Appunti integrati slide e lezioni, Elettromiografia di superfice e Startle reflex

Elettromiografia di superficie e Startle Reflex

Elettromiografia di superficie

Elettromiografia di superficie (EMG) permette di registrare la contrazione di buona parte dei muscoli del nostro corpo, con l’esclusione di alcuni muscoli profondi perché è difficile vederli in superficie.

• Utilizzo: in ambito sportivo, riabilitativo, neurologico, in psicofisiologia.
• Una categoria a parte sono i muscoli facciali che hanno un importante ruolo di comunicazione sociale.

In psicofisiologia le tensioni muscolari che si registrano sono molto deboli, Ss a riposo. La mancanza di peli su buona parte del viso umano facilita la comunicazione non verbale delle emozioni.

Rispetto ad altri approcci, l’EMG facciale permette di registrare anche contrazioni sottili dei muscoli apparentemente poco o niente visibili: metodo quantitativo utile.

Si usano elettrodi di superficie, non troppo precisi.

Modello FACS

Modello FACS – Sistema Facial Action Coding (Paul Ekman).

Emozione viene misurata attraverso elementi del corpo e contrazione di alcuni muscoli = si guarda l’espressione emozionale dei movimenti facciali.

Secondo la teoria esistono 7 emozioni di base → ognuna è caratterizzata da espressione facciale prototipica e comune in tutte le culture.

Modalità di registrazione: registrazione video del soggetto e valutazione di due o più esperti indipendenti. Classifica una espressione facciale ma non la qualifica:

• Felicitá: 2 muscoli.
• Tristezza: 3 muscoli.
• Sorpresa: 4 muscoli.
• Paura: 7 muscoli - aumento dell’occhio visibile, parte bianca: sclera, contrazione muscolo corrugatore e sopraccigliari, stiramento delle labbra e caduta della mascella ecc.
• Rabbia: 4 muscoli.
• Disgusto: 3 muscoli.
• Gioia: 2 muscoli.

N.B. tristezza, paura e rabbia hanno tutte attivazione del muscolo corrugatore, muscolo 4.

Non c’è isomorfismo

Tuttavia, oggi sappiamo che non c’è isomorfismo:

• Emozioni non sono totalmente universali.
• A un’espressione facciale non è per forza determinata da una singola emozione, dipendono da cultura o esigenza comunicativa/sociale.
• Si può mentire senza che ci siano movimenti facciali incoerenti.
• Tessuto connettivo nella faccia: se c’è contrazione anche piccola muscolare può non essere visibile in espressione facciale, si comporta come filtro passa basso.
• In alcune culture si sorride sempre per ogni emozione.

Come funzionano i muscoli - Anatomia

Funzioni

Funzioni - se attivati:

• Mantengono la postura.
• Producono movimenti riflessi.
• Producono movimenti spontanei e volontari.

Organizzazione

Organizzazione: organizzati in dimensione longitudinale, per il lungo, e sono formati da fibre muscolari con lunghezza da pochi mm a diversi cm e con diametro che va dai 10 a 100 um.

Ogni fibra è formata da miofibrille, i muscoli sono “striati” perché sono un insieme di queste, lunghe diversi cm.

Ogni miofibrilla è formata da sarcomeri: connessi l’uno all’altro in modo longitudinale determinano la lunghezza delle fibre in base a quanti ce ne sono, possono essere centinaia.

I filamenti possono essere:

• Grossi: fatti da fascio di miosina, proteina fibrosa.
• Sottili: fatti da actina, proteina globulare, contiene anche troponina e tropomiosina.

La loro contrazione muscolare accorcia la miofibrilla durante muscolo in movimento: una volta rilasciato il calcio, libera un enzima che scopre le teste dei filamenti che si agganciano e scorrono per contrarsi, sforzo dato dalla ATP.

I filamenti grossi possono scorrere sui filamenti sottili, sono in mezzo. I filamenti sottili aderiscono alle bande z, bande di confine tra un muscolo e l’altro.

Alla massima contrazione il sarcomero diventa la metà, si ha quando tutte le fibre sottili si sovrappongono alle grosse.

Il lavoro del muscolo dipende dalla contrazione di tutti i sarcomeri.

Motoneuroni e fibre muscolari

I motoneuroni innervano muscoli attraverso il raggiungimento della placca neuromuscolare che è collegata a più o meno fibre muscolari.

Rapporto motoneurone-fibre, rapporto di innervazione, importante:

• In muscoli grandi – motoneurone innerva fino a 2000 fibre muscolari, rapporto 1:2000. Esempio: bicipite.
• In muscoli piccoli – innerva 10 fibre, 10 fibre per un motoneurone, rapporto 1:10. Esempio: muscoli facciali, sottili.
• Se poche fibre per ogni motoneurone la contrazione è più veloce; se molte fibre la contrazione è più lenta.

Filamenti che permettono la contrazione:

• Di actina.
• Di miosina: ha teste che possono legarsi col filamento di actina.

Funzionamento del motoneurone

Funzionamento del motoneurone – come avviene la contrazione:

• A. Parte dal cervello, passa nella piramide bulbare controlaterale, da emisfero dx a sx, innervazione del muscolo.
• B. Nel muscolo, placca neuromuscolare, rilascia l’acetilcolina, apre canali voltaggio dipendenti del Na.
• C. Il Na depolarizza la membrana postsinaptica, il potenziale postsinaptico eccitatorio fa partire MAP, onde di depolarizzazione.
• D. I MAP aprono i canali del calcio, Ca; Ca si lega alla tropina che libera le teste di miosina.
• E. I due filamenti actina e miosina si “legano” e consumano ATP; actina è libera di scorrere sulla miosina; contrazione muscolare.

Tipi di contrazione

• Isotonica: a carico costante, implica accorciamento delle fibre muscolari, es. sollevare o spostare un caso. La forza di contrapposizione è costante al carico e quindi si contrae il muscolo creando movimento.
• Isometrica: a lunghezza costante, la contrazione non comporta variazioni di lunghezza delle fibre muscolari, avviene stando fermi/seduti, es. applicare una forza contro una resistenza fissa. Es. spingere le mani una contro l’altra; c’è forza ma non si muove nulla, la resistenza è fissa.

Tipi di fibre muscolari

Veloci-bianche (IIb):

• Si attivano quando c’è contrazione più lenta, ovvero dopo la reclutazione di tutte le fibre a contrazione lenta.
• Innervate da motoneuroni alfa, fortemente mielinizzati quindi con velocità alta di 100 m/s.
• Pochi mitocondri e quindi poche capacità aerobiche.
• Usano soprattutto attività di tipo glicolitica, anaerobica = ottengono ATP dal glucosio, 1 glucosio → 2 molecole ATP.
• Consumano glucosio, produce ATP ma poca.
• Quando si esaurisce l’ATP si crea un sottoprodotto che è acido lattico, dona energia ma lento da smaltire.
• Hanno 2-3 volte più forza delle fibre lente.
• Durata breve. Capacità di resistenza è alta = possono dare tanta potenza ma limitata nel tempo.

Rosse e lente (tipo I):

• Più sottili delle bianche.
• Hanno più glicogeno, riserva energetica, zuccheri ed enzimi.
• Più mitocondri e quindi processi aerobici: produzione e uso completo di tutta l’ATP, molecola di glucosio dà molte più molecole di ATP.
• Hanno mioglobina, permette più capacità di accumulo di ossigeno, e più capillari.
• Consente azione prolungata nel tempo senza affaticamento, possono aumentare con allenamento.

Intermedie (IIa):

• Veloci e forti quasi quanto le IIb ma hanno più resistenza nel tempo.
• Incrementano con allenamento, vs IIb hanno forte componente genetica.

Segnale EMG e MAP

Segnale EMG – non implica solo un MAP ma un insieme di MAP, campo elettromagnetico d’insieme rilevabile sulla superficie della pelle = frequenza e numero di MAP che si vedono con EMG è direttamente proporzionale alla frequenza di scarica.

MAP - Potenziali di azione muscolare.

Eventi elettrici che si analizzano con la contrazione muscolare – attraverso EMG. Sono i principali generatori del segnale EMG di superficie.

Nascono con i canali del Na che si legano all’Ach e si attivano = producono spike molto veloce.

Ampiezza degli spike è misurata con EMG.

Molecole che bloccano le placche neuromuscolari e generano paralisi: molecole antagoniste che agiscono sui recettori nicotinici, dell’Ach, o bloccano la placca a livello presinaptico.

Botulino: blocca rilascio delle vescicole in presinapsi impedendo di fondersi con la placca neuromuscolare dopo l’apertura dei canali del Ca = non si rilascia Ach.

Registrazione elettromiografica - EMG

Elettrodi e impedenza

Elettrodi sono incapsulati in una coppetta in Ag/AgCl sul viso.

• Per medio-grandi muscoli elettrodi di 10 mm di diametro per usi generici, importante però controllare l’impedenza sotto i 5000 Ohm.
• Per piccoli muscoli circa 5 mm di diametro.
• Più grande è l’elettrodo e più segnale raccoglie.

Impedenza: deve essere mantenuta bassa sotto i 5000 Ohm con dermoabrasione o gel salino.

Cosa risulta dall’EMG:

• È una somma spazio-temporale di un insieme di MAPs.
• È un segnale che va da alcuni Hz a oltre 500 Hz.

Caratteristica del segnale EMG

Caratteristica del segnale EMG – variabilità alta: è ad ampio spettro.

• Ampiezza molto piccola, 10 mV, in psicofisiologia, anche se per muscoli grandi, perché interesse per piccole variazioni e piccole contrazioni devono avere alto guadagno = per contrazioni minime serve amplificare il segnale con amplificatore differenziale.
• Ampiezza grande, 0,5-1 mV, si usa in riabilitazione per pazienti che hanno perso un arto.
• Ha frequenze molto variabili, dai uV a mV.
• Segnale complesso sia per ampiezza che per frequenze che contiene.

Amplificatore da usare per EMG in psicofisiologia

Amplificatore da usare per EMG in psicofisiologia:

• Amplificatore differenziale.
• È AC, corrente alternata, perché segnali vanno da pochi Hz in su quindi non serve misurare sotto l’Hz; non interesse per corrente continua e così taglia le frequenze più basse raccogliendo meno artefatti.
• Ha alto guadagno, permette di ridurre molto il rumore ambientale: tipicamente 10.000, da un minimo di 5000 per tensioni medio-alte e max 20.000 per tensioni minime.

Filtri usati

Filtri usati:

• Passa-basso anti aliasing, dipendente dalla frequenza.
• Importanti perché se non filtriamo possiamo prendere solo la parte bassa dell’EMG.
• Per segnale puro ad ampio spettro senza deformazioni e segnale grande: campionamento della scheda va fatto a 500-1000 Hz.
• In psicofisiologia si fa elaborazione del segnale: invece che prendere un segnale super grezzo, che contiene molti spike/MAP, possiamo estrarre il segnale con integratore.
• Passa-alto: contro artefatti da movimento.
• Taglia frequenze da 2 a 20 Hz che eliminano artefatti da movimento più lenti, es. in attività sportiva.
• Si perde la banda bassa in cui generalmente ci sono pochi MAP.
• Se si contraggono poco i muscoli si usa un passa alto con però frequenze più basse, tipo 2-3 Hz.
• Filtro passa-banda: possiamo definirli insieme come banda larga se soggetto a riposo e campiono a frequenze anche alte; banda è stretta se il soggetto si muove e taglio a frequenze più basse.

Campionamento della scheda da 100 a 500 Hz, Sr 400-2000 Hz, tipico 200-250 Hz.

Se dal segnale EMG viene estratta l’energia media si può campionare a bassa frequenza 20-100 Hz, si usa Contour follower o circuito/integratore analogico: per raccogliere solo l’energia istante per istante e non i singoli MAP.

Ground-loops

Ground-loops sono problemi in registrazione di indici centrali e periferici o di più indici periferici se si usa più di una massa.

Avviene quando si posiziona:

• Massa sulla fronte per EEG.
• Una per il cuore ECG.
• Uno per il muscolo nella gamba.

Ci sono quindi 3 ground/3 amplificatori tra cui si crea un “loop a cerchio”, testa-cuore-gamba, circuito chiuso che raccoglie tantissimo rumore.

Come evitarlo: se si registrano più segnali bioelettrici, es. ECG e EMG, si usa un solo elettrodo di ground per tutti gli amplificatori.

Collegamento a stella = un singolo elettrodo/ground di massa all’ingresso si collega a quello degli altri amplificatori, VS a cerchio.

L’elettrodo di g