Estrazione automatica di espressioni emotive da volti umani - Automatic Detection of Emotions from Human Faces

Chi ha occhi per vedere e orecchi per udire  
può convincersi che nessun mortale può tenere un segreto. 
 Se le sue labbra tacciono, parlerà con la punta delle dita; 
 ciò che lo tradisce trasuda da tutti i pori.  
(Sigmund Freud) 
 
 
 
CAPITOLO 1: 
LA BASE BIOLOGICA DELLE EMOZIONI
ESTRAZIONE AUTOMATICA DI ESPRESSIONI EMOTIVE DA VOLTI 
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La base biologica delle emozioni 
CAPITOLO 1 
 
1.1     INTRODUZIONE 
Prima di analizzare le emozioni basi, attraverso la variazione di uno o più muscoli del 
volto, è opportuno descrivere sommariamente, la funzione del cervello nell’emozione. 
Negli ultimi decenni le neuroscienze hanno fatto grandi progressi nella comprensione di 
come funziona il cervello, che ci hanno permesso di formulare delle ipotesi su come il 
cervello contribuisce al comportamento emozionale e all'esperienza delle emozioni. 
Le emozioni sono programmi fisiologici e psicologici integrati emersi nel corso 
dell’evoluzione biologica, con l’apparizione dei Mammiferi. Sono programmi che si 
attivano in reazione a stimoli rilevanti rispetto ai bisogni di un individuo, alla sua 
sopravvivenza o a quella della specie. 
Esistono delle zone del cervello che attraverso la produzione di sostanze chimiche 
generano quelle condizioni che sono poi percepite dal soggetto come emozioni. 
Numerose strutture corticali e sottocorticali sono coinvolte nella regolazione di tali 
emozioni, nella motivazione e nell’associazione degli stati emozionali con i ricordi e le 
sensazioni. Esse includono: 
• Corteccia Cingolata; 
• Amigdala; 
• Ipotalamo; 
• Ippocampo; 
• Giro Paraippocampale; 
• Corteccia Orbito-frontale; 
• Corteccia Somestesica; 
• Insula; 
• Tronco Encefalico (nuclei monaminergici); 
• Grigio Periacqueduttale;
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Figura 1.1: strutture corticali e sottocorticali del cervello 
 
1.2     IL CERVELLO 
Il nostro cervello è il prodotto della sovrapposizione dei tre tipi di cervello apparsi nel 
corso della trasformazione evolutiva dei Vertebrati. Il cervello più antico, specializzato 
nel controllo delle funzioni automatiche, come gli stati di coscienza, la respirazione, la 
circolazione, i processi metabolici. Comprende le strutture spinomidollari che si 
allungano dal midollo spinale terminando alla base del cervello. 
Con l’apparizione dei Mammiferi, il cervello arcaico è stato circondato dalle strutture 
come l’amigdala, il setto, il talamo, che fanno parte del sistema limbico. Questo 
sistema media i processi fondamentali del comportamento emotivo e motivazionale.
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Figura 2.1:connessioni fra la corteccia sensoriale e il sistema limbico 
La corteccia cerebrale rappresenta la parte evolutivamente più recente del cervello 
umano, il neo-encefalo. Essa integra e coordina le funzioni di tutte le strutture nervose 
sottostanti ed è la sede delle funzioni psichiche superiori, come i processi cognitivi e il 
linguaggio. Dalla corteccia prefrontale, in particolare, dipende la regolazione 
volontaria delle emozioni e il controllo cognitivo del comportamento.
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Figura 3.1: aree del cervello 
 
1.3     CIRCUITI CEREBRALI DELLE EMOZIONI 
L’ippocampo, l’amigdala e la corteccia prefrontale sono strutture in connessione con 
l’ipotalamo. I nuclei mammillari dell’ipotalamo sono in comunicazione con la porzione 
anteriore del talamo che a sua volta è connesso alla corteccia cingolata. Le connessioni 
che dal cingolo raggiungono e mettono in connessione ippocampo, amigdala e corteccia 
prefrontale completano il circuito (20). 
Sebbene l’intero circuito sia importante  per il comportamento emozionale,  l’amigdala 
e la corteccia prefrontale rivestono un ruolo fondamentale nel processo di comprensione 
ed interpretazione della natura delle esperienze emozionali. E’ possibile affermare che 
un sistema multiplo di strutture cerebrali, sia corticale che sottocorticale, contribuisca 
all’esperienza di un’emozione. Ciascun’area cerebrale coinvolta risulta, però, svolgere 
un ruolo diverso ed apportare un contributo specifico all’elaborazione dello stimolo 
emotigeno.
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Le aree che risultano particolarmente attive nel processo di elaborazione emozionale 
sono: 
• Ipotalamo; 
• Amigdala; 
• Corteccia Prefrontale Mediale; 
• Corteccia Cingolata Anteriore; 
• Insula. 
 
1.3.1 IPOTALAMO 
L’ipotalamo è responsabile dell’attivazione delle risposte vegetative dell’organismo in 
relazione a stimoli emotigeni. facilita l’aggressività difensiva, insieme con quello  
laterale inibisce la predazione (l’essere predatore). 
Tali risposte consistono in variazioni a carico di diversi indici fisiologici: 
• frequenza cardiaca; 
• temperatura corporea; 
• pressione arteriosa; 
• sudorazione; 
• ritmo respiratorio; 
• contrazione gastrica; 
Tali variazioni sono indotte dal sistema simpatico e dalla risposta del sistema 
colinergico parasimpatico.
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Figura 4.1: area dell’ipotalamo 
 
1.3.2 AMIGDALA 
La principale regione cerebrale implicata nell’elaborazione delle emozioni è 
l’amigdala, organizza le risposte comportamentali, vegetative e ormonali di rabbia, 
paura e ansia. Collocata all’interno della porzione mediale del lobo temporale, 
adiacente all’ippocampo, con la corteccia prefrontale posta immediatamente 
anteriormente. L’amigdala è costituita da tre  nuclei principali: basolaterale, 
corticomediale e centrale. Il nucleo centrale facilita l’aggressività difensiva, quello 
basolaterale o mediale la suscita. La stimolazione dell’amigdala induce risposte 
emozionali, la sua disattivazione farmacologica (benzodiazepine, oppio) le attenua e la 
sua distruzione le abolisce.  
L’amigdala, non appena capta una situazione emotiva negativa, di pericolo, “accende” 
una serie di sistemi fisici compreso il sistema nervoso autonomo. Questo, a sua volta, 
stimola da parte delle ghiandole surrenali il rilascio dell’adrenalina nel sangue.
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In questo modo le decisioni vengono prese inconsciamente, basandosi sull’istinto, 
in quanto la sopravvivenza fisica nelle situazioni di forte stress, diventa l’obiettivo 
primario. 
Partono dall’amigdala vie per l’ipotalamo (via amigdalofughe e stria teminale), che 
garantiscono la risposta vegetativa, vie per il grigio acqueduttale che garantiscono la 
reazione comportamentale e vie per la corteccia che consentono l’elaborazione, il 
controllo ed il riconoscimento emozionale. 
 
Figura 5.1: area dell’amigdala 
Numerosi dati sostengono l’evidenza che l’amigdala sia responsabile della 
rilevazione, della generazione e del mantenimento delle emozioni correlate alla 
paura.
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Evidenze Sperimentali: 
1) Ruolo svolto dall’amigdala in alcuni processi legati all’elaborazione di stimoli 
minacciosi: 
•  paura condizionata; 
•  riconoscimento delle espressioni facciali paurose; 
•  percezione della paura indotta da un anestetico (novocaina); 
•  evocazione di risposte emozionali paurose da stimolazione diretta. 
2) Presenza di una risposta amigdalare  più generica quando l’espressione 
minacciosa non viene percepita in modo consapevole o quando i soggetti non 
sperimentano la paura in modo soggettivo. 
3) Lateralizzazione sinistra delle funzioni amigdaloidee in relazione alle emozioni. 
 
1.3.3 CORTECCIA PREFRONTALE MEDIALE 
La porzione mediale della corteccia prefrontale orbitale è connessa con le strutture 
limbiche, ed è implicata nei processi emotivi ed affettivi e nella capacità di prendere 
decisioni finalizzate ad uno scopo; in particolare le regioni mediali inferiori sono 
coinvolte, insieme alle regioni orbitali mediali, nella regolazione delle emozioni e del 
comportamento. 
Il circuito orbitofrontale mediale connette la corteccia prefrontale mediale con la 
corteccia cingolata anteriore, l’amigdala e le altre strutture limbiche; nell’ambito di 
questo circuito la corteccia prefrontale mediale riceve afferenze dalle strutture 
sottocorticali e mesencefaliche connesse con i circuiti della gratificazione e del piacere.
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Figura 6.1: area della corteccia prefrontale mediale 
Evidenze Sperimentali: 
1) La comune attivazione della MPFC (Medial Pre-Frontal Cortex) in compiti 
relativi a differenti emozioni, suggerisce che tale struttura svolga un ruolo 
“generale” nel processo di elaborazione emozionale (stima, esperienza, 
risposta). Una possibilità, quindi, è che l’attività della MPFC sia implicata 
nell’elaborazione di quegli aspetti cognitivi che sono strettamente correlati al 
processo emozionale.  
2) L’attività di tale struttura, inoltre, potrebbe essere coinvolta nella regolazione 
degli stati emozionali; le regioni prefrontali occupano una posizione strategica 
per assolvere alla modulazione dell’attività limbica; la MPFC, infatti, con le 
estese connessioni alle strutture limbiche sottocorticali - tra cui l’amigdala - 
(Corteccia Paralimbica), costituisce una plausibile zona di interazione tra i 
processi cognitivi ed affettivi.
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1.3.4 CORTECCIA CINGOLATA ANTERIORE 
La Corteccia Cingolata viene oggi distinta da un punto di vista funzionale in tre 
sottoregioni:  
•  rostrale (anteriore) – coinvolta nelle emozioni; 
•  dorsale – coinvolta nella cognizione; 
•  caudale (posteriore) – implicata nel controllo motorio. 
 
Il circuito del Cingolato Anteriore mette in connessione tale struttura con la corteccia 
orbitofrontale e con l’amigdala. 
 
Figura 7.1: area della corteccia cingolata anteriore 
Questa regione regola le funzioni endocrine, ma è coinvolta anche 
nell’apprendimento emozionale condizionato, nella valutazione di contenuti 
motivazionali, nella capacità di attribuzione di valore emotivo ad eventi interni o 
esterni. 
Evidenze Sperimentali: 
1) In generale, la porzione rostrale del cingolo anteriore sembra essere coinvolta 
nella valutazione della salienza di informazioni di tipo motivazionali ed 
emozionali; essa è anche coinvolta nell’attività di mediazione dell’attivazione
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emozionale, soprattutto quando l’informazione esterna, in contrasto con lo stato 
interno, richiede un processamento addizionale. 
2) L’attivazione di una porzione del cingolo anteriore – corteccia cingolata 
subcallosale – risulta specificamente associata all’emozione tristezza. 
3) Il richiamo indotto di un emozione attiva specificamente il cingolo anteriore. 
1.3.5 INSULA 
L’insula giace profonda sulla superfice laterale del cervello, all’interno del solco 
laterale, che separa il lobo temporale dalla corteccia parietale inferiore. 
L’insula riceve differenti informazioni corticali e talamiche: la porzione anteriore 
dell’insula è in connessione con i nuclei ventro-mediali del talamo e con il nucleo 
centrale dell’amigdala; la porzione posteriore è connessa con la corteccia 
somatosensoriale secondaria, col nucleo ventrale infero-posteriore del talamo e con la 
porzione posteriore del nucleo ventro-mediale del talamo. 
 
Figura 8.1: l’area segnata e la sezione dell’insula
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L’insula svolge un ruolo fondamentale nell’elaborazione dell’esperienza 
emozionale soggettiva; essa, cioè, è preferenzialmente coinvolta negli aspetti 
valutativi, esperenziali o espressivi di stati emotivi generati internamente.  
Evidenze Sperimentali: 
1) Si ritiene che essa svolga un ruolo importante nel processo di mappatura degli 
stati viscerali associati ad esperienze emozionali. 
2) L’insula sembrerebbe partecipare alla valutazione della significatività di 
sensazioni enterocettive emozionali in modo da fungere da sistema di allarme 
per pericoli percepiti internamente o per cambiamenti omeostatici. Questa 
ipotesi è sostenuta dall’evidenza che l’attivazione insulare aumenta in risposta a 
tutti gli stimoli negativi che evocano sensazioni viscerali/somatiche. 
1.4     BRAIN IMAGING 
La risonanza magnetica funzionale, la PET, la SPECT, la magnetoencefalografia sono 
tra le tecniche più usate per verificare la reazione del cervello di una persona in preda ad 
un’emozione. Queste tecniche misurano principalmente l’afflusso di sangue nelle varie 
regioni cerebrali. Le aree attive del cervello usano maggiore energia e quindi richiedono 
un più elevato rifornimento di ossigeno e glucosio. Con l’uso di particolari marcatori, il 
brain imaging permette anche di rilevare la densità e le variazioni di concentrazione 
cerebrale degli agenti e delle microstrutture, come i neurotrasmettitori e i relativi 
recettori, attraverso cui si realizza la trasmissione dell’impulso nervoso, base di tutte le 
attività del cervello. Gli indici di attività del cervello e di densità degli agenti e delle 
microstrutture della neurotrasmissione vengono tradotti in scale di colore.
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1.4.1 RISONANZA MAGNETICA FUNZIONALE 
Con la risonanza magnetica funzionale (fMRI, functional magnetic resonance imaging), 
non soltanto è possibile vedere immagini relative a sezioni trasversali del corpo umano, 
ma anche osservare come il cervello processi differenti mansioni. 
In particolare la risonanza magnetica funzionale è una tecnica di imaging biomedico che 
consiste nell’uso dell’imaging a risonanza magnetica per valutare la funzionalità di un 
organo o un apparato, in maniera complementare all’imaging morfologico. 
La risonanza magnetica funzionale è uno strumento destinato a rivoluzionare il mondo 
della diagnostica a immagini in quanto permette si osservare cosa accade ad esempio 
all’interno del cervello mentre l’organo compie normali azioni come il pensare, provare 
emozioni o muovere gli arti. L’esame viene eseguito mostrando al paziente, grazie a un 
sistema ottico di proiezione, alcune immagini mentre è all’interno del tunnel. Il 
dispositivo quindi cattura e registra immagini relative a sezioni del cervello (MRI) 
insieme alla misura dell’attività neurale come variazione di concentrazione locale e 
temporale della quantità di ossigeno nel sangue e nei tessuti (fMRI). Alla fine il 
dispositivo produrrà immagini con zone colorate differentemente in modo da 
evidenziare i diversi livelli di attività in diverse zone del cervello.