Cerebral harmonies : brain-computer interface and the bond between brain, music and computer

Questo elaborato ha come obiettivo la presentazione di uno stato dell’arte delle Brain Computer Interface, dispositivi in grado di far comunicare il sistema nervoso centrale con una periferica esterna. Questa possibilità è data dalle tecniche di registrazione disponibili, soprattutto l’elettroencefalografia. La registrazione dell’attività elettrica può permettere di controllare con la sola attività mentale diversi dispositivi che possono avere infinite utilità. Saranno discussi i diversi campi di applicazione, dagli ambiti motori a quelli psicologici. Precisamente, nella prima parte verrà affrontato un excursus su tutto quello che riguarda le Brain-computer Interface; ci concentreremo sia sull’evoluzione di questo dispositivo, sia sul suo funzionamento. Verranno per cui approfondite le tecniche di registrazione cerebrale e i segnali neurali utilizzati per far sì che questi dispositivi siano effettivamente efficaci per gli utilizzatori; inoltre ci interesseremo anche dei nuovi sviluppi che caratterizzano il campo delle Brain-computer Interface. Nel secondo capitolo verranno approfondite le caratteristiche e le peculiarità dell’entrainment audio-visivo. In particolare saranno trattati sia gli effetti degli stimoli visivi, sia gli effetti di quelli acustici. Verranno prese in considerazione le maggiori ricerche inerenti la sincronizzazione cerebrale. Nel terzo capitolo infine, sarà riportata la ricerca condotta presso il Laboratorio di Psicologia Cognitiva del Dipartimento di Medicina e Chirurgia di Parma. L’esperimento è stato effettuato con un prototipo di BCI chiamato Neuro-Upper (NU), il quale utilizza stimolazioni sia visive sia acustiche, per generare una sincronizzazione delle oscillazioni cerebrali. Ogni soggetto, prima e dopo il trattamento (90 sedute da 30 minuti ciascuna), è stato valutato tramite misure cliniche e neuropsicologiche. La ricerca ha avuto come obiettivi sia il miglioramento dello stato emotivo dei soggetti, sia un potenziamento cognitivo esteso ad aree come attenzione e memoria. Dai risultati è emerso in particolare un notevole miglioramento nei test volti a valutare le abilità cognitive, oltre a una remissione dei sintomi depressivi in alcuni soggetti. Verranno infine discussi i limiti e le sfide future per confermare l’efficacia terapeutica di questa BCI.This work aims at presenting a state of the art of Brain-Computer Interface, devices that can communicate the central nervous system with an external peripheral. This possibility is given by the available recording techniques, especially electroencephalography. Recording electrical activity can allow to control multiple devices with only mental activity. The different fields of application (motor and psychological) will be discussed. Specifically, in the first part, will be observed an excursus of Brain-Computer Interface; we will focus on the evolution of this device and its operations. We will examine the techniques of brain recording and the neural signals used to ensure that these devices are really effective for users. We will also consider the new developments regarding the Brain-Computer Interface. In the second chapter, will be explored the features and peculiarities of audio-visual entrainment. In particular, will be observed the effects of visual and acoustic stimuli on the brain and the research on cerebral synchronization. In the third chapter will be described the research carried out at the Cognitive Psychology Laboratory of the Department of Medicine and Surgery (Parma). The experiment was carried out with a prototype of BCI called “Neuro-Upper” (NU), which uses visual and acoustic stimulation to generate a synchronization of brain oscillations. Each subject, before and after treatment (90 sessions of 30 minutes), was evaluated by clinical and neuropsychological measures. The aim of the research was to improve the emotional state and to enhance cognitive abilities (to areas such as attention and memory). The results showed a remarkable improvement in tests that evaluate cognitive abilities and a remission of depressive symptoms in some subjects. Finally, will be discussed the limits and upcoming challenges to confirm the therapeutic efficacy of this BCI