Neurorehabilitation of hand functions using brain computer interface

Introduction: Brain computer interface (BCI) is a promising new technology with possible application in neurorehabilitation after spinal cord injury. Movement imagination or attempted movement-based BCI coupled with functional electrical stimulation (FES) enables the simultaneous activation of the motor cortices and the muscles they control. When using the BCI- coupled with FES (known as BCI-FES), the subject activates the motor cortex using attempted movement or movement imagination of a limb. The BCI system detects the motor cortex activation and activates the FES attached to the muscles of the limb the subject is attempting or imaging to move. In this way the afferent and the efferent pathways of the nervous system are simultaneously activated. This simultaneous activation encourages Hebbian type learning which could be beneficial in functional rehabilitation after spinal cord injury (SCI). The FES is already in use in several SCI rehabilitation units but there is currently not enough clinical evidence to support the use of BCI-FES for rehabilitation. Aims: The main aim of this thesis is to assess outcomes in sub-acute tetraplegic patients using BCI-FES for functional hand rehabilitation. In addition, the thesis explores different methods for assessing neurological rehabilitation especially after BCI-FES therapy. The thesis also investigated mental rotation as a possible rehabilitation method in SCI. Methods: Following investigation into applicable methods that can be used to implement rehabilitative BCI, a BCI based on attempted movement was built. Further, the BCI was used to build a BCI-FES system. The BCI-FES system was used to deliver therapy to seven sub-acute tetraplegic patients who were scheduled to receive the therapy over a total period of 20 working days. These seven patients are in a 'BCI-FES' group. Five more patients were also recruited and offered equivalent FES quantity without the BCI. These further five patients are in a 'FES-only' group. Neurological and functional measures were investigated and used to assess both patient groups before and after therapy. Results: The results of the two groups of patients were compared. The patients in the BCI-FES group had better improvements. These improvements were found with outcome measures assessing neurological changes. The neurological changes following the use of the BCI-FES showed that during movement attempt, the activation of the motor cortex areas of the SCI patients became closer to the activation found in healthy individuals. The intensity of the activation and its spatial localisation both improved suggesting desirable cortical reorganisation. Furthermore, the responses of the somatosensory cortex during sensory stimulation were of clear evidence of better improvement in patients who used the BCI-FES. Missing somatosensory evoked potential peaks returned more for the BCI-FES group while there was no overall change in the FES-only group. Although the BCI-FES group had better neurological improvement, they did not show better functional improvement than the FES-only group. This was attributed mainly to the short duration of the study where therapies were only delivered for 20 working days. Conclusions: The results obtained from this study have shown that BCI-FES may induce cortical changes in the desired direction at least faster than FES alone. The observation of better improvement in the patients who used the BCI-FES is a good result in neurorehabilitation and it shows the potential of thought-controlled FES as a neurorehabilitation tool. These results back other studies that have shown the potential of BCI-FES in rehabilitation following neurological injuries that lead to movement impairment. Although the results are promising, further studies are necessary given the small number of subjects in the current study.

Attività di redazione, monitoraggio e rendicontazione dei progetti del Dipartimento

Report sull’attività svolta dal Dipartimento Energia e Trasporti nell’ambito dell’Accordo di Programma tra il Ministero dello Sviluppo Economico e il CNR/DET sulla “Ricerca e sviluppo per il sistema elettrico nazionale”.

Influência da tecnologia no desenvolvimento do pensamento algébrico : um estudo no 1º CEB

Relatório de Estágio apresentado à Escola Superior de Educação do Instituto Politécnico de Castelo Branco para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Educação Pré-Escolar e Ensino do 1º Ciclo do Ensino Básico.

Using Research Methods in Human Computer Interaction to Design Technology for Resilience

Research in human computer interaction (HCI) covers both technological and human behavioural concerns. As a consequence, the contributions made in HCI research tend to be aware to either engineering or the social sciences. In HCI the purpose of practical research contributions is to reveal unknown insights about human behaviour and its relationship to technology. Practical research methods normally used in HCI include formal experiments, field experiments, field studies, interviews, focus groups, surveys, usability tests, case studies, diary studies, ethnography, contextual inquiry, experience sampling, and automated data collection. In this paper, we report on our experience using the evaluation methods focus groups, surveys and interviews and how we adopted these methods to develop artefacts: either interface’s design or information and technological systems. Four projects are examples of the different methods application to gather information about user’s wants, habits, practices, concerns and preferences. The goal was to build an understanding of the attitudes and satisfaction of the people who might interact with a technological artefact or information system. Conversely, we intended to design for information systems and technological applications, to promote resilience in organisations (a set of routines that allow to recover from obstacles) and user’s experiences. Organisations can here also be viewed within a system approach, which means that the system perturbations even failures could be characterized and improved. The term resilience has been applied to everything from the real estate, to the economy, sports, events, business, psychology, and more. In this study, we highlight that resilience is also made up of a number of different skills and abilities (self-awareness, creating meaning from other experiences, self-efficacy, optimism, and building strong relationships) that are a few foundational ingredients, which people should use along with the process of enhancing an organisation’s resilience. Resilience enhances knowledge of resources available to people confronting existing problems.

Per una semiotica evolutiva dell'apprendimento. Produzione segnica, abduzione ed exaptation nell'accesso alla literacy

Con questa ricerca si intende costruire una semiotica specifica che sia in grado di fare luce sui processi di apprendimento della lettoscrittura durante l’età evolutiva. È un campo di ricerca a cui hanno contribuito numerose discipline: la psicologia e le neuroscienze trattano la lettoscrittura come uno stato cognitivo a cui l’essere umano accede nel corso dello sviluppo individuale, mentre l’archeologia cognitiva e la linguistica considerano lo stesso fenomeno dal punto di vista della filogenesi culturale. Queste stesse discipline possono essere distinte in due categorie a seconda dell’adozione di una prospettiva internalista, in cui lettura e scrittura sono rappresentate come attività compiute dal cervello e dai neuroni, o di una prospettiva distribuita, in cui si tratta di studiare l’evoluzione e la presa in carico delle forme materiali della lingua scritta. Gli strumenti di una semiotica interpretativa e cognitiva consentono di mediare e tradurre tra queste prospettive differenti e rendere ragione del modo in cui l’apprendimento di una pratica culturale socialmente regolata e costruita a partire da forme materiali disponibili, produce profonde modificazioni a livello neurofisiologico, nei vincoli di un’architettura cerebrale che - per quanto plastica - pone divieti e passaggi obbligati. Questa ricerca propone un ruolo centrale della produzione segnica e dell’inferenza abduttiva nei processi di apprendimento, nel processo di acquisizione delle competenze fondamentali dell’emergent literacy (la scoperta del fonema e la phonemic awareness) e, conseguentemente, nei processi di riciclaggio ed exaptation che si danno a livello neurofisiologico.

Studio di una app a supporto delle attività quotidiane di utenti con disabilità cognitive

L’autonomia è una competenza imprescindibile per poter vivere nella società in maniera attiva e partecipativa. Tuttavia, l’apprendimento di questa abilità non è per nulla scontato, soprattutto quando sono coinvolte persone con disabilità intellettive: infatti, un’attività di vita quotidiana relativa all’ambito dell’autonomia è composta da un certo numero di azioni che devono essere eseguite in una sequenza precisa da memorizzare. Questo può rappresentare uno scoglio complesso da superare, con il risultato che spesso il compito viene portato a termine solo ed esclusivamente in presenza di una persona di supporto, come un caregiver o un genitore, che si occupa di guidare l’assistito durante l’attività. Nasce quindi l’esigenza di fornire un supporto ed un sostegno all’acquisizione di alcune competenze di autonomia, il quale si sostituisca gradualmente all’aiuto di persone terze, compatibilmente al grado di abilità degli individui. In questo scenario si colloca il lavoro di tesi, che consiste nella progettazione, sviluppo e testing di una tecnologia assistiva che permetta di creare scenari di apprendimento per l’acquisizione di alcune competenze relative all’ambito dell’autonomia della vita quotidiana. Il documento ha l’obiettivo di presentare il contesto di partenza del progetto per poi illustrare tutte le fasi di design e progettazione, motivando le scelte implementative. Tutto il lavoro è stato fortemente condizionato dai principi del Design Thinking, ovvero metodologie di design che puntano a sviluppare soluzioni inclusive e accessibili, incentrate sui reali bisogni degli individui. Per questo motivo è stato indispensabile coinvolgere diversi utenti e stakeholder sin dagli inizi del progetto. I test presentati dimostrano che l’applicazione si può considerare una buona base per diventare una tecnologia assistiva accessibile e che possa rispondere a diversi bisogni educativi nell’ambito dell’acquisizione delle autonomie di vita quotidiana.

Studio del ciclo geochimico del Mercurio all'interfaccia aria-neve nel plateau Antartico

Lo studio si basa sull’analisi di campioni di neve superficiale (0-3 cm) e sub-superficiale (3-6 cm) raccolti nei pressi della “clean area” di Concordia Station, nel plateau Antartico, e di campioni di deposizione raccolti a seguito di eventi di precipitazione nello stesso sito. Il sito di campionamento “clean area” è designato allo studio dei valori di fondo nel plateau antartico, poiché ritenuto privo di contaminazione antropica. L’obiettivo è la quantificazione delle concentrazioni in ultra-tracce di mercurio per lo studio di eventuali patterns relativi al ciclo geochimico dell’elemento nei periodi interessati da radiazione solare. Inoltre, per studiare i processi che controllano il ciclo del mercurio nel plateau Antartico sono stati considerati sia i parametri meteorologici che le variazioni di elementi chimici usati per tracciare le possibili sorgenti emissive ed i meccanismi di scambio che avvengono per il mercurio all’interfaccia aria-neve. Le analisi sono state svolte con ICP-SFMS, una tecnica di spettrometria in grado di rilevare concentrazioni nell’ordine del ppt. A causa dei limiti di rilevazione molto bassi, tutte le provette usate per le analisi e la conservazione dei campioni sono state trattate al fine di minimizzare la contaminazione. I campioni destinati alle analisi di mercurio sono stati trattati con acido, seguendo la procedura per la stabilizzazione di metalli volatili. Il lavoro svolto non ha identificato particolari processi di trasporto e di scambio mentre invece riporta episodi di contaminazione della “clean area” dovuti in parte alla non usuale provenienza del vento ed in parte al crescente impatto antropico dovuto alle attività delle stazioni di ricerca. Lo studio ha messo in luce le problematiche legate al possibile impatto della base di ricerca Concordia Station sui processi naturali evidenziando la necessità di ulteriori studi e approfondimenti sul tema della contaminazione della designata “area pulita” per il campionamento di neve.

Analisi e nuove applicazioni delle Real-time Silent Speech BCIs

Il fatto che il pensiero sia più rapido della comunicazione verbale o scritta è un concetto ormai consolidato. Ricerche recenti, però, si stanno occupando di sviluppare nuove tecnologie in grado di tradurre l’attività neurale in parole o testi in tempo reale. È proprio questo il campo delle Real-time Silent Speech Brain-Computer Interfaces, ovvero sistemi di comunicazione alternativi, basati sulla registrazione e sull’interpretazione di segnali neurali, generati durante il tentativo di parlare o di scrivere. Queste innovazioni tecnologiche costituiscono un traguardo fondamentale per la vita delle persone con paralisi o con patologie neurologiche che determinano l’inabilità a comunicare. L’obiettivo di questo elaborato è quello di descrivere due applicazioni innovative nell’ambito delle Real-time Silent Speech-BCIs. I metodi di BCI confrontati nel presente elaborato sintetizzano il parlato attraverso la rilevazione invasiva o parzialmente invasiva dell’attività cerebrale. L’utilizzo di metodi invasivi per la registrazione dell’attività cerebrale è giustificato dal fatto che le performance di acquisizione del segnale ottenute sono tali da controbilanciare i rischi associati all’operazione chirurgica necessaria per l’impianto. Le tecniche descritte sfruttano delle Reti Neurali Ricorrenti (RNNs), che si sono dimostrate le più efficaci nel prevedere dati sequenziali. Gli studi presentati in questa tesi costituiscono un passaggio fondamentale nel progresso tecnologico per il ripristino della comunicazione in tempo reale e sono i primi a riportare prestazioni di sintesi paragonabili a quelle del linguaggio naturale.

Metodi di deep learning per la decodifica di segnali neurali registrati dalla corteccia posteriore parietale di macaco

Le interfacce cervello-macchina (BMIs) permettono di guidare devices esterni utilizzando segnali neurali. Le BMIs rappresentano un’importante tecnologia per tentare di ripristinare funzioni perse in patologie che interrompono il canale di comunicazione tra cervello e corpo, come malattie neurodegenerative o lesioni spinali. Di importanza chiave per il corretto funzionamento di una BCI è la decodifica dei segnali neurali per trasformarli in segnali idonei per guidare devices esterni. Negli anni sono stati implementati diversi tipi di algoritmi. Tra questi gli algoritmi di machine learning imparano a riconoscere i pattern neurali di attivazione mappando con grande efficienza l’input, possibilmente l’attività dei neuroni, con l’output, ad esempio i comandi motori per guidare una possibile protesi. Tra gli algoritmi di machine learning ci si è focalizzati sulle deep neural networks (DNN). Un problema delle DNN è l’elevato tempo di training. Questo infatti prevede il calcolo dei parametri ottimali della rete per minimizzare l’errore di predizione. Per ridurre questo problema si possono utilizzare le reti neurali convolutive (CNN), reti caratterizzate da minori parametri di addestramento rispetto ad altri tipi di DNN con maggiori parametri come le reti neurali ricorrenti (RNN). In questo elaborato è esposto uno studio esplorante l’utilizzo innovativo di CNN per la decodifica dell’attività di neuroni registrati da macaco sveglio mentre svolgeva compiti motori. La CNN risultante ha consentito di ottenere risultati comparabili allo stato dell’arte con un minor numero di parametri addestrabili. Questa caratteristica in futuro potrebbe essere chiave per l’utilizzo di questo tipo di reti all’interno di BMIs grazie ai tempi di calcolo ridotti, consentendo in tempo reale la traduzione di un segnale neurale in segnali per muovere neuroprotesi.

Tecnologia de nanocristais em fármacos

The use of poorly water soluble molecules in pharmaceutical area has grown. Since these molecules exhibit low oral bioavailability, they are not used in intravenous administrations. Therefore, it is necessary to develop their new formulations with the aim to increase their oral bioavailabilities as to enable intravenous applications. One of the few possibilities in achieving this is a nanonization process that can produce crystals smaller than 1 μm by high pressure homogenization and without use of organic solvents. This mini-review describes technical aspects of the nanocrystal production, morphological aspects (polymorphisms), the market relevance of the nanocrystals products that are already in clinical phase or at the market, as well as, perspectives for the near future.

Desidratação osmótica de abacaxi aplicada à tecnologia de métodos combinados

The aim of this research was to optimize osmotic dehydration of pineapple, according to two criteria: maximize water loss and minimize solid gain. The process was made as an application to Combined Methods Technology, in which three preservation factors were combined: water activity, pH and chemical preservatives, all being applied at low levels, in order to get a product resembling non-processed fruit. The experiment was divided into three treatments, being: non-coated pineapple pieces (A), pieces coated with alginate (B) and coated with low-methoxyl pectin (C). Process involved the following main steps: enzymatic inactivation of fruit pieces; in treatments B and C, incorporation of their respective coatings; and osmotic dehydration, in sucrose syrup containing potassium sorbate and citric acid. Optimum conditions, determined from Response Surface Methodology, were the following: dehydration of fruit pieces coated by alginate, at 42-47° C, in sucrose syrup at 66-69° Brix, for 220 to 270 minutes. Results indicated that both coatings significantly affected the mass transfers of the process, reducing solid incorporation and increasing water loss; therefore, increasing weight loss and performance ratio (water loss: solid incorporation) took place. Water activity was not significantly affected by the coatings. The product obtained under optimum conditions was submitted to sensorial evaluation, and presented a good general acceptance. Moulds and yeasts countings indicated good microbiological stability of the product for at least 60 days at 30ºC.

Qualidade de vida e nivel de atividade fisica de funcionarios de empresa de tecnologia da comunicação

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Desenvolvimento de ferramentas de análise de desempenho de atletas em 3 diferentes modalidades : Handebol, Provas Combinadas e Salto com Vara

Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Educação Física