Descrizione del modulo "Computational Embodied Neuroscience (SV.P16.008.001)"

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  • Descrizione del modulo "Computational Embodied Neuroscience (SV.P16.008.001)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Comprensione malattie mentali e psicobiologia. In questo settore il LOCEN ha avviato una collaborazione importante con il gruppo di ricerca del Prof. Stefano Pugliesi Allegra e Prof.ssa Simona Cabib, Dip. Psicologia, Univ. \"La Sapienza\", per investigare i meccanismi neurali e neurofisiologici, specie legati a dopamina e noradrenalina, sottostanti alle reazioni allo stress nei ratti. Questo studio ha prodotto un quadro coerente dei meccanismi cerebrali sottostanti alle reazioni allo stress, e sta producendo predizioni specifiche ora sotto il vaglio di esperimenti empirici. Nel lungo periodo lo studio ha le potenzialità di contribuire allo sviluppo di terapie per le malattie psichiatriche e neurologiche come la depressione. Comprensione dello sviluppo motorio, riabilitazione motoria, sviluppo di protesi ed arti artificiali intelligenti. Nell'ambito del tema di ricerca sull'organizzazione del comportamento motorio, il LOCEN ha avviato una collaborazione con i Prof. Eugenio Guglielmelli e Prof. Flavio Keller, del Campus Biomedico di Roma, che ospita un importante Centro di Riabilitazione Motoria. (literal)
Tematiche di ricerca
  • L'approccio della Computational Embodied Neuroscience e' usato per lo studio di tre temi: (1) i meccanismi di apprendimento: in particolare apprendimento per prove ed errori (studiato con modelli di apprendimento per rinforzo ''attore-critico''), apprendimento Hebbiano (studiato sulla base di motor babbling), ed STDP (Spike Timing Dependent Plasticity); (2) l'organizzazione gerarchica delle azioni nel cervello (in particolare l'organizzazione gerarchica dei loop striato-corticali quali lo striato ventrale-corteccia prefrontale, e lo striato dorsale-corteccia premotoria e motoria) e nel comportamento (in particolare lo sviluppo del coordinamento propriocezione-occhio-mano, il condizionamento classico, il condizionamento operante); (3) le motivazioni estrinseche (legate alle regolazioni omeostatiche, ad esempio fame, sete) le motivazioni intrinseche (per es. legate allo sviluppo di skill motori ed all'acquisizione di conoscenze sulla base di curiosita'), e le emozioni (in relazione alle relazioni tra stati del corpo, neuromodulatori, triggering di comportamenti innati, da una parte, e funzioni cognitive superiori quali memoria, goal-oriented behaviour e planning). (literal)
Competenze
  • - Competenze e conoscenze: Sistemi complessi: sistemi dinamici, auto-organizzazione, entropia Psicologia: condizionamento classico, condizionamento operante, coordinamento propriocezione-occhio-mano, affordances, sviluppo del comportamento sensomotorio. Neuroscienze: amigdala, gangli della base, corteccia prefrontale (orbitofrontale, ventromediale, dorsale, cingolata anteriore), corteccia premotoria e motoria, corteccia parietale, corteccia temporale, corteccia visiva occipitale. Intelligenza artificiale: reti neurali, algoritmi di apprendimento Hebbiano, supervisionato, non-supervisionato, per rinforzo, algoritmi genetici. Informatica: programmazione in C++ e Matlab Robotica: robot umanoidi, simulazioni realistiche 3D - Strumentazione (dispositivi, apparecchiature o impianti utilizzati per lo svolgimento delle attività): Laboratorio di 7 computers (Laboratory of Computational Embodied Neuroscience). Robot umanoide iCub (fabbricazione Istituto Italiano di Tecnologia). Robot Pioneer II. Tre stanze laboratorio-computer. Uso condiviso di un laboratorio di robotica. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Intelligenza artificiale. Machine learning. Robotica autonoma umanoide. Protesi artificiali. Intefacce cervello-protesi. (literal)
Tecnologie
  • La Computational Neuroscience afferma che è molto importante tradurre le teorie sul cervello e sul comportamento in modelli computazionali in quanto questo porta a rendere esplicite e controllabili le assunzioni delle teorie, ad identificare nuove ipotesi necessarie a spiegare i fenomeni target, ed a produrre predizioni precise e spesso quantitative testabili poi con nuovi esperimenti empirici. I modelli debbono essere sottoposti a due fondamentali fonti di vincoli empirici: (1) i vincoli derivanti dalla riproduzione dei comportamenti; (2) i vincoli derivanti dalla conoscenza attuale sull'anatomia e la fisiologia del cervello. La Computational Embodied Neuroscience estende tali vincoli con due vincoli aggiuntivi: (3) il comportamento target deve essere riprodotto in sistemi embodied, cioe' in simulazioni o robot reali che mimano gli organismi studiati che interagiscono direttamente con l'ambiente; 4) i modelli devono riprodurre i meccanismi di apprendimento del comportamento. L'uso di questi vincoli, che porta a strette collaborazioni interdisciplinari tra ''modellisti'', neuroscienziati e psicologi, consente di ottenere una forte cumulativita' teorica. (literal)
Obiettivi
  • 1. Creare una infrastruttura integrata di: - Laboratori di robotica - Sistema di computer e server per le simulazioni - Software adeguato 2. Formare nuovi ricercatori in termini di competenze rilevanti per la Computational Embodied Neuroscience, in paritcolare competenze: - Scientifiche - Tecniche - Relative alla comunita' scientifica - Relative al procacciamento di risorse esterne - Relative alla capacita' di lavoro in gruppo 3. Avviare e portare avanti collaborazioni con scienziati di livello internazionale con interessi comuni e complementari, specie con scienziati ''empirici'' 4. Continuare a procurare per il LOCEN: - Risorse finanziarie - Risorse umane 5. Modellizzare e capire il funzionamento dei meccanismi cerebrali sottostanti: - L'apprendimento associativo e per rinforzo - La regolazione motivazionale ed emotiva del comportamento - L'organizzazione gerarchica del comportamento motorio (literal)
Stato dell'arte
  • Il metodo di ricerca della Computational Embodied Neuroscience riprende ed estende i vincoli della Computational Neuroscience (elencati nell'abstract) con due vincoli aggiuntivi: (1) Il comportamento target deve essere riprodotto in \"sistemi embodied\", ovvero simulazioni o robot reali che mimano gli organismi studiati nella loro interazione con l'ambiente. (2) Il modello non deve riprodurre e spiegare solo i comportamenti target, ma anche i processi di apprendimento che portano ad essi. Il vincolo (1) è in linea con quanto affermato dalla Embodied Cognitive Science (Meyer and Wilson, 1991; Varela et al., 1991; Webb, 1995) per la quale una reale comprensione dei processi cognitivi può derivare solo da modelli computazionali che concepiscono gli organismi come \"creature complete\" (Brooks, 1989) che interagiscono con ambienti realistici attraverso sensori ed attuatori (Clark, 1997). Il vincolo (2), in linea con l'Artificial Life, deriva dall'idea che una piena comprensione del comportamento richiede non solo di spiegare la sua organizzazione finale, ma anche i processi filogenetici ed ontogenetici che portano alla sua evoluzione e sviluppo (Parisi and Schlesinger, 2004). (literal)
Tecniche di indagine
  • Il LOCEN utilizza calcolatori per fare simulazioni con un certo livello di astrazione per studiare i meccanismi di base del cervello e del comportamento: esempi di questo sono lo studio dei meccanismi associativi dell'amigdala sottostanti i fenomeni di condizionamento classico, ed i meccanismi di apprendimento per prove ed errori che hanno luogo nei loop gangli della base-corteccia, o per lo studio dei meccanismi di neuromodulazione sottostante ai comportamenti di coping con situazioni stressanti. Inoltre utilizza a tal scopo anche simulazioni ''embodied'', cioe' che riproducono organismi che apprendono ed esprimono comportamenti sulla base dell'interazione diretta con l'ambiente, quando tale interazione e' piu' importante, come nel caso dei comportamenti di navigazione ed orientamento spaziale. Infine utilizza robot per condurre studi dove l'interazione fisica degli organismi studiati con l'ambiente e' particolarmente importante, come ad esempio lo sviluppo e l'espressione di abilita' motorie di raggiungimento, afferramento e manipolazione di oggetti. (literal)
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