Appunti Psicologia dello sport

Lezione 4 analisi dei dati biologici

Teoria di Fourier che consente di analizzare con grafici molto più semplici e le onde periodiche che descrivono i più diversi volendo fenomeni naturali; vissuto a cavallo del 1800 ed è una teoria che ha avuto degli sviluppi cioè è stata applicata in modo sempre più complesso anche a segnali più complessi e oggi si applica molto in dell'analisi dei dati biologici umani.

Le onde e i processi periodici

Le onde: vengono misurati i processi ciclici che si chiamano periodici quando si ripetono con forme d'onda uguali o simili nel tempo. La forma d'onda della foto: ci sono due cicli e sono uguali quindi questa parte di questa forma d'onda è sicuramente e un’onda periodica e le caratteristiche che la descrivono sono:

• L’ampiezza che è la distanza sul grafico che c'è fra l'asse dello zero e i picchi oppure le valli dell’onda
• La lunghezza d'onda che il tempo che l'onda impiega a effettuare un ciclo questo parametro di solito viene rappresentato col suo inverso cioè la frequenza cioè quanti cicli avvengono per quell’onda in un secondo e quindi si misura in hertz.

10 Hz significa un'onda che fa su e giù 10 volte in un secondo cioè fa 10 cicli in un secondo.

È una sinusoide c'è simmetria tra sopra e sotto e non ha doppio o triplo picco perché è l'onda più semplice che possiamo immaginare. È anche sinusoide perché attraversa lo zero all'istante zero.

Questi parametri si vedono ancora più chiaramente in queste tre onde che aumentano in ampiezza e tra le quali solo l’ampiezza dell'onda cambia tutti gli altri parametri sono uguali. Sotto le onde sono uguali per ampiezza cambia solo la frequenza cioè quanti cicli fa in una unità di tempo.

Altri due parametri uno banale che è quello della durata (si misura in secondi) e parametro più complesso e la forma dell'onda può assumere tantissime morfologie. Si parla in realtà di multidimensionalità.

Sull’ampiezza il parametro che la misura dipende da quello che stiamo misurando potrebbe essere qualsiasi altro parametro fisico o biologico che viene misurato.

Teorema e trasformata di Fourier

Il teorema di Fourier ci dice che un’onda periodica, cioè si ripetevano uguali nel tempo, di frequenza F0 è la somma di onde semplici sinusoidali che hanno frequenze tutte multiple intere di quella F0 (onde più complesse scomponibili nelle onde più semplici). Evoluzione del teorema e la sua trasformata per cui in onda anche non periodica quindi complessa che cambia nel tempo può essere scritta come somma di infinite (questa è la differenza) onde semplici tutte con frequenze da zero a infinito. Il teorema consente di determinare ad esempio l'ampiezza delle sinusoidi che formano un'onda periodica complessa.

Si può anche immaginare al contrario questo teorema cioè si parte da onde semplici le sommo e costruisco onde complesse. La sintesi di un'onda è il processo inverso l'analisi dell'onda del suono ecc. “Qualunque segnale periodico può essere scomposto nella somma di un eventuale termine costante e di segni sinusoidali, dei quali il primo, avente lo stesso periodo e quindi la stessa frequenza del segnale considerato, si chiama prima armonica o fondamentale, e gli altri aventi di periodi sottomultipli e quindi di frequenze multiple si chiamano armoniche superiori”.

Un'onda sinusoidale con una frequenza F zero e con la sua ampiezza un po’ superiore a 50 vedete qui se noi consideriamo anche quest'altra onda che ha ampiezza minore ma una frequenza maggiore esattamente tripla rispetto alla precedente; la frequenza deve fare su e giù tre volte mentre l'altra fa su e giù una volta sola. La somma di queste due onde → stiamo facendo la sintesi per capire l'analisi di Fourier otteniamo un'onda più complessa.

Significa al contrario che questa onda gialla più complessa è la somma delle due onde semplici quindi se scomponiamo secondo il teorema di Fourier l’onda gialla otteniamo queste due onde semplici come sulle componenti.

Da un’onda già complessa come questa e che abbiamo visto è la risultante di due onde semplici possiamo aggiungere un'altra onda ancora più complessa cioè la possiamo sommare a questa otteniamo questa onda. Somma di altre onde quindi c'è onda con frequenza maggiore ampiezza minore e quindi la sommiamo e otteniamo un’onda ancora più complessa. Onda complessa deriva da teoria di Fourier che è la somma di tutte le onde semplici.

Rappresentazione in tempo e nello spettro

Rappresentazione dell'evento in tempo ampiezza che è quella classica quella delle onde, abbiamo sull'asse delle x il tempo che scorre e sull’asse delle y l'ampiezza del fenomeno che stiamo registrando; è un fenomeno oscillatorio in questi casi quindi diciamo che è periodico se l'onda si ripete e ciclico.

Rappresentazione spettro dove sull'asse delle x c’è la frequenza mentre sull'asse delle y continua a esserci l’ampiezza. Spettro è frequenza ampiezza.

Onda con F zero uguale in questo caso 100 Hz la riga è alta esattamente 64 che è l'ampiezza dell'onda; cosa non ci dice quanto dura questa onda (Questi grafici servono a rappresentare medie di periodi es. 2 minuti) se l’onda è un seno oppure il coseno perché non ci dice nulla sulla fase dell'onda.

Un'altra onda ha ampiezza minore della precedente riga si ferma a 21 e ha una frequenza maggiore che vedete che fa anzi tripla, infatti, si trova a 300 è spostata da verso destra nello spettro; svolge 300 cicli in un secondo.

Con segnali non sinusoidali cioè quelli complessi cioè somma di onde semplici in questo caso sono necessarie più righe dello spettro per poterli rappresentare perché ciascuna di questa riga ci rappresenta una delle sue componenti. Nelle forme d'onda complesse lo spettro, che è quello che si ottiene applicando la tesi di Fourier, è la somma degli spettri d’onda singoli che compongono quella complessa.

Lo spettro è statico cioè non ci dice nulla sulla durata dell'evento cioè bisogna saperlo a priori e risolvere sempre una media di un periodo di tempo. Si può avere anche l’informazione del tempo aggiungendo l’asse Zeta dove vediamo l'evoluzione delle componenti del tempo. Con grafico in 3d o grafici a colori (intensità di essi) o con diverse grandezze → le Armoniche linee che sono presenti nei grafici ampiezza/frequenza, la prima si chiama fondamentale.

Nei segnali periodici le armoniche sono tutte multiple intere della fondamentale.

Applicazione di Fourier all’elettroencefalogramma

Applicazione tecnica di Fourier a elettroencefalogramma per capire ritmi cerebrali. C’è sistema reticolare ascendente chiamato anche formazione reticolare che composto da neuroni del tronco cerebrale che hanno proiezioni diffuse verso la corteccia. Queste proiezioni diffuse reggono l'attività dei neuroni talamo corticali cioè quelli che stanno nel talamo e nella corteccia che si parlano in modo molto diciamo frequente e continuo.

Il talamo che riceve questi impulsi dalla formazione reticolare profonda è quella che decide i nostri stati di coscienza, di stato sonno-veglia, costituisce un cancello per queste informazioni che vengono dal corpo che possono o non possono arrivare alla corteccia.

Ritmo Alfa con un’ampiezza abbastanza alta e una ampiezza più bassa dello stesso ritmo Alfa che allo stesso stimolo sensoriale che sta arrivando qui lo fa passare in modo non intenso mentre invece qui lo fa passare in modo più elevato. Una bassa potenza del ritmo alfa è potenza che fa passare meglio gli stimoli che vengono dalla periferia mentre un’alta potenza è un segnale che si registra quando ci rilassiamo; è associata una chiusura del cancello talamico per quanto riguarda le informazioni che vengono dal corpo mentre una bassa frequenza Alpha è associata a una apertura. Le informazioni sensoriali arrivano meglio alla corteccia quando il corpo è attivo e quindi quando non è rilassato cioè quando c’è frequenza Alfa più bassa.

Le informazioni che si registrano quando noi non agiamo sul cervello cioè lasciamo che ci mostri la sua attività spontanea, solo con elettroencefalogramma e magnetoencefalografia è possibile registrare questi ritmi che vanno dal Delta che si registra il sonno profondo quando non c'è attività cosciente non ci sono sogni che il ritmo più lento e più ampio passano per il theta 4/8 Hz quindi le onde qui se si applica un trasformatore di Fourier mostrano un picco tra i 4 e 8 Hz gli spettri che si osserva durante una durante l'addormentamento durante un suono forte, rilassamento, durante la meditazione e in parte anche durante attività cognitiva.

L'alfa che è un po’ più rapido cioè 9 14 Hz e si registra ad alta ampiezza quando soggetto e rilassato e a più bassa ampiezza quando invece aumenta un po' la sua attività perché si va verso il beta cioè 15 in cui invece il soggetto è sveglio ha una diciamo coscienza attiva e magari sta anche facendo qualche compito cognitivo.

Quando i ritmi sono più grandi (l’alfa e altri ritmi) cioè quando c'è più attività ad alta potenza tende a passare meno roba; durante il sonno profondo le informazioni che vengono dall'esterno non passano per niente. Registrabili solo attraverso EEG e MEG perché sono onde veloci cioè 10 Hz dell’Alpha in onda che fa su e giù 10 volte in un secondo e quindi c'è bisogno di una alta risoluzione temporale per potere registrare e impossibile registrare queste onde con la risonanza magnetica funzionale che ha una bassa risoluzione temporale; queste onde nel flusso ematico (misurato da fMRI e PET) non si vedono.

EEG e MEG, analisi nel tempo e nella frequenza

EEG e MEG → dell'analisi nel tempo e nella sua frequenza, vediamo un’onda della quale non riconosciamo quasi per niente la risposta allo stimolo. Se facciamo questa accoppiata fra stimolo e registrazione tante volte per esempio 100 volte poi facciamo quello che si chiama everheiging (?) cioè sommiamo le onde di queste 100 volte che abbiamo dato lo stimolo al soggetto e quello che otteniamo è un’onda pulita dove si vede chiaramente la risposta allo stimolo sensoriale che è stato somministrato.

Evento correlato → è la risposta del cervello a un qualcosa che abbiamo associato artificialmente e registriamo una risposta. È una risposta correlata all’evento cioè lo stimolo mandato al soggetto.

Segnali chiamati evento correlati, qui l'evento era la stimolazione fs=campi magnetici perché si possono fare anche con la Meg. Questo è nascosto nell'attività spontanea quella che abbiamo visto prima nei ritmi.

I ritmi cerebrali ci sono ci sono per lunghi periodi di tempo durante il sonno profondo e non sono l'evento correlate ma sono spontanee è la risposta spontanea ad uno stato del soggetto duraturo, invece l'evento correlato è associato a un evento puntiforme cioè un evento ben delimitato nel tempo in questo caso un suono con la sua onda che è l'attività evento correlata a quello stimolo che abbiamo somministrato. È sempre il cervello che produce queste onde e quindi questa attività sta anche dentro l’attività spontanea però dal punto di vista tecnico noi non riusciamo a vederla.

Dobbiamo effettuare cento prove mediare il segnale in modo che il rumore, il ricercatore prende le onde e le allinea tutte secondo lo stimolo che ha dato, fa la media ed esce fuori questo ma l'attività Alfa che vediamo qui non è non è sincrona. I segnali vanno per conto loro non sono sincronizzati fra di loro. Sia il rumore sia l'attività spontanea del soggetto, si fa la media delle cento tracce è nulla e rimane solo quella che è esattamente dovuta alla stimolazione sensoriale che abbiamo dato.

Ritmi cerebrali e spettro

Se si prendono i ritmi cerebrali applichiamo il teorema di Fourier applicato all’elettroencefalogramma, otteniamo uno specchio come questo. Le lettere sono proprio i ritmi cerebrali, in soggetto sveglio il ritmo dominante a 10 Hz cioè l’Alpha cioè soggetto in veglia rilassata neuroni parlano con altre parti del cervello alla frequenza di 10 Hz, il ritmo Delta è quello più a bassa frequenza ed è quello che si misura durante il sonno profondo.

Vi è un allargamento dello spettro che va da uno a 15 e vedete che il ritmo Alfa è abbastanza importante e si riconosce anche un Alfa uno Alfa due Alfa tre cioè una suddivisione dell’Alfa.

Individual Alfa frequency che è un picco dell’Alfa che si sposta a seconda del soggetto, i picchi non sono alla stessa frequenza (spostati verso destro verso sinistra) e più o meno ampi.

Aspetto EEG i ritmi cerebrali tendono a sincronizzarsi in alcune condizioni quindi ad aumentare di ampiezza e a desincronizzarsi in altre situazioni e quindi a diminuire l'ampiezza; cioè se tutte le creste del delle onde Alfa avvengono tutti nello stesso momento quindi si sincronizzano il ritmo Alfa aumenta di ampiezza perché le potenze dei singoli ritmi prodotti nelle varie parti del cervello si sincronizzano cioè avvengono in un momento uno a poco dopo e l'ampiezza dell'Alfa diminuisce perché non riescono a sommarsi tutte nel loro momento migliore (applauso sincronizzato o applauso al suo ritmo).

Nella seconda metà del 900 scoperto (sincronizzazione ERS e desincronizzazione ERD evento correlate) che quando una persona fa un momento già prima nel cervello vi è una desincronizzazione dei ritmi cerebrali, cioè diminuzione d’ampiezza fino a quando non viene effettuato il movimento e di nuovo desincronizzazione ERS dopo il movimento → concetto evento correlato.

Calcolo di quanto l’ampiezza aumenta o diminuisce in percentuale rispetto al livello di baseline e riflette di nuovo anche l'apertura chiusura del cancello, quando cancello talamico è aperto allora significa il ritmo è basso e quindi il segnale il comando motorio passa velocemente va verso l'esterno quando invece il cancello è chiuso il comando motorio non passa più e conclude il movimento.

Baseline, task e movimento

Baseline: l'attività del cervello non si misura mai in termini assoluti ma sempre in termini relativi quindi si fa sempre il confronto fra una baseline che di solito è un cervello a riposo rispetto a quello che stiamo facendo e il momento invece che ci interessa che spesso si chiama task cioè il compito e si fa un rapporto fra il task e la baseline. Poco prima che il soggetto fa il movimento questo livello diminuisce come si vede dalle onde e come si vede da questo grafico che rappresenta l'inviluppo di questi onde cioè unisce tutti i picchi di queste onde quanto sono ampie; è minimo poco prima del movimento e poi aumenta quando il soggetto torna a riposo ma quando torna in situazione di riposo addirittura può aumentare di più rispetto alla condizione di baseline, subito dopo il movimento c'è un ulteriore rilassamento.

Baseline è il termine di paragone con cui paragoniamo il movimento o il prima del movimento rispetto a un momento che noi consideriamo di controllo; è stato scoperto che nel cervello succede qualcosa già da prima che il soggetto decida di muovere.

Cancelli talamocorticali

Cancelli talamocorticali i segnali del cervello dell'uomo vengono diciamo dal basso vengo dal midollo spinale, per tronco dell'encefalo e poi per diventare coscienti per poter essere diciamo elaborati in modo appropriato devono arrivare la corteccia o alle aree sottocorticali. Per arrivarci devono superare il cancello del talamo che una tappa obbligata per le informazioni uditive visive store sensoriali e il cancello può essere aperto o chiuso. Se dormiamo sonno profondo il cancello è chiuso, se c'è un suono neanche lo sentiamo.

Onde ampie significa cancello chiuso. Questo discorso si può fare se guardiamo solo l'alfa senza i ritmi più lenti del sonno; quando l'alfa ha una maggiore ampiezza il cancello è più chiuso ma non del tutto, un segnale sensoriale che arriva avrà un’ampiezza attenuata. Un segnale che arriva mentre l'alfa è basso cioè mentre noi siamo attivi siamo attenti a quello che ci accade intorno avrà come risultato un’attività cerebrale più ampia. Questo dipende dal fatto che nel talamo i segnali vengono filtrati e possono passare oppure no; sistema reticolare.

Altre tecniche strutturali

Altre tecniche strutturali i raggi X, che non differiscono molto dalla tac, e poi la risonanza magnetica strutturale. I raggi X e la tac: la tac sono tante acquisizioni di raggi X fatte da angolazioni diverse, ci sono più informazioni, più punti di vista che vengono presi della parte di cui si vuole fare l'imaging e si basano sull’assorbimento dei raggi X che è una radiazione elettromagnetica come lo è la luce ad alta frequenza però una frequenza maggiore di quella della luce maggiore dei raggi ultravioletti però minore dei raggi gamma.

Vi è l’assorbimento dei tessuti di questa radiazione elettromagnetica e l'attenuazione dell’intensità del fascio di raggi dipende sia dal tessuto che viene attraversato perché tutti hanno gradi di assorbimento diverso che dalla intensità della radiazione. Serve quindi a dare delle fotografie delle immagini statiche della area per vedere lesioni, le alterazioni come tumori. Il fascio di raggi x che attraversa l'oggetto da visualizzare sarà attenuato in funzione del numero atomico dei materiali c