no12

Le conferenze di Palazzo Todeschi
Aspetti Cognitivi del controllo motorio
di Francesco Frisone, Pietro G. Morasso e Vittorio Sanguineti
Università di Genova, DIST (Dip. di Informatica, Sistemistica e Telematica)

 Presentiamo il report del seminario tenuto da Pietro Morasso il 5 febbraio scorso nell'ambito delle iniziative organizzate dal Laboratorio di Scienze Cognitive di Rovereto

Come nel sistema visivo la retina non è soltanto un sensore opto-elettrico ma anche un modulo di un sistema cognitivo distribuito, analogamente nel sistema motorio i muscoli non sono soltanto degli attuatori elettro-meccanici ma le porte di interfaccia tra il mondo esterno ed un mondo di "rappresentazioni interne sensomotorie". Le proprietà meccaniche dei muscoli sono importanti per la dinamica (compensazione di carichi e disturbi interni/esterni) come anche per la cognizione spaziale (rappresentazione e trasformazione tra uno spazio propriocettivo e prossimale ed uno spazio exterocettivo e distale).
Uno dei compiti principali dell'apprendimento motorio è la costruzione di queste rappresentazioni interne. Si può partire dal cosiddetto l-model proposto da A. Feldman che, nella sua forma più semplice può essere espresso come una funzione esponenziale della differenza tra la lunghezza l del muscolo ed il comando sopra-spinale l. Il punto essenziale, dal punto di vista della rappresentazione spaziale, è che la variabile controllota ha le stesse dimensioni della variabile di controllo e la differenza delle due è immediatamente resa disponibile al sistema nervoso mediante i fusi muscolari. Lo spazio propriocettivo può allora essere definito come un insieme di dimensionalità ridotta annidato nell'insieme di tutte le possibili configurazioni muscolari e può essere rappresentato in modo distribuito mediante una mappa corticale auto-organizzante. La sua geometria e dimensionalità è codificata nel pattern di connessioni sinaptiche laterali che sono prevalentemente eccitatorie e riverberanti. Queste connessioni possono essere adattate mediante un processo di apprendimento non supervisionato di tipo Hebbiano nell'ambito di una strategia (probabilmente innata) di reazione circolare "alla Piaget". Inoltre, la stessa strategia e lo stesso paradigma di apprendimento non supervisionato possono favorire allo stesso tempo l'emergere di una rappresentazione distribuita dello spazio tridimensionale exterocettivo e l'espressione di un legame causale tra i due spazi.

Palazzo Todeschi, interno
Se questo modello concettuale può catturare alcuni degli aspetti della costruzione cognitiva di un'immagine "Platonica" del movimento, non è però in grado di spiegare in che modo questa immagine sia in grado di fare fronte alle mutevoli condizioni ambientali che si traducono in dinamiche diverse, carichi variabili ecc. Queste problematiche, che costituiscono l'altra faccia della cognizione motoria, mal si prestano ad un meccanismo di rappresentazione essenzialmente a-temporale ed un processo di apprendimento non supervisionato intrinsecamente lento. Occorre un ordinamento temporale delle informazioni piuttosto che uno geometrico e l'apprendimento deve essere supervisionato, per esempio nell'ambito di una strategia comportamentale di "prove ripetute". La struttura cerebrale che si adatta a questo tipo di elaborazione è la corteccia cerebellare che, come suggerito da Braitenberg e collaboratori (1996), è caratterizzata da una trasformazione globale di sequenze piuttosto che di pattern, come avviene invece nelle mappe corticali.
Come legare assieme i due aspetti della cognizione motoria, ossia quello spaziale e quello dinamico, è comunque uno spazio di ricerca aperto che richiede da attaccare con un ventaglio di metodologie e tecnologie diverse.

Bibliografia (selezione)

Frisone, F., Vitali, P., Iannò, G., Marongiu, M., Morasso, P., Pilot, A., Rodriguez, G., Rosa, M., Sardanelli, F. (1999) Can the synchronization of cortical areas be evidenced by fMRI? J. of Neurocomputing, in press.

Frisone, F., Morasso, P., Perico, L. (1999) Self-organization in cortical maps & EM learning. J. of Advanced Computational Intelligence

Sanguineti, V. Frisone, F. Bruni, S., Morasso, P. (1998) Can non-linear muscle dynamics explain the smoothness of handwriting movements? Acta Psychologica, 100, 217-227.

Morasso, P., Sanguineti, V., Frisone, F., Perico, L. (1998) Coordinate-free sensorimotor processing: computing with population codes. Neural Networks, 11, 1417-1428.

Gribble, P. L., Ostry, D. J., Sanguineti, V., Laboissiere, R. (1998) Are Complex Computations Required for the Control of Arm Movement? Journal of Neurophysiology, 79, 1409-1424.

Sanguineti, V., Laboissiere, R., Ostry, D. J. (1998) A Dynamic Biomechanical Model for Neural Control of Speech Production. Journal of the Acoustical Society of America, 103, 3, 1615-1627.

Morasso, P., Sanguineti, V. (1997) Self-organization, cortical maps and motor control. Elsevier Science Publishers - North Holland, Amsterdam.

Sanguineti, V., Laboissiere, R., Payan, Y. (1997) A control model of human tongue movements in speech. Biological Cybernetics, 77, 1, 11-22.

Morasso, P., Sanguineti, V., Spada, G. (1997) A computational theory of targeting movements based on force fields and topology representing networks. Neurocomputing, 15, 414-434.

Morasso, P. and V. Sanguineti (1997) Learning tidal waves vs learning sensorimotor mappings. Behavioral and Brain Sciences, 20, 260-261.

Morasso, P., Sanguineti, V., F. Frisone (1997) Topologic organization of context fields for sensorimotor coordination. Behavioral and Brain Sciences, 21, 412-413.

Baratto L., R. Capra, M. Farinelli, P. Morasso and G. Spada (1997) A clinical protocol of movement analysis for the prevention of the risk of falling in elderly patients. Medical & Biological Engineering & Computing, 35, suppl. 2, 1289-90.

Morasso, P. and V. Sanguineti (1996) How the brain can discover the existence of external egocentric space. Neurocomputing, 12, 289-310.

Morasso, P. and V. Sanguineti (1996) Kinematic invariances and body schema. Behavioral and Brain Sciences, 18, 769-770.

Tsuji, T., Morasso, P., Goto, K. and K.Ito (1995) Human Hand Impedance Characteristics during Maintained Posture in Multi-Joint Arm Movements. Biological Cybernetics, 72, 475-485.

Morasso, P. and V. Sanguineti (1995) Self-organizing body-schema for motor planning. J. Motor Behavior, 26, 131-148.

Morasso, P., Barberis, L. Pagliano, S., and D. Vergano (1993) Recognition Experiments of Cursive Dynamic Handwriting with Self-Organizing Networks. Pattern Recognition, 26, 3, 451,460

Morasso, P. and V. Sanguineti (1992) Equilibrium-point and self-organization. Behavioral and Brain Sciences, 15, 781-782.

Morasso, P. (1992) Neural mechanisms of synergy formation. Human Movement Science, 11, 1/2, 169-180.

Morasso, P., Sanguineti, V. (1991) Neurocomputing concepts in motor control. In "Brain and Space" (J. Paillard, Editor), Oxford University Press, Oxford, Chapter 21, 404-432.

Mussa Ivaldi, F.A., Morasso, P., N. Hogan, N., Bizzi, E. (1989) Network Models of Motor Systems with Many Degrees of Freedom. In "Advances in Control Networks and Large Scale Parallel Distributed Processing Models" (M.D. Fraser, Editor), Ablex Publ. Corp., Norwood, NJ.

Mussa Ivaldi, F. A., Morasso, P., Zaccaria, R. (1988) Kinematic Networks. A Distributed Model for Representing and Regularizing Motor Redundancy. Biological Cybernetics, 60, 1-16.

Morasso, P., Tagliasco, V. (1986) Human Movement Understanding. North Holland, Amsterdam.

Morasso, P., Mussa Ivaldi, F.A., Ruggiero, C. (1983) How a discontinuous mechanism can produce continuous patterns in trajectory formation and handwriting. Acta Psychologica, 54, 83-98.

Morasso, P. (1983) Three-dimensional arm trajectories. Biological Cybernetics, 48, 187-194.

Morasso, P., Mussa Ivaldi F.A. (1982) Trajectory formation and handwriting: a computational model. Biological Cybernetics, 45, 131-142.

Abend, W.K., Bizzi, E., Morasso, P. (1982) Human arm trajectory formation. Brain, 105, 331-348.

Morasso, P. (1981) Spatial control of arm movements. Experimental Brain Research, 42, 223-227.

Benati, M., Morasso, P., Tagliasco, V., Zaccaria, R. (1980) Anthropomorphic robotics. Biological Cybernetics 38, 125-150.

Bizzi, E., Dev, P., Morasso, P., Polit, A. (1978) Effect of load disturbances during centrally initiated movements. Journal of Neurophysiology, 41, 542-555.

Morasso, P., Sandini, G., Tagliasco, V., Zaccaria, R. (1977) Control strategies in the eye-head system. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, SMC-7, 639-650.

Bizzi, E., Polit, A., Morasso, P. (1976) Mechanisms underlying recovery of final head position. Journal of Neurophysiology, 39, 435-444.

Dichgans, J., Bizzi, E., Morasso, P., Tagliasco, V. (1974) The role of vestibular and neck afferents during eye-head coordination in the monkey. Brain Research, 71, 225-232.

Morasso, P., Bizzi, E., Dichgans, J. (1973) Adjustment of saccade characteristics during eye head movements. Experimental Brain Research (Berlin), 16, 548-562.

Il prof. Pietro G. Morasso è ordinario di Robotica Antropomorfa all'Università di Genova. Presidente del Consiglio di Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica e Coordinatore del Dottorato in Bioingegneria. Direttore scientifico del Centro di Bioingegneria all'Ospedale di Arenzano (patologie del movimento durante l'invecchiamento).

Vittorio Sanguineti, laureatosi in Ingegneria Elettronica a Genova nel 1989, ha svolto attività di ricerca in Robotica a Genova(1994), Grenoble - ICP - Christian Aubry (1995-96), Montreal - McGill - David Ostry (1996) e Chicago - Northwester Medical School (1997-98). Attualmente è ricercatore di Bioingegneria Elettronica all'Universita' di Genova.

Francesco Frisone si è laureato in Ingegneria Elettronica nel 1995 all'Università di Genova, dove sta svolgendo un Dottorato di Ricerca in Robotica.