Sviluppo di una interfaccia cervello-computer dinamica per il controllo di un ambiente intelligente (Smart Home)

FONDAMENTI DI ANATOMIA CEREBRALE E STRUMENTI DI ANLISI 
1. FONDAMENTI DI ANTOMIA CEREBRALE E 
STRUMENTI DI ANALISI 
In questa sezione si andrà a delineare quelli che sono i concetti fondamentali 
di anatomia e neurofisiologia sulla base dei quali sono stati individuati i settori di 
maggior interesse per lo sviluppo del sistema di controllo basato su Brain 
Computer Interface. In particolare si esploreranno rapidamente quelle che sono le 
caratteristiche principali del sistema nervoso e gli strumenti di cui ci si è avvalsi 
per l’analisi del suo funzionamento. 
1.1. Il sistema nervoso 
Il sistema nervoso, sede della raccolta, dell’elaborazione e della trasmissione 
delle informazioni relative all’ambiente esterno ed a quello interno al corpo 
umano, è anatomicamente suddiviso in due parti: il sistema nervoso centrale o 
nevrasse (SNC) ed il sistema nervoso periferico (SNP). 
Il sistema nervoso centrale è costituito dal cervello, racchiuso nella scatola 
cranica, e dal midollo spinale, contenuto invece nel canale vertebrale; ogni 
singolo segmento midollare ha la capacità di controllare autonomamente delle 
funzioni motorie specifiche. Il SNC è responsabile dell’analisi e della 
coordinazione dei dati sensoriali e dei comandi motori; è anche la sede di funzioni 
più importanti quali l’intelligenza, la memoria, l’apprendimento e le emozioni. A 
differenza del sistema nervoso periferico, il SNC non è solo in grado di 
raccogliere e trasmettere informazioni, ma anche di integrarle. 
Il sistema nervoso periferico è costituito dai nervi periferici che collegano il 
cervello ed il midollo spinale al resto del corpo, compresi i muscoli, gli organi di 
senso e gli organi dei sistemi digerente, respiratorio, escretore e circolatorio. 
All’interno dei nervi periferici si trovano gli assoni dei neuroni sensoriali che 
trasmettono al sistema nervoso centrale l’informazione sensoriale proveniente da 
tutte le parti del corpo. I nervi periferici contengono anche gli assoni dei neuroni 
motori (o motoneuroni) che trasmettono i segnali dal sistema nervoso centrale agli 
organi ed ai muscoli. 
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Il sistema nervoso periferico, quindi, svolge essenzialmente la funzione di 
trasmissione, attraverso fasci di conduzione, dei segnali afferenti da un’unità 
periferica (organi) verso il sistema nervoso centrale, o dei segnali efferenti dal 
sistema nervoso centrale verso un’unità periferica. 
Il sistema nervoso centrale (SNC) è una struttura bilaterale e simmetrica (fig. 
1.1), tradizionalmente divisa in sei parti, ciascuna delle quali può essere 
ulteriormente suddivisa in aree anatomicamente e funzionalmente distinte. Le 
principali regioni sono il bulbo, il ponte, il cervelletto, il mesencefalo, il 
diencefalo e gli emisferi cerebrali o telencefalo. 
Figura 1.1: rappresentazione schematica del sistema nervoso centrale (SNC) nelle sue 
principali regioni 
Gli emisferi cerebrali sono la regione più vasta di tutto il sistema nervoso 
centrale dell’uomo e comprendono la corteccia cerebrale, la sostanza bianca 
sottostante e tre formazioni nucleari profonde: i nuclei della base, l’amigdala e 
l’ippocampo. Gli emisferi cerebrali sono implicati in funzioni percettive, motorie 
e cognitive. Essi sono interconnessi dal corpo calloso costituito da un cospicuo 
fascio di fibre che mette in connessione regioni simmetriche dei due emisferi. 
L’amigdala è implicata nel comportamento sociale e nell’espressione delle 
emozioni, l’ippocampo nella memoria ed i nuclei della base nel controllo del 
movimento fine. 
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Un’importante caratteristica dell’organizzazione del sistema nervoso centrale 
è costituita dal fatto che la maggior parte delle vie bilaterali e simmetriche si 
portano dal lato opposto (contro laterale) del cervello e del midollo spinale. Di 
conseguenza le attività sensoriale e motorie di un lato del corpo sono mediate 
dall’emisfero cerebrale del lato opposto; così, ad esempio, i movimenti della parte 
sinistra del corpo sono controllati in larga misura dai neuroni della corteccia 
motoria destra. 
1.2. Corteccia cerebrale 
La maggior parte delle funzioni cerebrali trova una localizzazione nella 
corteccia che ricopre gli emisferi cerebrali e nella quale tutte le informazioni sono 
elaborate ed integrate. 
La corteccia è una struttura molto complessa caratterizzata dalla presenza di 
un gran numero di fenditure, dette solchi, e di circonvoluzioni, le cui creste 
prendono il nome di giri. Alcuni solchi sono comuni a tutti gli individui, tanto che 
si è deciso di usarli come zone di riferimento per dividere la corteccia di ogni 
emisfero in quattro lobi: frontale, parietale, temporale ed occipitale. 
Figura 1.2: Rappresentazione schematica della struttura cerebrale diviso nei quattro lobi 
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Il lobo frontale, sito anteriormente al solco di Rolando, è costituito da una 
zona frontale “pura” (sede della motricità), da una zona pre-frontale 
(“responsabile” del carattere dell’individuo) e, posteriormente, dalla zona 
motoria. Il lobo parietale è sede della percezione e dell’interpretazione delle 
sensazioni (tattili, termiche e dolorifiche). Il lobo temporale assolve 
prevalentemente ad una funzione di collegamento tra gli altri lobi ed è sede della 
corteccia uditiva. Il lobo occipitale, infine, rappresenta il terminale delle vie 
ottiche e quindi assolve alle funzioni visive. 
Studi anatomo-fisiologici hanno inoltre consentito di appurare che determinate 
aree della corteccia cerebrale sovrintendono specifici compiti sia cognitivi che 
motori. Contributo fondamentale a questa teoria è stato quello apportato 
dall’anatomista Brodmann, autore, già agli inizi del ‘900, di una classificazione 
della superficie corticale in aree omogenee dal punto di vista citoarchitettonico. 
Operando esami istologici accurati, valutando diversi tipi di cellule nervose e la 
disposizione delle fibre mieliniche (ovvero sia delle fibre che rivestono il tessuto 
nervoso), Brodmann giunse ad individuare 47 precise aree corticali con 
caratteristiche distinte. 
Figura 1.3: Rappresentazione schematica di alcune delle aree corticali individuate da 
Brodmann 
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Alcune delle suddette aree sono state denominate in base al compito specifico 
cui esse attendono; è possibile, ad esempio, distinguere l’area sensitiva primaria 
(area 3-1-2) e secondaria (area 5 e 7), l’area visiva primaria (area 17) e secondaria 
(area 18 e 19), l’area motoria primaria (area 4) e l’area premotoria (area 6, parte 
mediale). 
Un altro importante contributo alla conoscenza delle funzionalità della 
corteccia cerebrale è stato quello apportato da Wilder Penfield, il quale, intorno al 
1950 nel corso di interventi di neurochirurgia, determinò un legame diretto tra la 
stimolazione di ristrette porzioni del giro precentrale e la contrazione di specifici 
muscoli. Egli riuscì ad ottenere una precisa rappresentazione della motilità delle 
varie parti del corpo sulla corteccia e dimostrò così che zone del corpo vicine 
sono controllate da regioni contigue della stessa. 
Figura 1.4: Homunculus motori ed Homunculus sensitiva 
La rappresentazione fornita non costituisce la trasposizione diretta delle 
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diverse parti del corpo, ma è somatotopica, vale a dire l'ampiezza delle diverse 
porzioni corticali dedicate ai singoli distretti corporei non corrisponde alle 
dimensioni delle corrispondenti parti periferiche. Le dimensioni e l’ordine delle 
diverse parti corporee dipendono dall’ampiezza del tessuto cerebrale motorio 
dedicato. Ne risulta un corpo umano distorto, un omuncolo appunto, con mano e 
lingua molto grandi, tronco e arti più piccoli. 
Questi dati sperimentali, riferiti a soggetti anestetizzati, sono stati in seguito 
confermati con tecniche, quali la stimolazione magnetica transcranica, applicabili 
in condizioni di veglia. È da notare che esiste anche una somatotopia sensitiva. 
1.3. Basi di neurofisiologia 
Il tessuto nervoso comprende due specifiche popolazioni cellulari: neuroni e 
neuroglia. Mentre le seconde rappresentano elementi di supporto, le prime sono 
affidatarie del compito fondamentale di trasferimento ed elaborazione delle 
informazioni che viaggiano assieme al segnale nervoso. 
Figura 1.5: Struttura neuronale 
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Ogni cellula neuronale è dunque composta da: un soma, che contiene il nucleo 
e la maggior parte dell’apparato energetico; un assone, che conduce l’impulso 
nervoso a distanza dal soma; una serie di dendriti, stimolati da alterazioni 
ambientali o dall’attività di altre cellule; delle terminazioni sinaptiche che 
interagiscono con un altro neurone o un organo effettore. 
La corteccia cerebrale contiene al suo interno diversi tipi di neuroni che 
possono essere suddivisi generalmente in 2 gruppi: cellule piramidali e non. I 
campi elettrici generati dalle cellule piramidali, se sincroni, possono sommarsi ed 
essere registrati mediante elettrodi posti sullo scalpo attraverso la tecnica 
dell’elettroencefalografia che tratteremo nel paragrafo successivo. 
Dal punto di vista funzionale infine, i neuroni possono essere classificati in 
neuroni effettori, sensitivi e interneuroni: i primi sono quelli che trasferiscono gli 
impulsi dal sistema nervoso centrale ad organi attuatori come i muscoli; i neuroni 
sensitivi trasferiscono invece gli impulsi dai recettori verso il SNC; gli 
interneuroni infine ricoprono funzioni di collegamento sia tra neuroni sensitivi, 
motori e i centri nervosi superiori sia tra questi ultimi e i neuroni motori. 
1.4. Elettroencefalografia 
L’attività cerebrale può essere studiata attraverso la misura dei suoi correlati 
elettrofisiologici e metabolici, con l’utilizzo di diverse tecniche, quali 
l’elettroencefalografia (EEG) e la magnetoencefalografia (MEG). La prima 
registra le variazioni del campo elettrico generato da gruppi di neuroni piramidali, 
la seconda le variazioni del campo magnetico indotto al variare del campo 
elettrico generato dai neuroni stessi. I due fenomeni sono strettamente correlati e 
le leggi fisiche (le equazioni di Maxwell) che descrivono questi fenomeni sono 
ben conosciute e costituiscono la base della teoria elettromagnetica. La tecnica 
dell’elettroencefalografia è stata inventata nel 1929 da Hans Berger, il quale 
scoprì che vi era una differenza di potenziale elettrico tra aghi infissi nello scalpo 
oppure tra due elettrodi quando essi sono posti a contatto sulla cute sgrassata del 
cuoio capelluto. La tecnica fu in seguito perfezionata da Herbert Jasper. Le 
differenze di potenziale generate dal flusso di correnti ioniche che attraversano le 
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membrane sinaptiche e che inducono un flusso di cariche esterne nello spazio 
extracellulare raggiungendo la superficie della testa, possono essere misurate 
tramite elettrodi posti sullo scalpo. Il segnale ovviamente perverrà al cranio 
attenuato, a causa della bassa conducibilità delle ossa craniche. 
Sul tracciato elettroencefalografico è possibile individuare e classificare 
andamenti che vengono distinti in quattro gruppi: 
onde alfa: comprese nel campo 8-13 Hz e ampiezza 20-200µV, presenti nella 
maggioranza delle persone normali e che compaiono soprattutto nella condizione 
di quiete e a occhi chiusi; 
onde beta: comprese nel campo 14-30 Hz. Quelle di tipo I sono simili alla 
transizione che subiscono le onde alfa successivamente all’apertura degli occhi; 
quelle di tipo II compaiono quando vi è intensa attività del sistema nervoso 
centrale; 
onde theta: comprese nel campo 4-7 Hz, originate da forti stress emozionali o 
in pazienti con disordini metabolici o con estese lesioni del midollo allungato e/o 
cervello medio; 
onde delta: con frequenze inferiori a 3,5 Hz, presenti nel sonno profondo. 
Figura 1.6 a) esempio di attività α , Figura 1.6 b) esempio di attività β, Figura 1.6 c) esempio 
di attività θ, Figura 1.6 d) esempio di attività δ 
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1.4.1. EEG tradizionale 
Allo scopo di ricostruire l’attività corticale, l’EEG deve essere misurato 
contemporaneamente in diversi punti dello scalpo. Per rendere compatibili i 
tracciati elettroencefalografici e poter quindi trarre le medesime conclusioni 
diagnostiche su tracciati compiuti sulla stessa persona in tempi diversi e con 
macchine diverse, la posizione degli elettrodi è stata standardizzata secondo il 
“sistema 10-20”, in cui 19 elettrodi sono posizionati in frazioni del 10% o del 
20% rispetto alla distanza tra due punti di repere cranici "inion" (prominenza alla 
base dell'osso occipitale) e "nasion" (attaccatura superiore del naso). Ogni 
porzione è caratterizzata da una sigla che ne ricorda la localizzazione anatomica 
sullo scalpo. Gli elettrodi posti nella parte sinistra sono indicati con un numero 
dispari, quelli della parte destra con un numero pari (con la lettera A sono indicati 
i lobi delle orecchie, con la C la zona centrale, F frontale, FP frontale parietale, T 
temporale, O occipitale). 
Figura 1.7: disposizione degli elettrodi secondo il sistema internazionale 10:20 
Dal momento che l’obiettivo è la rilevazione di differenze di potenziale, è 
necessario fissare uno o più elettrodi di riferimento. Esistono due differenti 
metodologie utilizzate: la prima rileva i potenziali di tutti gli elettrodi rispetto a 
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quello di un singolo elettrodo comune, generalmente applicato al lobo 
dell'orecchio (metodo del riferimento comune); la seconda riferisce il valore di 
ogni canale alla media di tutti i canali (metodo del riferimento medio). 
1.4.2. EEG ad alta risoluzione 
I potenziali registrati nell’elettroencefalografia risultano attenuati, distorti e 
diffusi sullo scalpo a causa delle differenti conducibilità elettriche che i tessuti, 
quali meningi, cranio e scalpo, presentano al passaggio delle correnti 
intracraniche. Inoltre, la distorsione della distribuzione del potenziale corticale si 
amplifica nel momento della rilevazione sullo scalpo a causa degli effetti indotti 
dai percorsi ad equivalente conducibilità che la discontinuità dei globi oculari e 
dei forami acustici offrono alla propagazione delle correnti intracraniche. Il 
potenziale registrato in un certo sito elettronico quindi non è necessariamente 
generato dalla sottostante corteccia, in quanto la distribuzione di potenziale sullo 
scalpo presenta una bassa risoluzione spaziale che non consente un’affidabile 
localizzazione dei generatori corticale dei potenziali evento correlati. Ad esempio, 
il potenziale dello scalpo generato da sorgenti corticali bilaterali può essere 
massimo al vertex che è posto lontano da tali sorgenti. È stato quantificato, 
mediante simulazioni, che sorgenti distribuite in un raggio di 3 cm al di sotto della 
posizione dell’elettrodo, contribuiscono solo per il 50% alla potenza che 
l‟elettrodo stesso capta, mentre si raggiunge il 90% considerando sorgenti distanti 
anche 6 cm. Infine, è interessante notare che gli effetti di volume di conduzione, 
come anche quelli di riferimento elettrico, producono un aumento delle basse 
frequenza spaziali dei potenziali dello scalpo (blur spaziale). Il segnale EEG è 
quindi in genere un potenziale che risulta dalla sovrapposizione di segnali 
provenienti da diverse regioni corticali e/o sottocorticali. Per ottenere un 
incremento significativo della risoluzione spaziale dei potenziali evento-correlati 
registrati sullo scalpo, si ricorre all’impiego della tecnologia detta 
Elettroencefalografia ad Alta Risoluzione Spaziale (EEG-HG). In tale tecnologia 
vengono prima condotte le registrazioni del potenziale evento-correlato 
impiegando una rete di 64-128 sensori posti sullo scalpo e successivamente tali 
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