull’immaginazione sensoriale facevano affidamento solamente su paradigmi di comportamento e parametri soggettivi. L’introduzione del Neuroimaging funzionale ha reso possibile lo studio delle basi neurocognitive delle nostre esperienze sensoriali interne.

Negli ultimi anni, la ricerca neuro-scientifica ha esplorato le potenziali applicazioni terapeutiche dell’immaginazione sensoriale ai fini di interventi riabilitativi e di formazione cognitiva negli studi clinici. Si è anche esplorata la possibilità di usare tale abilità nel controllo di interfacce cervello-computer, rendendo cosi possibile alle persone paralizzate di comunicare. 

In questo progetto, ad esempio, stiamo studiando pazienti affetti da emianopsia dovuta a lesioni del nervo ottico o di aree del cervello specifiche della vista. Tali pazienti non sono in grado di percepire stimoli dati ai quadranti danneggiati ma sono ancora in grado di immaginare stimoli visivi nelle stesse regioni.  

Ci chiediamo se sia possibile o meno riattivare le parti danneggiate della corteccia visiva di questi pazienti usando l’immagine mentale. Per trovare risposta a tale domanda stiamo usando un insieme di metodi delle neuroscienze (magnetoencefalografia, risonanza magnetica funzionale, analisi multivariata) ed il neuro feedback in tempo reale. Tramite queste tecniche speriamo di (a) tracciare i processi neurali alla base dell’immaginazione visiva in campioni vedenti, (b) esaminare se i partecipanti vedenti possano essere allenati a regolare la loro corteccia visiva primaria, grazie a feedback in tempo reale, mentre sono impegnati nell’immaginazione mentale visiva (c) determinare se i partecipanti emianoptici possano imparare a risvegliare la corteccia visiva grazie al feedback in tempo reale mentre sono impegnate nella rappresentazione mentale. Le diverse tecniche di neuroimaging applicate si compensano. I segnali elettrofisiologici della magnetoencefalografia (MEG) ci forniscono dati di risoluzione temporale utili a determinare la tempistica e l’ordine dei processi corticali. La risonanza magnetica funzionale, d’altra parte, ci offre informazioni dettagliate sullo spazio anatomico degli stessi processi. Auspichiamo che i risultati di questo progetto siano utili a sviluppare nuove strategie di riabilitazione.