Naturalistic Prediction Group
«...Vi sono tre tempi: un presente delle cose passate, un presente delle cose presenti, un presente delle cose future. [...] Il presente delle cose passate è la memoria, il presente delle cose presenti è l'esperienza diretta, il presente delle cose future è l'anticipazione». Sant'Agostino, Confessioni (IV secolo)
In che modo il cervello anticipa il futuro nel nostro mondo dinamico?
In ambienti dinamici (ad esempio nel traffico o nello sport), il nostro cervello si trova ad affrontare un flusso continuo di input sensoriali in mutamento. In tali contesti, un comportamento adattivo richiede che il cervello predica le dinamiche sensoriali esterne in corso di svolgimento. Si pensi all'atto di afferrare una palla lanciata verso di noi. Sebbene le teorie dell'elaborazione predittiva (predictive processing) ipotizzino l'esistenza di tale predizione dinamica, le evidenze empiriche sono spesso limitate a fermi immagine statici e a conseguenze indirette delle predizioni; inoltre, gli studi utilizzano frequentemente stimoli semplici, altamente controllati e (statici).
Una ragione fondamentale risiede nelle sfide metodologiche che le neuroscienze cognitive naturalistiche comportano:
- Quali caratteristiche di un input naturalistico complesso vengono rappresentate dal cervello?
- In quale momento il cervello rappresenta un determinato punto temporale di un input continuo?
- Il rapporto segnale-rumore delle neuroimmagini richiede un elevato numero di ripetizioni.
- È spesso necessaria la fissazione oculare.
Nel Naturalistic Prediction Group ci proponiamo di affrontare queste sfide e di rispondere a importanti questioni ancora aperte su come il cervello anticipi il futuro in un mondo dinamico.
La strategia generale adottata consiste nel quantificare il grado di corrispondenza tra i pattern di attivazione cerebrale continua (misurati tramite M/EEG, ma anche indirettamente attraverso i movimenti oculari) e le informazioni contenute in stimoli naturalistici continui, come i filmati audio-visivi (acquisite mediante modelli di stimolo teorici o computazionali).
Linee di ricerca
In che modo la familiarità con l'input influenza la predizione neurale specifica per ciascuna caratteristica negli stimoli dinamici naturalistici?
In questo progetto indaghiamo l'impatto della familiarità con l'input sulle predizioni in contesti naturalistici. In un primo studio (concluso), abbiamo presentato a partecipanti sottoposti a MEG video di sequenze di azioni, riscontrando che la riduzione della familiarità dello stimolo — ottenuta mediante capovolgimento alto-basso o frammentazione temporale delle sequenze (piecewise scrambling) — compromette le predizioni neurali in modo specifico per ciascun livello gerarchico: l'inversione compromette selettivamente le predizioni al livello gerarchico più elevato, mentre la frammentazione temporale compromette la totalità delle predizioni.
In un secondo studio (attualmente in corso), ci chiediamo in che modo la familiarità semantica/narrativa di livello superiore influenzi le predizioni. Affrontiamo la questione presentando ai partecipanti un filmato audio-visivo naturalistico di 42 minuti per due volte consecutive, con l'obiettivo di confrontare ciò che il cervello predice durante la prima rispetto alla seconda visione. Ad oggi sono stati raccolti i dati di 40 partecipanti, ed è prevista l'acquisizione di altri 12 soggetti entro l'estate, ottenendo così un prezioso dataset di 52 partecipanti che hanno visionato due volte un filmato audio-visivo naturalistico. Questi dati potranno essere impiegati anche per rispondere ad ulteriori quesiti di ricerca.
In che modo le predizioni concettuali ad alto livello influenzano le predizioni percettive a basso livello nella visione di filmati naturalistici?
In questa linea di ricerca verifichiamo se un ricco contesto semantico/narrativo migliori le predizioni percettive di basso livello. Indaghiamo inoltre la possibilità di rilevare predizioni ad alto livello (semantiche, ovvero relative a ciò che accadrà nella storia). A tal fine utilizziamo i medesimi dati dei filmati audio-visivi di 42 minuti descritti in precedenza, con l'obiettivo di estrarre rappresentazioni semantiche continue dal filmato mediante reti neurali artificiali. Successivamente indagheremo se e quando tali informazioni semantiche vengano rappresentate nel cervello, valutando inoltre se migliori conoscenze/predizioni semantiche ottimizzino anche le predizioni percettive di basso livello.
In che modo l'attenzione e la familiarità con le dinamiche dello stimolo influenzano la predizione tra livelli gerarchici durante la visione di filmati naturalistici?
In questo studio in corso affrontiamo nuovamente il tema della familiarità, ma con riferimento alle dinamiche di basso livello (a livello di pixel). In studi precedenti abbiamo riscontrato che tali dinamiche di basso livello vengono predette; in questa sede ci chiediamo se ciò sia possibile in virtù dell'elevata familiarità con le dinamiche del mondo circostante. Nello studio abbiamo mostrato 4 diversi segmenti di filmati muti di 16 minuti, 2 dei quali riprodotti al contrario per ridurre la familiarità dell'osservatore con le dinamiche dello stimolo di basso livello.
In secondo luogo, indaghiamo come l'attenzione influenzi le predizioni naturalistiche sia per le caratteristiche percettive di basso livello sia per quelle semantiche di alto livello. In 2 dei 4 segmenti i partecipanti prestano attenzione al filmato, mentre negli altri 2, pur ricevendo il medesimo input, non vi prestano attenzione. Una delle ipotesi è che le predizioni percettive di basso livello avvengano in modo automatico, e quindi indipendente dall'attenzione, mentre le predizioni di livello superiore dipendano da essa. Al termine della raccolta dati, lo studio includerà un ulteriore dataset MEG di 52 partecipanti.
Distraibilità categoria-specifica della memoria di lavoro visiva
In questo studio indaghiamo il grado di vulnerabilità delle informazioni conservate nella memoria di lavoro visiva rispetto a distrattori visivi, e se tale vulnerabilità dipenda dal contenuto della distrazione. Utilizzando misurazioni della prestazione comportamentale (accuratezza e tempi di reazione), abbiamo riscontrato che l'entità della distraibilità dipende dalla corrispondenza tra la categoria dell'oggetto distrattore e il contenuto della memoria di lavoro visiva. Ciò suggerisce che la distrazione avvenga in parte a livello gerarchico della categoria dell'oggetto, anziché esclusivamente a livelli percettivi primari. Il dataset comprende anche dati oculometrici (eye-tracking); una questione aperta riguarda la possibilità di riscontrare il medesimo pattern di distraibilità nella dilatazione pupillare in risposta al distrattore (ovvero se la dilatazione sia maggiore per distrattori appartenenti alla medesima categoria).
- De Vries, I.E.J. & Wurm, M.F. (2023) Predictive neural representations of naturalistic dynamic input. Nature Communications 14 (1), 3858
- De Vries, I.E.J, Marinato, G., Baldauf, D. (2021) Decoding object-based auditory attention from source-reconstructed MEG alpha oscillations. Journal of Neuroscience 41 (41), 8603-8617
- De Vries, I.E.J, Slagter, H.A., Olivers, C.N.L. (2020) Oscillatory control over representational states in working memory. Trends in Cognitive Sciences 24 (2), 150-162
Per l'elenco completo, consultare la pagina personale di Ingmar de Vries o il profilo Google Scholar.
- Ingmar de Vries, responsabile scientifico (Principal Investigator)
- Tiziano Causin, studente di Laurea Magistrale
- Pardis Rahanandeh, studente di Laurea Magistrale
- Thuy Thien Thanh Tran, studente di Laurea Magistrale
- Dr. Moritz Wurm (Centro per le Scienze della Mente/Della Lezione - CIMeC, Università di Trento, IT)
- Prof. Floris de Lange (Donders Centre for Cognitive Neuroimaging, Radboud University, NL)
- Dr. Christoph Huber-Huber (Centro per le Scienze della Mente/Della Lezione - CIMeC, Università di Trento, IT)
- Dr. Eva Berlot (Donders Centre for Cognitive Neuroimaging, Radboud University, NL)
- Dr. Daniel Baldauf (Centro per le Scienze della Mente/Della Lezione - CIMeC, Università di Trento, IT)
Il Responsabile Scientifico è inoltre coinvolto in diverse iniziative internazionali di replicabilità volte a stimare la portata della crisi della replicabilità nell'ambito della ricerca EEG:
- Lead analyst in tre iniziative di replicazione della rete #EEGmanylabs
- Analista nell'ambito del progetto internazionale #EEGmanypipelines
- Analista nell'ambito del progetto internazionale #EEGmanyanalysts