Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno trovato un semplice, ma efficace per migliorare la misurazione della sincronizzazione nei sistemi caotici. La tecnica consiste nell'aggiungere un parametro costante ai "segnali analitici" in modo da enfatizzare alcuni aspetti della loro tempistica. Ciò potrebbe migliorare le interfacce cervello-computer progettate per aiutare le persone disabili.

Gli umani sono bravi a rilevare se cose separate accadono contemporaneamente, Per esempio, se due luci lampeggiano insieme o no. Quando due altalene si muovono con un movimento regolare, è facile dire se c'è qualche relazione temporale o "sincronizzazione". Però, la traiettoria di alcuni oggetti, come gli aquiloni, può essere molto complicato pur mostrando ancora qualche schema, anche se può essere difficile da rilevare; tali sistemi sono chiamati "caotici". In fisica, caos non significa mancanza di ordine; indica la presenza di un tipo di ordine molto complicato. L'ordine caotico può essere trovato in molti sistemi, compresa l'attività dei neuroni.

Quando le traiettorie, che non corrispondono necessariamente al movimento fisico e possono invece rappresentare segnali elettrici, sono sufficientemente complicati, diventa difficile determinare se sono sincronizzati. In molti casi, solo alcuni aspetti del loro movimento potrebbero essere correlati. Quindi, la sincronizzazione della misurazione è difficile ed è stata oggetto di ricerca per decenni.

Generalmente, quando una traiettoria si ripete approssimativamente in un ciclo, è utile considerare a che punto di questo ciclo si trova il sistema che stiamo osservando in un dato momento; chiamiamo questa la sua "fase". Nel frattempo, quando una traiettoria è irregolare, cambia anche la dimensione del ciclo e ogni ciclo può essere più grande o più piccolo del precedente; questa è chiamata "ampiezza". Questi due aspetti sono indipendenti e possono essere estratti da qualsiasi segnale tramite un trucco matematico chiamato "segnale analitico".

Misurare se le fasi di due sistemi sono correlate ("fase bloccata") è cruciale in molti campi di interesse. Ottenere il grado di aggancio di fase tra tutte le possibili combinazioni di elettrodi rappresenta un buon modo per indovinare cosa sta pensando qualcuno tramite le tensioni misurate tramite elettroencefalogramma. Tali tecniche non sono ancora molto dettagliate, ma può rilevare alcune forme di movimenti immaginari come fonte di dati per interfacce cerebrali per aiutare le persone disabili.

Però, queste interfacce cervello-computer sono generalmente lente e imprecise. Ora, ricercatori in Giappone, La Polonia e l'Italia propongono un nuovo approccio per misurare la sincronizzazione tra i segnali dell'elettroencefalogramma. Questa ricerca è stata il risultato di una collaborazione tra scienziati del Tokyo Institute of Technology, in parte finanziato dalla World Research Hub Initiative, l'Accademia polacca delle scienze di Cracovia, Polonia, e l'Università di Catania, Italia.

L'idea è semplice e consiste nell'aggiungere una costante dopo aver calcolato il "segnale analitico"; questo ha effettivamente un effetto di deformazione, come mostrato in Figura 1. Una conseguenza è che la sincronizzazione tra le fasi e le ampiezze di due segnali viene catturata congiuntamente in un modo che dipende dal valore di questa costante aggiunta.

Il team di ricerca ha prima analizzato gli effetti dell'aggiunta di questa costante in semplici sistemi teorici prima di passare a casi più rappresentativi, come una rete di oscillatori a transistor. Quindi hanno applicato il loro approccio a un set di dati di segnali dell'elettroencefalogramma per il quale agli utenti è stato detto di riposare o immaginare di muovere la mano sinistra o destra. La costante aggiunta ha chiaramente aiutato il team a misurare la sincronizzazione tra gli elettrodi, in ultima analisi, consentendo loro di aumentare l'accuratezza della classificazione per queste azioni immaginarie.

Sebbene semplice, l'approccio ha portato a miglioramenti significativi nei casi analizzati dal team. Negli sforzi futuri, continueranno a studiare questo metodo in modo che, si spera, abbia un impatto nelle applicazioni pratiche.