Appunti esame psicofisiologia clinica

Psicofisiologia clinica

Introduzione alla psicofisiologia clinica

La psicofisiologia clinica studia le modificazioni dei processi biologici nel corso dei diversi disturbi psichici e psicosomatici, operando non più in un setting di laboratorio con soggetti sani, ma in ambito clinico con pazienti affetti da disagio psichico o psicosomatico.

La psicofisiologia è quindi un ambito in cui si indagano gli aspetti clinici psicopatologici mediante quelli che sono gli indici elettrofisiologici, i cosiddetti biosegnali come ad esempio i potenziali d'azione, l'elettroencefalografia e così via.

I biosegnali

I biosegnali sono segnali che vengono generati da organismi, da strutture biologiche, e le informazioni che questo tipo di segnale ci consente di acquisire sono delle informazioni sul sistema, la struttura o il processo fisiologico che ha generato quel segnale.

In psicofisiologia clinica studiamo i biosegnali perché le informazioni che ci danno possono fornirci un indicatore clinico diagnostico sulla condizione magari di normalità o di patologia del funzionamento dell'organismo, della struttura che ha generato questo segnale.

Per cui l'aspetto fondamentale del segnale è il suo contenuto informativo, quindi dobbiamo immaginare che ogni volta che parliamo di EEG, ECG, EOG, conduttività cutanea dobbiamo pensare al fatto che stiamo facendo delle misurazioni per ottenere informazioni dal segnale.

È importante comprendere che l'aspetto informativo del segnale è nelle sue variazioni; un parametro che rimane fisso e che non è variabile non fornisce in realtà nessuna informazione a chi lo sta misurando, perché la misura sarà sempre la stessa per cui non fornirà informazioni di particolare interesse.

Variazioni nel tempo

Normalmente, quindi, quello che si guarda di un segnale sono le variazioni della grandezza fisica che stiamo misurando in uno specifico dominio e questo dominio all'interno del quale variano le grandezze dei biosegnali è normalmente il tempo, quindi noi andiamo a guardare la variazione del segnale nel tempo.

I segnali generati dal nostro organismo possono essere di natura diversa e forniscono quindi informazioni diverse. Lo stesso fenomeno può essere studiato anche attraverso indici di natura diversa, attraverso segnali di natura elettrochimica, come EEG, EMG, ECG, EOG, ma anche segnali meccanici, che contemplano misure di pulsazione, flussi, come può essere quello del flusso sanguigno o del battito cardiaco, o anche segnali termici ecc.

L'importanza della misurazione

Quello che è importante è che in tutti questi segnali, di qualsiasi natura essi siano, quello che si va a guardare è la variazione dell'unità di misura che si sceglie e che è definita dal nostro strumento di misurazione.

I biosegnali sono quindi gli strumenti di misura che si utilizzano nella psicofisiologia clinica; un dato elettrofisiologico, esempio pratico è l'ECG, sono tutti quei tipi di segnali in cui noi andiamo a registrare dei potenziali.

Qualsiasi segnale che viene da un organismo viene misurato in microvolt, quindi in voltaggi. Il microvolt, il volt, il voltaggio, è una differenza di potenziale e questo è importante da ricordare, quindi qualsiasi cosa viene registrata attraverso il microvolt sta registrando una differenza di potenziale, differenza di potenziale che deriva dall'attività corticale.

Comunicazione neuronale

Noi sappiamo che i neuroni comunicano tra loro, quindi tutto qualsiasi processo avviene a livello cognitivo, sensoriale, percettivo nel cervello e che ci fornisce la consapevolezza di noi stessi e la capacità di interpretare la realtà deriva tutto dalla comunicazione tra neuroni.

Tutto quello che riguarda la nostra esperienza cosciente è mediata dall'attività corticale, noi siamo il funzionamento del nostro cervello. I neuroni comunicano tra loro attraverso segnali elettrici e sono questi ultimi che andiamo a registrare.

Il segnale viene rilevato dall'organismo normalmente attraverso elettrodi per quanto riguarda i segnali bioelettrici, mentre con altri tipi di sensori, trasduttori o sonde nel caso di altri segnali, dai quali si ottiene un potenziale d'azione, una corrente o una carica elettrica che è un segnale analogico che va convertito in digitale per accedere all'elaborazione.

Acquisizione e elaborazione del segnale

Quindi la fase di acquisizione prevede la presenza di una sorgente, una trasformazione, una traduzione del segnale in voltaggi, come nell'EEG, dopodiché normalmente sono previsti dei processi di amplificazione del segnale e di filtraggio e prima di passare ad aspetti di elaborazione in quanto tale viene fatta la conversione analogico-digitale che consiste nella discretizzazione del segnale, quindi nel passaggio di una rappresentazione del segnale continua ad un segnale discreto in bit.

Si passa poi dalla fase di acquisizione ad una fase di elaborazione del segnale in cui normalmente vengono applicati ulteriori filtri e in cui vengono rilevati gli eventi effettivamente rilevanti ai fini dell'indagine che si sta attuando, dell'informazione che si vuole ottenere.

In questa fase quindi si estrapolano dal segnale totale solo le parti, gli aspetti che sono rilevanti ai fini della misurazione che vogliamo andare a fare. Tutta la parte di acquisizione e di elaborazione del segnale è volta primariamente a migliorare il rapporto segnale su rumore ai fini di poter estrarre il maggior numero di informazioni e soprattutto informazioni il più possibile affidabili.

Rapporto segnale-rumore

Il concetto del rapporto segnale su rumore è un concetto molto importante soprattutto per quanto riguarda i dati di elettrofisiologia perché spesso i tracciati elettropoligrafici che siano di EEG, EOG, ECG, ecc. possono essere ricchi di molto rumore.

In un tracciato non filtrato vedremo che al segnale a cui siamo interessati è come se fosse sovrapposto un altro segnale molto più rapido, molto più casuale che va a sporcare in qualche modo il segnale che dobbiamo analizzare.

Questa tipologia di sporcizia è definita rumore, è rumore elettrico, perché è un'attività sovrapposta ad una frequenza più alta al segnale che ci interessa e che oscura il dato e la capacità di trarre informazioni dal segnale.

È per questo che applichiamo i filtri, ma in questo passaggio è molto importante ridurre al minimo e ipoteticamente evitare la perdita di informazione, perché è ovvio che nel momento in cui io vado ad eliminare e a filtrare il mio dato sto eliminando una parte del segnale e devo essere certa che sia una parte del segnale a cui non sono interessata, altrimenti rischio di perdere alcune informazioni a cui in realtà sarei interessata.

Rimozione degli artefatti

Quindi gran parte della fase di processamento del dato, soprattutto nel caso di dati elettrofisiologici, è mirata alla rimozione di artefatti, gli artefatti sono proprio quegli elementi che sono presenti all'interno del segnale, ma che non fanno parte di quella porzione di segnale a cui siamo interessati e da cui vogliamo trarre informazioni, quindi creano rumore.

Gli artefatti possono essere in questo genere di segnali prevalentemente di natura elettrica, ma questa natura elettrica può essere endogena oppure esogena, di natura esogena nel senso che si parla di altri segnali elettrici in ingresso che non arrivano dall'organismo, ma che vengono semplicemente trasmessi dal sistema di acquisizione o da altri elementi elettronici, come cellulari presenti nella stanza, oppure possono essere endogeni, come ad esempio un attacco epilettico.

Un attacco epilettico è un artefatto di natura elettrica endogena, ed è un problema che ci si trova ad affrontare spesso se si lavora con EEG intracranico con pazienti epilettici.

Gli artefatti non sono solo di natura elettrica, ci sono anche artefatti di movimento, perché sull'EEG e su qualsiasi tracciato di questo genere, anche i muscoli creano una differenza di potenziale che viene registrata da elettrodi posti sulla cute, per cui gli artefatti di movimento sono piuttosto comuni nei tracciati EEG e non solo.

Ci sono altre tipologie di artefatti di natura termica che possono incidere sulla forma del segnale che vediamo, ma anche sulla capacità dello strumento di acquisire il dato.

Strumenti per l'acquisizione dei biosegnali

Tra gli strumenti per l'acquisizione dei biosegnali troviamo:

• Elettroencefalogramma (EEG): ha la sua utilità sia come strumento per la registrazione dell'attività cerebrale spontanea, sia per lo studio dell'attività cerebrale in risposta all'ambiente, quindi i potenziali evocati.
• Magnetoencefalografia: una tecnica equivalente all'EEG, ma che invece di registrare il campo elettrico generato dai potenziali d'azione studia il potenziale magnetico, il campo magnetico generato dalla variazione del potenziale elettrico dovuta al potenziale d'azione.
• Elettrocardiogramma (ECG) e elettromiogramma (EMG): in particolare ECG e attività elettrotermica misurano l'attività del sistema nervoso periferico autonomo, l'elettromiografia misura la contrazione muscolare.
• Elettroculografia: riesce a darci molte informazioni, da una parte è molto utile rispetto all'identificazione di alcuni stadi del sonno e dà informazioni molto interessanti anche su alcuni processi indiretti che riguardano l'attenzione, la focalizzazione dell'attenzione, e altri processi cognitivi possono essere in qualche modo indirettamente studiati attraverso la discrezione dei pattern dei movimenti oculari.

Ci sono poi le tecniche di stimolazione, come la stimolazione magnetica transcranica e la stimolazione transcranica con corrente elettrica. L'idea è quella di vedere come è possibile ottimizzare le tecniche di stimolazione per andare ad interagire con l'attività corticale e vedere come la reazione a specifiche interazioni tra stimolazione e attività corticale può fornire da una parte ulteriori informazioni circa il sistema e la fisiologia che stiamo andando a studiare, dall'altra possono rivelarsi utili strumenti terapeutici, proprio perché sono in grado di modulare e modificare la fisiologia corticale.

L'elettroencefalogramma (EEG)

L'elettroencefalogramma permette la registrazione dell'attività neurale che si può ottenere anche in maniera evocata, e questo è il metodo di elezione nello studio della psicofisiologia, perché si tratta di andare ad analizzare e trarre informazioni da una misura dell'attività corticale che è la misura principe dalla quale possiamo ottenere informazioni sul funzionamento del cervello e su quali processi all'interno della comunicazione neurale possono essere alterati in specifiche patologie.

L'identificazione di specifiche alterazioni nell'attività corticale può fornire indicazioni rispetto a meccanismi patologici che effettivamente sono coinvolti non solo rispetto ad alterazioni strutturali in cui magari la risonanza magnetica potrebbe essere superiore come meccanismo di indagine dello status cerebrale, ma quando si tratta di alterazioni funzionali, ovvero legate a come funziona, a come si attiva e a come comunicano i neuroni più che alla presenza o meno di sostanza grigia o sostanza bianca.

Quando parliamo di alterazioni funzionali in contrapposizione ad alterazioni strutturali intendiamo per alterazioni strutturali quello che può essere ad esempio il processo di neurodegenerazione in una patologia neurodegenerativa, l'Alzheimer prevede la neurodegenerazione corticale per cui in funzione dello stato della patologia noi avremmo che aree progressivamente sempre più estese subiscono il processo di degenerazione e quindi se vogliamo sapere quali sono le aree in cui avviene il processo neurodegenerativo ha più senso andare a guardare le neuroimmagini, quindi segnali che arrivano attraverso l'interazione con l'ambiente e quindi con i campi elettromagnetici della risonanza magnetica, mentre se siamo interessati a capire se ci sono delle aree il cui funzionamento è alterato e quindi solo quando sono coinvolte in specifici compiti magari, allora l'EEG diventa lo strumento d'elezione.

In questi casi l'EEG diventa lo strumento d'elezione perché ha di molto superiore rispetto alle altre tecniche di neuroimmagini la risoluzione temporale, l'EEG permette di acquisire il segnale elettroencefalografico istantaneamente e con una risoluzione temporale che va in funzione delle caratteristiche della strumentazione ma che normalmente è all'interno dei millisecondi e quindi permette una descrizione della risposta cerebrale molto puntuale ed in intervalli di tempo effettivamente ristrettissimi.

Il punto di forza dell'EEG è la sua risoluzione in termini temporali, l'importanza del segnale è quella di poter trarre informazioni rispetto alla sua variazione nel tempo, per cui quando sono coinvolti processi fisiologici, come quelli che determinano l'attività corticale che prevedono variazioni in istanti di tempo molto brevi, come quello che riguarda i processi cognitivi effettivamente l'EEG è il sistema preferenziale.

Il punto debole dell'EEG rispetto a tecniche quali la risonanza magnetica o la PET è invece la sua risoluzione in termini spaziali, in cui tecniche di neuroimmagini sono molto più elevate, per questo quando dobbiamo andare a studiare alterazioni strutturali, quindi a livello spaziale e quindi abbiamo bisogno di un'elevata risoluzione spaziale, ovvero la capacità di andare molto precisamente a localizzare una lesione o un processo neurodegenerativo in un'area, strumenti quali risonanza magnetica o PET sono superiori, mentre quando siamo interessati a variazioni funzionali è più indicato l'EEG o una commistione delle tecniche, oggi dove è possibile spesso si punta all'integrazione di queste tecniche.

La scoperta dell'EEG

Quello che fa l'EEG è registrare attraverso elettrodi posti superficialmente sullo scalpo l'attività elettrica di popolazioni di neuroni.

Il primo che si rese conto di come sia possibile rilevare l'attività elettrica cerebrale generata dai neuroni è stato Richard Canton, nel 1875, che studiando gli animali ha scoperto che posizionando due elettrodi sulla superficie cerebrale dei due emisferi, oppure un elettrodo sulla superficie cerebrale e un altro sullo scalpo, era possibile, se si connettevano questi due elettrodi ad un galvanometro, strumento che misura le differenze di potenziali, registrare delle correnti elettriche, quindi delle variazioni di potenziale, e si rese conto che la corrente generata dal cervello era effettivamente diversa, le variazioni di voltaggio che si registravano dal cervello variavano in termini di ampiezza e frequenza durante il sonno o quando l'animale muore e che nel momento in cui l'animale moriva l'attività elettrica registrata dalla strumentazione scompariva.

Questo è il primo dato che la ricerca scientifica ha trovato rispetto alla possibilità di andare ad indagare l'attività corticale attraverso lo studio dei potenziali elettrici che potevano essere registrati dallo scalpo.

Asperger, a cui viene attribuita la scoperta dell'EEG e delle onde alfa, è stato il primo ad aver applicato la stessa tecnica di Canton all'uomo e ha scoperto che registrando l'attività corticale attraverso elettrodi era possibile andare ad indagare e trovare dei pattern di attivazione, quindi delle caratteristiche specifiche del segnale che potevano dare informazioni rispetto allo stato del sistema cervello in quel momento.

L'EEG registra l'attività di ampie popolazioni neuronali che si trovano nelle aree sottostanti l'elettrodo e quello che registra all'atto pratico sono esattamente i potenziali che partono a livello corticale e che fluiscono perpendicolarmente rispetto allo scalpo.

L'elettrodo di registrazione ha una sensibilità che è molto maggiore per flussi di corrente, campi elettrici che sono perpendicolari rispetto all'elettrodo stesso, visto che l'elettrodo è posizionato sulla superficie dello scalpo sarà più sensibile e registrerà maggiormente tutti quei potenziali che effettivamente arrivano lungo la traiettoria perpendicolare rispetto all'elettrodo stesso.

L'EEG misura una differenza di potenziale, misura dei voltaggi che non sono altro che differenze di potenziale, mentre nel potenziale evocato quello che viene registrato è la differenza di potenziale che c'è tra l'interno e l'esterno della cellula; infatti si parla del potenziale di membrana, nell'EEG quello che si va a misurare è la differenza di potenziale che c'è tra un elettrodo attivo che si mette nell'area a cui siamo interessati di registrare l'attività corticale, e un altro elettrodo che viene definito neutro o passivo, e che funge da referenza.

Una strumentazione EEG per la registrazione prevede almeno la presenza di due elettrodi anche se in realtà acquisiamo l'informazione da un solo elettrodo, perché quello che andiamo a registrare è la differenza di potenziale che c'è tra questi due elettrodi, in questo caso si parla di montaggio monopolare.

Nel caso in cui invece, cosa che si utilizza molto nella clinica, siamo interessati a guardare la differenza che c'è tra due aree attive si utilizza un montaggio bipolare. Questa tipologia di montaggio si utilizza anche per la registrazione, ad esempio dei movimenti oculari e per la registrazione dell'elettromiografia e in questo caso si posizionano due elettrodi su due aree a cui siamo interessati e misurare la differenza di potenziale che c'è tra queste due aree.

La differenza di potenziale noi l'avremo tanto maggiore quanto più le due aree che stiamo misurando mostrano un'attività diversa. Per cui se io calcolo una differenza di potenziale mettendo due elettrodi molto vicini io non troverò...