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Pawan Sinha: Come il cervello impara a vedere

David Vagni

Presso il laboratorio del MIT Pawan Sinha e il suo team passano le giornate cercando di capire come il cervello impara a riconoscere e utilizzare i modelli e le scene che vediamo intorno a noi. Per fare questo, spesso utilizzano il computer per modellare i processi del cervello umano, ma anche studiare i soggetti umani, alcuni dei quali vedono il mondo per la prima volta. Si trovano questi soggetti inusuali attraverso il ramo umanitario della loro ricerca, Project Prakash nella cura della cecità in india, così come la ricerca nello studio delle peculiarità della vista nell´autismo.









Se sei un bambino cieco in India, è molto probabile che dovrai vedertela perlomeno con due gran brutte notizie. La prima cattiva notizia è che la probabilità di essere curati è minima, se non nulla,perché la maggior parte dei programmi nazionali di cura della cecità sono centrati sugli adulti, e sono ci sono pochi, pochissimi ospedali realmente attrezzati per curare i bimbi. Nella realtà, se si viene curati, può capitare di essere curati da qualcuno che non ha credenziali mediche come illustra questo caso dal Rajasthan. Questa è un´orfanella di tre anni che ha avuto le cataratte. I suoi tutori l´hanno portata dal guaritore del villaggio, e invece di suggerire ai tutori di portare la bimba all´ospedale, il guaritore decise di bruciarle l´addome con ferri roventi per scacciare i demoni.La seconda cattiva notizia ve la daranno i neuroscienziati, che vi diranno che se avete più di 4 o 5 anni, anche se gli occhi guarissero, le possibilità che il vostro cervello impari a vederesono molto, molto piccole. Di nuovo, poche o nessuna.


Quando le ho sentite, queste due cose mi hanno profondamente turbato, per motivi sia personali che scientifici. Comincio dalle ragioni personali. Può sembrare banale, ma è così. E´ mio figlio, Dario.Nella mia nuova condizione di padre, ho una percezione qualitativamente diversa di quanto siano delicati i bimbi, di quali siano i nostri doveri verso di loro, e di quanto amore possiamo provare per un figlio. Smuoverei mari e monti per assicurare una cura a Dario. E, per me, sapere che ci possono essere altri Dario che non ricevono le cure necessarie, è visceralmente sbagliato. Questa è la motivazione personale.


La ragione scientifica riguarda il concetto di periodo critico che ci viene dalle neuroscienze, secondo il quale se il cervello ha più di 4 o 5 anni perde la capacità di apprendere: non mi convince del tutto,perché penso che non sia stato verificato adeguatamente. L´idea è nata dai lavori di David Hubel e Torsten Wiesel, due ricercatori che lavoravano a Harvard e che hanno ricevuto il prenio Nobel nel 1981 per i loro studi sulla fisiologia della visione, studi molto belli, ma credo che parte del loro lavoro sia stato prematuramente estrapolato verso l´ambito umano. Loro avevano fatto i loro studi su gattini, con diversi tipi di protocolli di privazione, e quegli studi, che risalgono agli anni Sessanta, vengono ora applicati ai bambini.


Allora sentii che dovevo fare due cose. Una: dare le curare necessarie ai bambini che attualmente ne sono privi. E´ la missione umanitaria. E la missione scientifica è di verificare i limiti della plasticità visiva. E queste due missioni, capite bene, si intrecciano perfettamente, una rinforza l´altra. In realtà l´una sarebbe impossibile senza l´altra. Così, per mettere in atto queste due missioni gemelle, ho lanciato qualche anno fa il Progetto Prakash.Prakash, come molti di voi sanno, è in sanscrito la parola di sintesi per dire luce, e infatti l´idea è che portando la luce nelle vite dei bambini, abbiamo anche un´opportunità per gettare luce in alcuni dei più profondi misteri delle neuroscienze. E il logo, anche se sembra molto irlandese, è in realtà derivato dal simbolo indiano di Diya (la luce), una lampada di terracotta. Nel progetto Prakash, la sfida complessiva ha tre componenti: uscire fuori, per identificare i bambini che hanno bisogno di cure, il trattamento medico e lo studio conseguente. Vi voglio far vedere un breve video che illustra le prime due componenti di questo lavoro.


Questa è una missione esterna condotta in una scuola per ciechi.


(Testo: Questi bambini sono per la maggior parte profondamente e permanentemente ciechi...)


Pawan Sinha: E´ una scuola per ciechi, molti hanno condizioni croniche. E´ il caso del microftalmo che è una malformazione dell´occhio, ed è permanente.Non può essere curata. Ecco un caso estremo di microftalmo detto anoftalmo. Ma ogni tanto incappiamo in bambini che mostrano segni di vista residua, un gran bel segno che indica che la malattia potrebbe essere curabile. Dopo lo screening, portiamo i bambini all´ospedale. Questo è l´ospedale in cui lavoriamo a Delhi, lo Schroff Charity Eye Hospital. Ha un centro oftalmico pediatrico molto ben attrezzato, reso in parte possibile da una donazione della fondazione Ronald McDonald. Delle volte mangiare hamburger può anche essere utile.


(Testo: Questo tipo di indagini ci permette di migliorare la salute degli occhi di molti bambini, e ...... ci aiuta a trovare bambini che possono partecipare al Progetto Prakash.)


PS: Ingrandendo gli occhi di questo bambino,capirete la causa della sua cecità. Le macchie bianche che vedete nelle sue pupille sono cataratte congenite, opacità del cristallino. Nei nostri occhi il cristallino è trasparente, ma in questo bimbo è diventato opaco, e quindi non può vedere il mondo.Il bambino sarà curato. Vediamo alcune immagini dell´occhio. L´occhio con il cristallino opaco, il cristallino viene tolto e sostituito con un cristallino acrilico. Ed ecco quello stesso bambino tre settimane dopo l´intervento, con l´occhio destro aperto.


(Applauso)


Grazie.


Già da questo breve spezzone potete cominciare ad avere la percezione che la guarigione è possibile, e finora abbiamo curato oltre 200 bambini, e la storia si ripete continuamente. Dopo l´intervento il bambino acquisisce una funzionalità significativa. Nella realtà questo è vero anche nel caso di persone che hanno riacquisito la vista dopo molti anni di privazione. Abbiamo scritto un articolo alcuni anni fa sulla donna che vedete sulla destra, SRD, che ha riacquistato la vista tardi, ma la sua visione è notevole per questa età. Devo aggiungere una nota tragica, perché è morta due anni fa in un incidente di autobus. La sua storia è veramente incoraggiante, sconosciuta, ma incoraggiante.Quando abbiamo cominciato a raccogliere questi risultati, si è creata, potete immaginare, un po´ di agitazione nella stampa sia scientifica che popolare. Ecco un articolo su Nature a proposito di questo lavoro, ed eccone un altro su Time.Eravamo abbastanza convinti, e siamo convinti, che la guarigione sia possibile, anche dopo una lunga privazione.


La domanda successiva è ovvia: cos´è il processo di guarigione? Il modo con cui lo studiamo è per esempio di trovare un bambino con sensibilità alla luce. Il bambino viene curato, e sottolineo che la cura è del tutto incondizionata. Non c´è qui pro quo.Curiamo molti più bimbi di quelli con i quali lavoriamo in ricerca. Curiamo ogni bambino che ne ha bisogno. Dopo la cura, circa ogni settimana,sommistriamo al bambino una batteria di semplici test visivi per vedere come le abilità visive stanno riordinandosi. Cerchiamo di farlo il più a lungo possibile. Questa linea di sviluppo ci dà per la prima volta informazioni estremamente importantisu come viene costruita l´impalcatura della visione.Quali possono essere le connessioni causali tra le abilità che si sviluppano precocemente e quelle che si sviluppano più tardi?


Abbiamo usato questo approccio generale per studiare molte abilità visive diverse, ma ne voglio evidenziare una in particolare, cioè il passaggio analitico da immagine a oggetto. Ogni immagine come quella che vedete a sinistra, reale o artificiale che sia, è fatta da piccole regioni, che vedete nella colonna centrale, regioni di colori e luminanze diverse. Il cervello ha il complicato compito di mettere insieme, integrandoli, sottoinsiemi di queste regioni per ricavarne qualcosa di più significativo, che potremmo considerare come oggetti, come vedete sulla destra. Nessuno sa come quest´integrazione avvenga. E´ la domanda che ci facciamo con il Progetto Prakash.


Ecco cosa succede subito dopo l´apparire della vista. Ecco una persona che ha riacquistato la vista appena due settimane prima, e Ethan Myers, un dottorando del MIT, che sta conducendo un esperimento con lui. Il suo coordinamento viso-motorio è piuttosto limitato, ma potete avere un´idea generale di quali siano le regioni che che sta cercando di delineare. Se gli mostrate immagini dal mondo reale, se mostrate ad altri come lui immagini dal mondo reale, non saranno capaci di riconoscere la maggior parte degli oggetti perché per loro il mondo è troppo frammentato, è come un collage, un patchwork, fatto di regioni di colori e luminanze diverse. Lo vedete dai contorni verdi. Se glielo chiedete, anche se non è possibile dare un nome agli oggetti, indicate dove sono. Sono le regioni a cui puntano. Il mondo è questo complessopatchwork di regioni. Anche l´ombra sulla palladiventa un oggetto per sé. E´ piuttosto interessante,dategli un po´ di mesi, ed ecco quel che succede.


Medico: Quanti sono questi?


Paziente: Due.


Medico: Che forma hanno?


Paziente: Le loro forme... Questo è un cerchio, e questo un quadrato.


PS: E´ successa una trasformazione straordinaria. E la domanda è: cosa c´è sotto a questa trasformazione? E´ una domanda profonda, eppure è ancor più straordinario quanto sia semplice la risposta. La risposta è nel moto, come vi mostrerò nella prossima clip.


Medico: Che forma vedi qui?


Paziente: Non riesco a definirla.


Medico: Ora?


Paziente: Triangolo.


Medico: Quante sono queste? Quante sono?


Paziente: Due.


Medico: Cosa sono?


Paziente: Un quadrato e un cerchio.


PS: Vediamo queste forme ripetutamente. La sola cosa di cui ha bisogno il sistema visivo per decodificare il mondo è informazione dinamica.L´inferenza che deriviamo da questo, e da molti esperimenti simili, è che l´elaborazione di informazione dinamica o l´elaborazione del movimento, serve come fondamenta per costruire la rimanente complessità dell´elaborazione visiva.Porta all´integrazione visiva e infine al riconoscimento.


Questa semplice idea ha vaste implicazioni. Ne citerò rapidamente due. Una tratta dall´ambito ingegneristico e una da quello clinico. Dalla prospettiva ingegneristica possiamo chiederci – dato che sappiamo che il movimento è così importante per il sistema visivo umano - se possiamo usare questa nozione come ricetta per costruire sistemi di visione artificiale che imparino da sé, senza bisogno di essere programmati da un programmatore umano. Ed è quello che stiamo cercando di fare.


Lavoro al MIT, e al MIT bisogna applicare ogni conoscenza di base che si acquisisce. Sicché stiamo creando Dylan, un sistema computazionaleche ha l´ambizioso obiettivo di recepire input visivicome quelli che riceve un bambino, e scoprire autonomamente cosa sono gli oggetti che ci sono in quell´input visivo. Tralasciamo i meccanismi interni di Dylan. Vi dirò solo come ne verifichiamo il funzionamento. Per testare Dylan gli somministriamo degli input, come ho detto, dello stesso tipo di quelli che riceverebbe un bimbo, o un ragazzo del Progetto Prakash. A lungo ci siamo chiesti come ottenere questo tipo di input. Così pensai, che Darius poteva indossare la babycam, e così raccogliere gli input per alimentare Dylan.L´abbiamo fatto. (Risate) Ho avuto lunghi dialoghi con mia moglie. (Risate) Pam, se stai guardandoci,scusami.


Abbiamo modificato l´ottica della camera in modo da imitare l´acutezza visiva di un bimbo. Come forse alcuni di voi sanno, i bambini nascono praticamente ciechi. La nostra acutezza visiva è 20/20, la loro è circa 20/800, perciò vedono il mondo in un modo molto, molto appannato. Ecco com´è un video dalla babycam.


(Risate) (Applausi)


Per fortuna non c´è l´audio. Ciò che è stupefacente, è quello che si riesce a fare con un input così degradato, e molto rapidamente un neonato è capace di scoprire significati da questo input. Due o tre giorni dopo, i bimbi cominciano a prestare attenzione ai visi delle loro mamme e papà. Come succede? Vogliamo che Dylan lo sappia fare.Usando questo mantra del moto, effettivamente Dylan lo può fare, anche con quel tipo di input, con solo sei o sette minuti di video, Dylan comincia a ricavare forme che includono visi. E´ una dimostrazione importante della potenza del moto.



L´implicazione clinica viene dal campo dell´autismo.L´integrazione visiva è stata associata all´autismoda molti ricercatori. Quando l´abbiamo notato ci siamo chiesti: Se la menomazione dell´integrazione visiva possa essere la manifestazione di una sottostante deficienza nell´elaborazione di informazione dinamica nell´autismo. Perché, se l´ipotesi fosse vera, avrebbe profonde ripercussioni sulla nostra comprensione su ciò che causa i molti differenti aspetti del fenotipo dell´autismo.


Vedrete ora spezzoni di video di due ragazzi, uno neurotipico, uno autistico, che giocano a ping-pong.Mentre giocano a ping-pong, tracciamo dove guardano. Quelle rosse sono le tracce dei movimenti degli occhi, questo è il bambino neurotipico, vedete che sa prendere spuntidall´informazione dinamica per predire dove andrà la palla. Prima che la palla ci arrivi, sta già guardando nel punto dove andrà. Vediamo per contro questo bambino autistico allo stesso gioco.Anziché anticipare, segue sempre i punti dove la palla è passata. L´efficienza nell´utilizzodell´informazione dinamica sembra significativamente compromessa nell´autismo.Stiamo seguendo questo filone di lavoro e speriamo di avere presto altri risultati da dare.


Guardando avanti, se questo disco rappresenta tutti i bambini che abbiamo curato finora, questo vi dà la dimensione del problema. I punti rossi sono i bambini che non abbiamo curato. Ci sono molti, molti più bambini che hanno bisogno di essere curati, e per allargare l´ambito del progetto, stiamo pianificando di lanciare il Centro Prakash per Bambini, che avrà un ospedale pediatrico dedicato,una scuola per i bambini in cura, e anche una struttura di ricerca d´avanguardia. Il Prakash Center integrerà cure mediche, istruzione e ricerca in un modo che davvero il tutto sia maggiore della somma delle parti.


Per riassumere, Prakash, nei suoi cinque anni di vita, ha inciso in campi diversi, che vanno dalle neuroscienze di base sulla plasticità e apprendimento cerebrale, a ipotesi cliniche rilevanti come nell´autismo, allo sviluppo di sistemi di visione artificiale autonomi, istruzione universitaria e post-universitaria, al più importante di tutti, la riduzione della cecità infantile. Per me e per i miei studenti è stata un´esperienza fenomenale, perché abbiamo fatto ricerche interessanti mentre nello stesso tempo stavamo aiutando i tanti bambini con cui abbiamo lavorato.


Grazie.


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