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200 neuroni sono sufficienti per identificare un volto

Amici, familiari, colleghi, conoscenti, ... innumerevoli combinazioni di tratti somatici che definiscono un volto e che devono essere elaborati dal cervello affinché avvenga il processo di riconoscimento. Una elaborazione quasi istantanea presente anche negli infanti (almeno dal momento in cui gli occhi imparano a mettere a fuoco) che non può non sorprendere per la sua efficienza tanto più che funziona anche in assenza di ovvie (inteso come appariscenti) alterazioni del visus rispetto allo "standard".

Credit: Tsao lab
Come faccia il cervello a ricostruire l'informazione giuntagli come dato grezzo dalla retina (completo come "flusso" ma privo di una informazione intrinseca), rappresenta uno degli aspetti più affascinanti delle neuroscienze (vedi articoli precedenti --> "Identificata area del cervello che riconosce i bordi" e "13 msec per catturare un immagine").
Un importante tassello alle nostre conoscenze viene dal lavoro del team di Doris Tsao della UCLA, pubblicato sulla rivista Cell. Volendo condensare i risultati in una frase, si tratta della caratterizzazione di quanto pochi siano i neuroni coinvolti nel processo di riconoscimento facciale; un numero tuttavia sufficiente affinché, grazie alle molteplici combinazioni tra attivazioni differenziali degli stessi, l'infinita gamma di volti "riconoscibili" risulti coperta.
I risultati ci permettono di prefigurare un futuro prossimo in cui sarà possibile ricostruire in esterni il volto percepito da un qualunque soggetto, semplicemente mediante una scansione cerebrale (vedi anche --> "Lettura del pensiero mediante scansione cerebrale").

Andiamo per gradi.
Elemento centrale del lavoro è che, anche se esiste un numero infinito di volti potenziali, il nostro cervello necessita solo di circa 200 neuroni per codificare l'informazione che definisce in modo univoco un volto. Chiaramente non avrebbe senso ipotizzare che questi neuroni riconoscano "una tipologia di volti"; molto più sensato ipotizzare che ciascuno di essi contribuisca al processo decodificando una dimensione specifica o asse di variabilità del viso. Per fare una similitudine con la visualizzazione delle gamma dei colori, così come la luce rossa, blu e verde (e i rispettivi fotorecettori) si combinano per creare ogni possibile colore dello spettro, questi 200 neuroni sommano le rispettive informazioni definendo uno spettro di volti.
Alcuni di questi neuroni rilevano (da intendere con "si attivano in presenza di quel tratto") tratti come la morfologia del viso, ad esempio la distanza tra gli occhi, la forma della linea dei capelli o la larghezza del viso. Altri identificano caratteristiche del volto indipendenti dalla forma, come la carnagione, la muscolatura/tonicità del viso o il colore degli occhi e dei capelli.
La risposta dei neuroni è proporzionale alla "intensità" di queste caratteristiche. Per esempio, un neurone potrebbe attivarsi in modo proporzionale alla distanza interoculare, definendo così una gamma di segnali indicativi di un tratto del viso.
Bisogna però sottolineare come i singoli neuroni di questa popolazione (noti come "face cells") non identificano caratteristiche specifiche facilmente visualizzabili (ad esempio "gobba sul naso") quanto invece una più astratta direzione nella zona del viso che unisce diverse caratteristiche elementari. La somma di queste informazioni permette al cervello di percepire il volto, passaggio preliminare per associazioni superiori come il chi è (legato alla memoria) e cosa suscita in noi quel volto (mediato da corteccia premotoria ventrale, amigdala e dall’insula).
Questo il motivo per cui volti solo vagamente familiari (appartenenti a soggetti sconosciuti) possono indurre in noi, in modo imprevedibile e non conscio, emozioni di vario tipo; si tratta di un "errore" di identificazione, sufficiente però a cortocircuitare associazioni emotive.

Il lavoro di Doris Tsao rappresenta il culmine di quasi vent'anni di studi sul "codice" del riconoscimento dei volti. Passaggio fondamentale in questa ricerca fu nel 2003 la scoperta che alcune regioni del cervello delle scimmie si attivavano in modo specifico durante l'osservazione di un volto (--> Tsao DY et al). Tali regioni furono chiamate face patches e i neuroni al loro interno face cells (cellule del viso). Negli anni successivi si scoprì che ciascuna cellula di questa regione rispondeva a particolari caratteristiche del viso. Sebbene interessanti, i risultati erano però insoddisfacenti in quanto fornivano solo un'ombra di quello che ciascuna cellula stava veramente "catturando".  Ad esempio variando la forma degli occhi in un volto disegnato si potrebbe facilmente osservare quali cellule rispondono a tale modifica; la spiegazione potrebbe però troppo generica in quanto tali cellule potrebbero in realtà rispondere a tratti sottesi alla nuova forma e/o attivarsi anche in seguito ad altre modifiche del visus, apparentemente non correlate.
Un problema risolto con l'elaborazione dei volti generati al computer che permette di controllare nel dettaglio gli "input" e le risposte neuronali.


La comprensione dei meccanismi di decodifica è avvenuta attraverso due passaggi chiave. In primo luogo una volta compreso sperimentalmente quale fosse l'asse rilevato da ciascuna cellula, divenne possibile sviluppare un algoritmo in grado di prevedere quali volti fossero capaci di attivare quella particolare cellula. In altre parole divenne possibile dedurre dalla semplice misurazione della attività elettrica nelle face cells di una scimmia, quale fosse il volto (tra i tanti del campionario) che lei stava osservando in quel momento.
La prova che il codice di interpretazione della Tsao è sperimentalmente corretto. La figura mostra gli otto diversi volti (reali) mostrati ad una scimmia e a fianco l'immagine ricostruita dall'analisi dell'attività elettrica dei 205 neuroni (face cells) mentre la scimmia guardava il monitor (courtesy: Doris Tsao)

Il secondo passaggio fu la formulazione dell'ipotesi che se ogni cellula era effettivamente responsabile della "rilevazione" su un singolo asse dell'area del viso, questa cellula doveva essere capace di rispondere esattamente allo stesso modo ad un numero infinito di volti diversi ma con in comune un pattern assiale compatibile. Una ipotesi confermata sperimentalmente dalla Tsao.
Figura riassuntiva dell'approccio usato da Doris Tsao (®Cell / Doris Tsao)


I risultati smantellano le teorie secondo le quali il ruolo delle face cells è quello di decodificare le identità facciali. Il loro lavoro è molto più semplice e proprio per questo in grado di coprire una gamma pressoché infinita di volti. Potremmo definirle "semplici" macchine in grado di rilevare proiezioni lineari; ogni cellula cattura una parte dell'immagine in arrivo e ne definisce la parte unidimensionale. E' l'integrazione di queste attivazioni unidimensionali a fornire l'informazione per "ricostruire" un volto.


Fonte
- The Code for Facial Identity in the Primate Brain
Chang L & Tsao DY  Cell ( 2017); 169(6) pp1013-1028




Il ruolo dell'olfatto nell'aumento del peso

Un detto comune riguardo al cibo è "se ne gode prima con gli occhi e poi con la bocca". 
Niente da obbiettare ma non bisogna commettere l'errore di minimizzare il ruolo dell'olfatto che anzi è dominante sul senso del gusto. Senza bisogno di addentrarci troppo nella fisiologia neuro-olfattiva, la riprova è che da raffreddati perdiamo la capacità di sentire il sapore del cibo e con esso la voglia di mangiare.

Limitare l'appagamento olfattivo legato al cibo potrebbe quindi facilitare la lotta quotidiana delle persone obese nel mangiare meno. Una idea questa confermata dai risultati di un lavoro pubblicato sulla rivista Cell Metabolism da un team della università di Berkeley; i ricercatori hanno dimostrato infatti che non solo  l'olfatto è un driver importante nella dipendenza da cibo ma che la sua azione "ingrassante" è indipendente dalla quantità di cibo effettivamente ingerito.
In altre parole si può ingrassare quasi solo con il profumo del cibo (purché si mangi ... ovviamente).

Lo studio è stato condotto su topi geneticamente obesi, resi temporaneamente privi di neuroni olfattivi funzionanti per testare l'eventuale correlazione tra "facilità ad ingrassare" e piacere olfattivo del cibo. L'ipotesi di lavoro era che una carenza delle capacità olfattive avrebbe ridotto il consumo di cibo facilitando una fisiologica perdita di peso; il topo avrebbe cioè mangiato perché affamato e non per il piacere del cibo.
Il collegamento tra capacità olfattive e peso corporeo è noto da tempo anche negli esseri umani come ben evidenziato dalla comparsa di stati di quasi anoressia in seguito alla perdita dell'olfatto legata all'età, a lesioni cerebrali o a malattie come il Parkinson. I dati non erano tuttavia facilmente classificabili in quanto se è vero che la perdita dell'olfatto diminuisce il piacere di mangiare, è anche vero che questa assenza di piacere può portare alla depressione che di suo si associa ad una perdita di appetito (cosa ben diversa dal mangiare meno perché il cibo appare insapore).
I dati emersi da questi esperimenti hanno evidenziato qualcosa di più e di inatteso rispetto alle previsioni. Se infatti è vero che i topi obesi anosmici dimagrivano fino a raggiungere un peso forma, il dimagrimento non era però legato ad una minore quantità di cibo ingerito rispetto ai controlli. La "prova del nove" viene da un terzo ceppo di topi, geneticamente obesi e iperosmici (alta capacità di percepire gli odori), che ingrassavano del doppio rispetto ai topi obesi normo-olfattivi (sempre a parità di cibo assunto).
I topi obesi hanno una aspettativa di vita molto inferiore rispetto ai topi normali a causa delle complicanze legate all'obesità. Molto importante quindi il dato che la riduzione di peso riscontrata nei topi con deficit olfattivi si è correlata ad un aumento nella durata della vita media, divenuta simile a quella dei topi normali.
Topi geneticamente obesi. Sopra con sistema olfattivo funzionante, sotto dopo spegnimento temporaneo dei neuroni olfattivi (credit: UCB / Celine E. Riera et al,)

La conclusione più ovvia è che l'odore di ciò che mangiamo agisce in qualche modo come fattore di riprogrammazione metabolico, in aggiunta all'effetto comportamentale (mangiamo meno ciò che ci appare "scialbo"). Una riprogrammazione che potrebbe avvenire a diversi livelli come una modifica dell'efficienza di assimilazione intestinale o della decisione centrale di metabolizzare le molecole assorbite (lipidi e zuccheri) attraverso cicli futili, producendo così calore invece di immagazzinare le eccedenze sotto forma di riserve (adipe e glicogeno, rispettivamente).
Niente di strano nel processo di riprogrammazione in quanto è noto il legame a doppia via tra sistema nervoso centrale e metabolismo. Un legame in cui l'ipotalamo gioca un ruolo chiave.
Chiaramente ci sono molte differenze tra topi ed essere umani non fosse altro per la forte dipendenza dei primi dall'olfatto, per loro un vero e proprio strumento di analisi dell'ambiente che in noi sapiens è ampiamente sottoutilizzato (--> QUI). In comune hanno tuttavia l'essere più sensibili agli odori quando affamati.  Durante la fase di ricerca del cibo, il corpo utilizza e mette "sotto chiave" nelle riserve quello che ha a disposizione. Una volta trovato il cibo ed esaurite le richieste energetiche, comprese quelle dello stoccaggio, l'olfatto perde di dominanza e l'interruttore metabolico si sposta su "brucia il cibo".
Forse è proprio per questo che la mancanza di odori viene interpretata dal cervello come una indicazione di "ho già mangiato", interpretazione che viene superata solo quando la richiesta "energetica" del corpo torna ad essere dominante.

L'interruttore "brucia le calorie" è mediato dall'attivazione del sistema nervoso simpatico, il cui segnale indirizza la tipologia di adipociti che si formano. Senza addentrarci troppo in tematiche fisiologiche (ho scritto degli adipociti --> QUI) lo spegnimento dell'olfatto si associa alla conversione degli adipociti beige (sottocutanei, aventi ruolo di accumulo riserve) in adipociti bruni (quando attivati metabolizzano gli acidi grassi in cicli futili rilasciando calore) con una concomitante riduzione del tessuto adiposo bianco (WAT).
La riduzione del WAT è molto importante in quanto l'accumulo di tale tessuto, noto anche come grasso viscerale essendo distribuito intorno agli organi, rappresenta il principale fattore di rischio nelle persone sovrappeso (non necessariamente obese); per dirla semplicemente la pancetta è molto più pericolosa rispetto alla presenza di adipe generalizzato o a quella su cosce e glutei.
I topi anosmici si sono quindi trasformati da obesi a topi in piena forma, agili e magri. Il cambiamento non è solo estetico; prima della defunzionalizzazione olfattiva i topi presentavano caratteristiche metaboliche di tipo pre-diabetico (prodromico del diabete vero e proprio), che scompare con la perdita dell'olfatto, pur continuando ad assumere una dieta ad alto contenuto di grassi.
L'aspetto negativo di questa transizione è l'aumento dei livelli di noradrenalina, causato dall'attivazione prolungata del sistema nervoso simpatico, che provoca uno stato di stress fisiologico. Nell'uomo, un aumento cronico di questo ormone si correla ad un aumentato rischio di attacco cardiaco.
L'utilizzo di una terapia mirata a desensibilizzare temporaneamente il sistema olfattivo nei pazienti obesi potrebbe (una volta eliminato il cortocircuito che innesca la produzione di noradrenalina) rappresentare nel futuro una valida alternativa agli interventi di chirurgia bariatrica, come ad esempio la pinzatura dello stomaco,


Fonte
- The Sense of Smell Impacts Metabolic Health and Obesity
 Celine E. Riera et al, (2017) Cell Metabolism, 26(1)pp198–211


Il Sole al solstizio visto dal telescopio SOHO

Sono passate solo poche settimane dal momento in cui noi, abitanti del dell'emisfero nord della Terra, siamo "passati" nel solstizio d'estate, il giorno dell'anno con più ore di luce. Ricordo che il solstizio si ha quando l'inclinazione nord dell'asse terrestre è al suo massimo verso il Sole, che in quel giorno cade a perpendicolo sul Tropico del Cancro.

E' di quel giorno la bella immagine ottenuta da SOHO, l'osservatorio solare dell'Ente Spaziale Europeo (ESA) in orbita costante lungo il punto lagrangiano L1. E' dal 1995 che SOHO osserva incessantemente il Sole, fornendo dati sulla sua attività sia a livello della "superficie" (vale a dire la zona visibile, cioè quella da cui emergono i fotoni) che delle propaggini dei suoi getti di gas. Le immagini sotto mostrate sono chiaramente in falsi colori e sono il risultato dell'osservazione della radiazione ultravioletta a diverse lunghezze d'onda (corrispondente a diverse temperature), compiuta proprio la mattina del 21 giugno.
Clicca QUI per l'immagine in HD (Credit: ESA)
Da sinistra a destra, l'osservazione cattura diversi intervalli di temperature, correlati alla radiazione in esame. I punti più brillanti corrispondono, rispettivamente, a temperature  di 70 mila, 1 milione, 1,5 milioni e 2 milioni di gradi centigradi. Maggiore è la temperatura, più in alto si sta guardando nell'atmosfera solare.

***

A scopo puramente riassuntivo, alcune informazioni sulla struttura del  Sole.

La parte esterna del Sole rappresenta solo lo 0,5% del raggio ma è quella più interessante per i moti dinamici ed è, tra l'altro, l'unica osservabile direttamente. E' costituita da:
  • Fotosfera - Potremmo quasi definirla la superficie nel senso che è la parte più profonda del Sole che possiamo osservare. Spessa circa 400 km, ha una temperatura compresa tra i 6200 °C all'interno fino a 3700 gradi °C. Caratteristica principale della fotosfera è la presenza delle celle di convezione (dette granuli), una sorta di tempeste locali del diametro di 100 km, risultato della risalita del gas più caldo dall'interno.
  • Cromosfera - Lo strato sopra la fotosfera, con spessore di circa 2000 km e una temperatura che passa dai 3700 °C sul fondo fino ai 7700 °C esterni. A differenza della fotosfera e delle parti interne, qui la temperatura aumenta spostandosi verso l'esterno. Visibile durante le eclissi o oscurando con filtri adeguati la fotosfera.
  • Regione di transizione - Uno strato (circa 100 km) posto tra la cromosfera e la corona dove la temperatura sale bruscamente fino a circa 500 mila °C. Possiamo considerarla come una sorta di punto di passaggio tra regioni a dominanza gravitazionale dove i flussi sono "orizzontali" e zone a dinamica "verticale"
  • Corona - Lo strato più esterno del Sole, inizia ad una distanza di circa 2100 km sopra dalla superficie solare (la fotosfera). La temperatura va da un minimo di 500 mila fino a pochi milioni di °C il che rende i gas un plasma. Non ha un limite superiore potendo allungare le sue "propaggini" fino a milioni di km di distanza.

Droni più veloci e agili grazie ad un algoritmo

Negli ultimi anni la mania dei droni per uso ricreativo è esplosa, complice la disponibilità di tecnologie anche nel comparto low cost. Dai semplici giocattolini per uso interno ai droni capaci di riprese video a 4k, usati in esterni sia a scopi ludici che di mappaggio del territorio, possiamo ragionevolmente dire che ci sono prodotti per tutti i gusti e per tutte le tasche.
Credit: Jose-Luis Olivares/MIT
Un successo che ha spinto le autorità (in Italia sotto la direttiva della ENAC) a promulgare una serie di regole sul "come" e "dove" utilizzarli (o meglio dove è legale farlo), con in più l'obbligo di conseguire un patentino per i modelli più pesanti e potenti.
In ambito scientifico i droni hanno goduto da subito di ampio successo, divenendo (specialmente i modelli miniaturizzati) ottimi strumenti sia per il monitoraggio dell'ambiente che come banco di prova per nuove tecnologie di guida autonoma, potenzialmente utilizzabili in futuro sui velivoli standard (ad esempio --> "Sistemi di atterraggio automatico grazie allo studio delle api")

Ad oggi i droni a guida autonoma hanno un limite nella velocità del volo, ma non per ragioni ingegneristiche; è la capacità di "vedere l'ambiente" e attuare correzioni di rotta, dove necessario, il vero fattore limitante. Un problema poco sentito nel volo in spazi aperti e privi di ostacoli, ma centrale quando la complessità dell'ambiente inizia ad aumentare. Un problema che in natura non sembra sussistere come abbiamo visto nell'articolo --> "api e robo-api". 
In questi frangenti dove l'input di informazioni ambientali supera una certa soglia critica, si palesa l'insufficiente capacità di elaborazione delle immagini riprese dalle telecamere (o meglio dai sensori). Non parliamo di velocità supersoniche. Già sopra i 50 km/h un mini-drone in volo in un ambiente di minima complessità avrebbe la quasi matematica certezza di andare a sbattere sul primo ostacolo a causa del ritardo nella "decisione" correttiva. La causa? Il flusso di dati in entrata supera la capacità analitica.
Imparare ad evitare gli ostacoli (umani o fisici che siano) è un obbligo nel momento stesso in cui i droni entreranno nella quotidianità (video by insightness.com)

I ricercatori dell'università di Zurigo hanno cercato di risolvere il problema mediante il DVS (sensore di visione dinamica) progettato per visualizzare l'ambiente in modo quasi continuo (ad intervalli di microsecondi), cogliendo variazioni di luminosità "punto per punto".
Un approccio che ricalca quanto scritto in precedenza sulla capacità delle api di volare senza indugi tra il fitto fogliame della giungla (--> QUI). 
Il problema non risolto era la "ricchezza" delle informazioni catturate che rendeva improbo (quindi non efficace) il lavoro dei processori. In altre parole a certe velocità di crociera il mini-drone non fa in tempo a capire se la variazione di luminosità percepita è rumore di fondo oppure un ostacolo.

Risolutivo è stato il lavoro di alcuni ingegneri del MIT che hanno sviluppato un algoritmo che permette al sistema di filtrare le informazioni catturate dal DVS, focalizzandosi solo quelle che evidenziano un differenziale di luminosità.

Il sistema DVS è di tipo "neuromorfico", modellato cioè sul sistema di visione degli animali in cui le cellule fotosensibili nella retina sono attivate, in tempo reale, dai cambiamenti di luminosità. I sensori neuromorfi sono progettati come circuiti disposti in parallelo, analogamente alle cellule fotosensibili, che attivano e producono pixel blu o rosso (osservabile sullo schermo del computer) in risposta a una calo o ad un picco di luminosità.
Il sistema sviluppato dalla Inilabs


I droni dotati di DVS vedono, invece di un normale flusso video," una rappresentazione granulare di pixel che variano tra due colori a seconda della luminosità in quel punto e in un dato momento, microsecondo per microsecondo. Grazie a questo sistema il sensore è di fatto autonomo, senza bisogno di aspettare il post-processamento del flusso di immagini per indurre una risposta. Non a caso le api eseguono una correzione di rotta anche improvvisa senza bisogno di un processamento cerebrale ma grazie ad automatismi tra segnale retinico e risposta del movimento.

Tra i test condotti dai ricercatori per mettere alla prova il sistema in diversi frangenti, uno particolarmente curioso è quello del "portiere robotico" sfidato a bloccare una palla in arrivo ad una certa velocità. 

La chiave del successo del sistema è la possibilità di modificare i parametri del sistema di controllo impostando valori soglia nella variazione di luminosità che il sistema considera "utili" per il compito prefissato, trascurando ogni altro segnale "esterno" o "fuori intervallo". In questo modo il sistema non corre il rischio di essere sopraffatto da troppi eventi-segnale che porterebbero all'inevitabile "crash" contro un ostacolo

Fonte
-  Faster, more nimble drones on the horizon
MIT/news


Wikipedia bloccato in Turchia

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Un'altra prova di quello che è la Turchia oggi e del pericolo che rappresenta per l'Europa e le sue libertà

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