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“E’ la semplice esperienza cosciente di un colore,
un suono o un dolore ciò che dobbiamo spiegare…
…Questo è il problema davvero arduo: spiegare la più semplice
delle manifestazioni della coscienza, la più semplice delle esperienze”
(Giulio Tononi, Galileo e il fotodiodo, Laterza 2003)
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“E’ la semplice esperienza cosciente di un colore,
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La coscienza nel cervello dipende dall’instaurarsi
di un equilibrio ottimale tra specializzazione funzionale (diversità)
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2011; Massimini and Tononi, 2018; Tononi, M. Boly, M Massimini, C
Koch, Nat Rev Neurosci 2016
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Coscienza = esperienza soggettiva
La coscienza nel cervello dipende dall’instaurarsi
di un equilibrio ottimale tra specializzazione funzionale (diversità)
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Tononi and Edelman, 1998; Tononi, 2004; Seth et al., 2006 ; Sporns,
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AIMOOC 1.5 - La coscienza - Mario Rosanova

  • 1. AIMOOC 1.5 mario rosanova INTELLIGENZA ARTIFICIALE #AIMOOC mario rosanova 1.5 LA COSCIENZA mooc.uniurb.it/aimooc teorie, misure e meccanismi
  • 2. AIMOOC 1.5 mario rosanova Viktoria Mullova
  • 3. AIMOOC 1.5 mario rosanova Bassett & Gazzaniga, TINS. 2011
  • 4. AIMOOC 1.5 mario rosanova
  • 5. AIMOOC 1.5 mario rosanova Memories
  • 6. AIMOOC 1.5 mario rosanova Memories
  • 7. AIMOOC 1.5 mario rosanova Memories
  • 8. AIMOOC 1.5 mario rosanova Memories
  • 9. AIMOOC 1.5 mario rosanova Memories
  • 10. AIMOOC 1.5 mario rosanova Viktoria Mullova Zatorre, Chen and Penhune Nature Rev Neurosci 2007
  • 11. AIMOOC 1.5 mario rosanova Friston, Annu Rev Neurosci 2002 Park & Friston, Science 2013 «The brain appears to adhere to two fundamental principles of functional organization, functional integration and functional specialization».
  • 12. AIMOOC 1.5 mario rosanova Friston, Annu Rev Neurosci 2002 Park & Friston, Science 2013 «The brain appears to adhere to two fundamental principles of functional organization, functional integration and functional specialization». «L’organizzazione funzionale del cervello sembra poggiare su due principi fondamentali: l’integrazione funzionale e la specializzazione funzionale»
  • 13. AIMOOC 1.5 mario rosanova Global Neuronal Workspace Theory per l’elaborazione cosciente di stimoli sensoriali Dehaene et al., TICS 2006 Dehaene & Changeux, Neuron 2011
  • 14. AIMOOC 1.5 mario rosanova Jonathan Clarke, Wellcome Images and UCL
  • 15. AIMOOC 1.5 mario rosanova Jonathan Clarke, Wellcome Images and UCL Larkum, Zhu and Sakmann, Nature 1998
  • 16. AIMOOC 1.5 mario rosanova Jonathan Clarke, Wellcome Images and UCL Larkum, Zhu and Sakmann, Nature 1998 Larkum, TINS 2012
  • 17. AIMOOC 1.5 mario rosanova Ciaccona di J.S. Bach eseguita da Viktoria Mullova https://www.youtube.com/watch?v=ODrm6GuB0L8
  • 18. AIMOOC 1.5 mario rosanova
  • 19. AIMOOC 1.5 mario rosanova C. Sherrington Uomo e natura, Boringhieri , Torino 1960 G. Edelman e G. Tononi, Un universo di coscienza, Einaudi, Torino 2000
  • 20. AIMOOC 1.5 mario rosanova “E’ la semplice esperienza cosciente di un colore, un suono o un dolore ciò che dobbiamo spiegare… …Questo è il problema davvero arduo: spiegare la più semplice delle manifestazioni della coscienza, la più semplice delle esperienze” (Giulio Tononi, Galileo e il fotodiodo, Laterza 2003)
  • 21. AIMOOC 1.5 mario rosanova “E’ la semplice esperienza cosciente di un colore, un suono o un dolore ciò che dobbiamo spiegare… …Questo è il problema davvero arduo: spiegare la più semplice delle manifestazioni della coscienza, la più semplice delle esperienze” (Giulio Tononi, Galileo e il fotodiodo, Laterza 2003) “La coscienza è esperienza” (Christof Koch, Sentirsi vivi, Raffaello Cortina 2021)
  • 22. AIMOOC 1.5 mario rosanova “La coscienza è quella cosa che svanisce ogni notte quando cadiamo addormentati in un sonno senza sogni” (Giulio Tononi, Galileo e il fotodiodo, Laterza 2003)
  • 23. AIMOOC 1.5 mario rosanova Veglia
  • 24. AIMOOC 1.5 mario rosanova Sonno profondo (Non REM) Veglia
  • 25. AIMOOC 1.5 mario rosanova Veglia
  • 26. AIMOOC 1.5 mario rosanova Sonno profondo (Non REM) Veglia
  • 27. AIMOOC 1.5 mario rosanova Anossia Trauma Evento cerebrovascolare
  • 28. AIMOOC 1.5 mario rosanova Anossia Trauma Evento cerebrovascolare Plum & Posner, Diagnosis of stupor and coma 2007
  • 29. AIMOOC 1.5 mario rosanova Anossia Trauma Evento cerebrovascolare Con il cortese consenso dei parenti del paziente Plum & Posner, Diagnosis of stupor and coma 2007 Coma
  • 30. AIMOOC 1.5 mario rosanova Onde lente del sonno profondo Non REM Oscillazioni rapide Onde alfa
  • 31. AIMOOC 1.5 mario rosanova Coma, paziente incosciente Westmoreland et al., JAMA 2011 Crisi epilettica in paziente cosciente Gokyigit & Caliskan, Epilepsia 1995
  • 32. AIMOOC 1.5 mario rosanova Tononi and Edelman, 1998; Tononi, 2004; Seth et al., 2006 ; Sporns, 2011; Massimini and Tononi, 2018; Tononi, M. Boly, M Massimini, C Koch, Nat Rev Neurosci 2016 Coscienza = esperienza soggettiva Un sistema fisico è cosciente nella misura in cui è in grado di integrare informazione (Information Integration Theory, IIT)
  • 33. AIMOOC 1.5 mario rosanova Coscienza = esperienza soggettiva La coscienza nel cervello dipende dall’instaurarsi di un equilibrio ottimale tra specializzazione funzionale (diversità) e integrazione funzionale (unità) Tononi and Edelman, 1998; Tononi, 2004; Seth et al., 2006 ; Sporns, 2011; Massimini and Tononi, 2018; Tononi, M. Boly, M Massimini, C Koch, Nat Rev Neurosci 2016
  • 34. AIMOOC 1.5 mario rosanova Coscienza = esperienza soggettiva La coscienza nel cervello dipende dall’instaurarsi di un equilibrio ottimale tra specializzazione funzionale (diversità) e integrazione funzionale (unità) ≅ complessità Tononi and Edelman, 1998; Tononi, 2004; Seth et al., 2006 ; Sporns, 2011; Massimini and Tononi, 2018; Tononi, M. Boly, M Massimini, C Koch, Nat Rev Neurosci 2016
  • 35. AIMOOC 1.5 mario rosanova Massimini and Tononi, Seizing up consciousness, Oxford University Press 2018 Bassa integrazione Bassa complessità Bassa differenziazione Bassa complessità Equilibrio tra integrazione e differenziazione Alta complessità
  • 36. AIMOOC 1.5 mario rosanova Perturbare e misurare Equilibrio tra integrazione e differenziazione Alta complessità p
  • 37. AIMOOC 1.5 mario rosanova Massimini and Tononi, Seizing up consciousness, Oxford University Press 2018 Massimini et al., PBR 2009 Equilibrio tra integrazione e differenziazione Alta complessità E’ possibile perturbare e misurare il cervello umano per ottenere una misura di complessità?
  • 38. AIMOOC 1.5 mario rosanova EEG 1 EEG 2 EEG 3 EEG # EEG 60 TMS EEG
  • 39. AIMOOC 1.5 mario rosanova
  • 40. AIMOOC 1.5 mario rosanova
  • 41. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova et al., In: Fellin T., Halassa M. (eds) Neuronal Network Analysis. 2011
  • 42. AIMOOC 1.5 mario rosanova
  • 43. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova et al., J Neurosci. 2009 Ferrarelli et al., Arch Gen Psych 2012 Tscherpel et al., Brain 2020
  • 44. AIMOOC 1.5 mario rosanova
  • 45. AIMOOC 1.5 mario rosanova Massimini et al Science, 2005 Veglia
  • 46. AIMOOC 1.5 mario rosanova Massimini et al Science, 2005 Veglia
  • 47. AIMOOC 1.5 mario rosanova
  • 48. AIMOOC 1.5 mario rosanova Massimini et al Science, 2005 Sonno Non REM Veglia
  • 49. AIMOOC 1.5 mario rosanova Massimini et al Science, 2005 Sonno Non REM Veglia
  • 50. AIMOOC 1.5 mario rosanova midazolam NREM sleep Ferrarelli et al. PNAS, 2010 Sarasso et al. Curr Biol 2015 wakefulness propofol xenon
  • 51. AIMOOC 1.5 mario rosanova Conscious (Report) Unconscious (Report) Rosanova et al., J Neurosci 2009; Ferrarelli et al., PNAS 2010; Rosanova et a., Brain, 2012; Casali et al., Science Transl Med 2013; Sarasso et al., Current Biology 2015; Unknown/DoC patients
  • 52. AIMOOC 1.5 mario rosanova Conscious (Report) Unconscious (Report) Rosanova et al., J Neurosci 2009; Ferrarelli et al., PNAS 2010; Rosanova et a., Brain, 2012; Casali et al., Science Transl Med 2013; Sarasso et al., Current Biology 2015; Pazienti con disturbi della coscienza
  • 53. AIMOOC 1.5 mario rosanova Anossia Trauma Evento cerebrovascolare Con il cortese consenso dei parenti del paziente Plum & Posner, Diagnosis of stupor and coma 2007 Coma
  • 54. AIMOOC 1.5 mario rosanova With patient’s relatives permission Plum & Posner, Diagnosis of stupor and coma 2007 OR UNRESPONSIVE WAKEFULNESS SYNDROME the patient recovers sleep/wake cycles, yet there is no functional communication with the external world Anossia Trauma Evento cerebrovascolare
  • 55. AIMOOC 1.5 mario rosanova Plum & Posner, Diagnosis of stupor and coma 2007 OR UNRESPONSIVE WAKEFULNESS SYNDROME Bruno et al., Journal of Neurology 2011 Anossia Trauma Evento cerebrovascolare
  • 56. AIMOOC 1.5 mario rosanova CRS-R Plum & Posner, Diagnosis of stupor and coma 2007 Kalmar & Giacino, Neuropsychological rehabilitation 2005 Anossia Trauma Evento cerebrovascolare
  • 57. AIMOOC 1.5 mario rosanova Percezione sensoriale Attenzione Memoria di lavoro Funzioni motorie ed esecutive
  • 58. AIMOOC 1.5 mario rosanova Percezione sensoriale Attenzione Memoria di lavoro Funzioni motorie ed esecutive
  • 59. AIMOOC 1.5 mario rosanova Pistoia et al., Open Journal of Neuroimaging 2016 Locked-In Syndrome?
  • 60. AIMOOC 1.5 mario rosanova Bruno et al., Journal of Neurology 2011 OR Unresponsive Wakefulness Syndrome Locked-In Syndrome? Locked-In Syndrome: the patient is fully conscious, yet her/he cannot functionally communicate due to lesions of the motor pathways
  • 61. AIMOOC 1.5 mario rosanova Probing the subject to elicit a neural response Owen et al., Science 2006; Boly et al., Neuroimage 2007; Monti et al., NEJM 2010; Monti et al., BMJ 2010; Cruse et al., Lancet 2011; Curley et al., Brain 2018; Claassen et al., NEJM 2019
  • 62. AIMOOC 1.5 mario rosanova Lo stato vegetativo è un paradosso!
  • 63. AIMOOC 1.5 mario rosanova “Sonno” TMS Vegetative State (vigilance without awareness)
  • 64. AIMOOC 1.5 mario rosanova “Sonno” “Veglia” TMS TMS Vegetative State (vigilance without awareness)
  • 65. AIMOOC 1.5 mario rosanova TMS Rosanova et al., Brain 2012 EEG Trace recorded at the electrode under the stimulator Awake, unresponsive, no report UWS
  • 66. AIMOOC 1.5 mario rosanova TMS Awake, conscious, no report Rosanova et al., Brain 2012
  • 67. AIMOOC 1.5 mario rosanova TMS Awake, minimal signs of consciousness Rosanova et al., Brain 2012
  • 68. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova et al., Brain 2012
  • 69. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova et al., Brain 2012 Ragazzoni et al., Plos ONE 2013
  • 70. AIMOOC 1.5 mario rosanova VS/UWS MCS EMCS Recupero di coscienza
  • 71. AIMOOC 1.5 mario rosanova Integration Differentiation Complexity Casali et al., Science Transl Med 2013 Casarotto et al, Ann Neurology 2016 Comolatti et al, Brain Stim 2019
  • 72. AIMOOC 1.5 mario rosanova ZIP Integration Differentiation Complexity Casali et al., Science Transl Med 2013 Casarotto et al, Ann Neurology 2016 Comolatti et al, Brain Stim 2019 0.1 0.2 0.4 0.5 0.6 0.3 0 0.7 Conscious Benchmark CALIBRATION APPLICATION Unconscious Benchmark VS Perturbational Complexity Index MCS
  • 73. AIMOOC 1.5 mario rosanova Stratificazione dei pazienti in stato vegetativo Casarotto et al., Ann Neurol 2016
  • 74. AIMOOC 1.5 mario rosanova Stratificazione dei pazienti in stato vegetativo Casarotto et al., Ann Neurol 2016
  • 75. AIMOOC 1.5 mario rosanova Sonno profondo (Non REM) Veglia
  • 76. AIMOOC 1.5 mario rosanova Bistabilità corticale Rosanova and Timofeev, J. Physiol 2005 Registrazione intracellulare Da neurone piramidale della corteccia Onde lente Oscillazioni veloci EEG Periodi di silenzio, OFF periods Periodi di attività 1 sec
  • 77. AIMOOC 1.5 mario rosanova Pigorini et al., Neuroimage 2015 OFF-period Quantifying cortical bistability from EEG
  • 78. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova, Fecchio et al., Nature Communications 2018
  • 79. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova, Fecchio et al., Nature Communications 2018
  • 80. AIMOOC 1.5 mario rosanova Soppressione delle oscillazioni veloci dell’EEG (periodi di silenzio neuronale) Rosanova, Fecchio et al., Nature Communications 2018
  • 81. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova, Fecchio et al., Nature Communications 2018 Soppressione delle oscillazioni veloci dell’EEG (periodi di silenzio neuronale)
  • 82. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova, Fecchio et al., Nature Communications 2018 Soppressione delle oscillazioni veloci dell’EEG (periodi di silenzio neuronale)
  • 83. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova, Fecchio et al., Nature Communications 2018 Soppressione delle oscillazioni veloci dell’EEG (periodi di silenzio neuronale)
  • 84. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova, Fecchio et al., Nature Communications 2018
  • 85. AIMOOC 1.5 mario rosanova Bassett & Gazzaniga, TINS. 2011
  • 86. AIMOOC 1.5 mario rosanova I periodi di silenzio neuronale in paziente sveglio, cosciente con ictus in una regione perilesionale Sarasso et al., Brain 2020
  • 87. AIMOOC 1.5 mario rosanova Aru, Suzuki and Larkum, TICS 2020
  • 88. AIMOOC 1.5 mario rosanova Rosanova, Fecchio et al., Nature Communications 2018 I periodi di silenzio neuronale sono rimpiazzati da un’attività sostenuta nel tempo
  • 89. AIMOOC 1.5 mario rosanova Casarotto et al., Ann Neurol 2016 Stratificazione dei pazienti in stato vegetativo
  • 90. AIMOOC 1.5 mario rosanova ZIP Integration Differentiation Complexity Casali et al., Science Transl Med 2013 Casarotto et al, Ann Neurology 2016 Comolatti et al, Brain Stim 2019 0.1 0.2 0.4 0.5 0.6 0.3 0 0.7 Conscious Benchmark CALIBRATION APPLICATION Unconscious Benchmark VS Perturbational Complexity Index Disconnected Consciousness? MCS
  • 91. AIMOOC 1.5 mario rosanova UNIVERSITY OF WISCONSIN: Fabio Ferrarelli Brady Riedner Michael Peterson Reto Huber Michael Murphy Harpreet Singh Giulio Tononi UNIVERSITY OF MILAN: Marcello Massimini Silvia Casarotto Simone Sarasso Adenauer Casali Matteo Fecchio Andrea Pigorini Martino Napolitani Angela Comanducci Sara Parmigiani Alice Mazza FERB: Carlo de Fanti Cristina Landi Chiara Olivieri UNIVERSITY OF LIEGE: Melanie Boly Olivia Gosseries Marie-Aurelie Bruno Didier Ledoux Steven Laureys HOSPITAL SAN GERARDO: Giuseppe Citerio Alessia Vargiolu UNIVERSITY OF MILAN-Bicocca: Leonor Romero-Lauro Alberto Pisoni Giulia Mattavelli HOSPITAL NIGUARDA: Arturo Chieregato Francesco Curto Michele Colombo Gerardo Salvato Manuela Berlingeri Lino Nobili Giorgio Lo Russo Grazie!! Ai pazienti e alle loro famiglie
  • 92. AIMOOC 1.5 mario rosanova Massimini et al., Cogn. Neurosci., 2010 I’m here I was not there I was there Dreaming
  • 93. AIMOOC 1.5 mario rosanova Letture consigliate