Appunti integrati slide e lezioni sistema cardiovascolare e HRV

Psicofisiologia dei processi cognitivi – emozionali

Prof. Alessandro Angrilli ricevimento solo su Zoom Mart 11.00-13.00 (alessandro.angrilli@unipd.it) Tel. 0498276692.

Manuale

• Partecipare ricerche online +1pt = esperimento.
• Per metodologia e registrazione degli indici: slides.
• Presentazione in aula di articoli 15-20 min +1pt.
• Cacioppo, J.T., Tassinary L.G., Bernston, G.G., “Handbook of psychophysiology”. Cambridge, UK (2007) cap 3,4,7,8,12,25 (slide Moodle).
• Esercizi in laboratorio non in gruppo.
• Esercitazioni, dimostrazioni e simulazioni in aula.
• Stegagno “Psicofisiologia: Dalla genetica comportamentale alle attività cognitive.” (2006) cap 3-4-5-6.
• 5 articoli su Moodle.

Esame

34 domande scelta multipla, 30 minuti. 4 possibili risposte, +1 giusta, -0,25 sbagliata, 0 omissione.

Storia psicofisiologia in relazione ai progressi tecnologici e confini della disciplina (no all’esame)

1600 – modello idraulico dei muscoli.

Luigi Galvani (1700) - primo a studiare il comportamento nel 1700 e come i muscoli vengono contratti.

Alessandro Volta (fine 1700) – inventa la pila per poter fare più esperimenti sugli animali (elettroneurofisiologia).

Charcot (metà 1800) – Francia e Germania erano i paesi principali per la neurologia = Neuropsicologia nasce nel 1800. Distingue sintomi del Parkinson e SLA e altri disturbi neuropsicologici. Studia isteria (che per lui era disturbo organico VS Freud) e la distingue dall’epilessia come sintomatologia. Introdusse l’ipnosi.

Salpetierre: inizialmente era un ospizio per malati gravi in condizioni insalubri, ma con Charcot diviene utile per ricoverare i disturbi mentali, come isteria (fu il primo a curare queste malattie), è presente la sua cattedra perché faceva lezione con donne isteriche che mostrava al pubblico = dimostrazioni dal vivo di attacchi epilettici e isteria.

Aveva una sezione di elettroterapia: studio dei campi elettrici per misurare risposte psicofisiologia delle persone.

Obiettivo – curare i malati con elettricità e studiare le variazioni di correnti elettriche nel corpo.

Pazienti messi in campi elettrici a correnti piccole (per pazienti con anestesie locali, parestesie) producendo pochi effetti (max placebo).

Vigoroux (metà 1800) – teoria della resistenza elettrica.

Abituazione: fenomeno che il segnale di resistenza elettrica si riduce nel tempo.

Non linearità: resistenza è inversa alla corrente (non diminuisce linearmente con la resistenza).

Pensava che dilatazione nascesse dai vasi sanguigni (invece è data da ghiandole sudoripare).

Ferè (1888) – riflesso psicogalvanico (indice di arousal, quantitativo di energia psichica).

Tarkhanov – studia l’indice potenziale cutaneo (elettricità elicitata dalla pelle legata al riflesso elettrogalvanico).

Leopoldo Nobili – crea il galvanometro: avvolgimenti di un solenoide con campo magnetico fisso e ogni volta che passa la corrente si orienta il campo magnetico che ne produce un altro e provoca una deflessione. Sono stati creati altri galvanometri più “leggeri”.

Fleming (1906) – inventore del diodo per i segnali radio.

Hans Berger (1929) – padre dell’elettroencefalografia (EEG) attraverso galvanometri innovativi.

Studia pazienti anche con lesioni cerebrali (frontali), le perseverazioni.

Psicofisiologia: una nuova branca scientifica

Sistema fisiologico ha funzioni:

• Sia omeostatiche (sottostanno a comportamenti automatici delle funzioni di base) es. pressione arteriosa.
• Sia extra omeostatiche (sottostanno ai comportamenti complessi).

Possono essere sia consapevoli ma anche spesso inconsapevoli, tuttavia, modificano continuamente il nostro stato mentale (es. neuroni, sforzo fisico).

Domini utilizzati in psicofisiologia:

• Soggettivo: quello che la persona riporta.
• Comportamento: quello che fa (è teso, movimento elevato, chiude occhi).

Importanza di comprenderli integrati nella persona. In base all’indice psicofisiologico usato si trovano informazioni diverse (solitamente se ne usa uno alla volta altrimenti troppo complesso).

Stern (1964) definisce la psicofisiologia come “qualsiasi ricerca in cui la variabile dipendente (risposta del soggetto) sia una misura fisiologica e la indipendente (fattore manipolato sperimentalmente) una comportamentale”.

“Psychophysiology” – prima rivista ufficiale (1964).

Sul primo numero vengono pubblicati 8 articoli di cui 5 usano l’indice di riflesso elettrogalvanico (conduttanza cutanea) ma oggi si usano principalmente altri indici (es. EEG).

Ma anche gli indici specifici cerebrali hanno dei problemi: aree cerebrali hanno tante funzioni e non solo una specifica, sono sempre in collegamento tra loro.

International organization of psychophysiology (IOP, 1982).

Branche vicine alla psicofisiologia

Psicologia fisiologica

1. Psicologia fisiologica: studia relazione tra fisiologia e comportamento con metodi invasivi in relazione a ormoni, sistema immunitario, SNA – utilizza animali e si manipolano caratteristiche del sistema nervoso per verificare cambiamenti comportamentali.

Metodi invasivi utilizzati:

• Ablazione: rimozione di parte del cervello (dell’animale).
• Stimolazione.
• Registrazione.
• Metodo anatomico.

Psicofarmacologia

2. Psicofarmacologia: ambito tra medicina e neuroscienze che studia l’effetto di sostanze, farmaci e droghe sulla psiche e sul cervello.

Si parte da molecole (recettori di membrana e neurotrasmettitori) fino a neurone, circuiti e effetti comportamentali su animali e sperimentazione umana.

Neurofisiologia

4. Neurofisiologia: settore neuroscientifico che studia fisiologia del sistema nervoso (cellule, tessuti, circuiti nervosi di collegamento tra strutture) attraverso tecniche elettrofisiologiche spesso studia il cervello in sé indipendentemente dal comportamento – utilizza animali e batteri.

Psicofisiologia

5. Psicofisiologia: studia relazione tra risposte fisiologiche e comportamento. Oggetto di studio = UOMO (no animali) attraverso tecniche che non alterano i processi con metodi non invasivi.

Manipolare comportamento con istruzioni o i processi psichici con stimoli e poi misura risposte fisiologiche (variab. Dip).

Neuropsicologia

6. Neuropsicologia: studio della base neurale delle funzioni mentali correlando i deficit specifici di pazienti con corrispondenti lesioni cerebrali. Oggetto di studio: UOMO.

Usa tecniche recenti: Metodo anatomo-clinico. Metodo di visualizzazione funzionale e attivazione del cervello (TMS, fMRI) che correlano, in soggetti sani, le aree attivate con processo cognitivo in esame (come per la psicofisiologia).

Misure elettrofisiologiche e non elettrofisiologiche

Misure elettrofisiologiche non invasive

• EEG: elettroencefalogramma.
• ERP: potenziali evento-correlati (utilizzati e molto manipolabili).
• ECG: elettrocardiogramma (come varia la frequenza cardiaca in base a compiti cognitivi, percettivi ed emotivi = nostre stimolazioni).
• HRV: heart rate variability (misura variazioni dell’attività cardiaca).
• TWA: t-wave amplitude.
• SPR: skin potential response.
• EMG: elettromiogramma, startle reflex.
• EGG: elettrogastrogramma.
• EOG: elettro-oculogramma.

Misure non elettrofisiologiche

Misure non elettrofisiologiche (con trasduttori: converte segnale meccanico/spostamento/temperatura/grandezza fisica in segnale elettrico).

• Pupillometria: eye tracker (dilatazione pupillare), blink rate (quante volte si chiude l’occhio).
• Frequenza respiratoria e volume respiratorio (con circonferenza toracica/addominale o soffio in un tubo).
• Pressione arteriosa.
• Cardiografia impedenza (esprime le dinamiche cardiache).
• Attività elettrodermica.
• Temperatura corporea.
• Saturazione dell’ossigeno (con elettrodi cutanei).
• Ftds.
• Misure salivari ormonali (cortisolo, ossigeno).

Caratteristiche distintive della psicofisiologia

1) Analisi e relazione tra più domini e a più livelli in ciascun dominio:

• Soggettivo, comportamentale, fisiologico.
• Nel dominio fisiologico più livelli: indici SNA, indici SNC, indici somatici, ormonali e immunitari.

2) Esperimenti solo su soggetti umani – letteratura animale è un riferimento fondamentale.

3) Metodi di indagine non invasivi perché descrivono meglio (rispetto a quelli usati dai medici che hanno bisogno accuratezza e velocità).

4) Variabile indipendente è una stimolazione o manipolazione di compito cognitivo, emozionale e comportamentale.

Variabile dipendente è un indice fisiologico.

5) In alcuni casi solo correlazione tra più domini (es. studio del sonno: stato alterato di coscienza).

Laboratorio di psicofisiologia: come funziona

Sistemi embedded (chiusi) – sono quelli moderni per EEG.

Prima si registra e si conclude l’esperimento, poi si analizzano i dati.

Campioni di 30-40 soggetti.

Ambiente di laboratorio

• Due stanze, uno sperimentatore sta dentro e l’altro sta dall’altra: una con poco rumore, luce controllata, ambiente tranquillo.
• Gabbie di Faraday – schermatura metallica nelle pareti (di carton gesso) della stanza sperimentale e scherma le frequenze alte (mentre quelle basse passano ovunque), utili in RMI e magnetoencefalografia.
• Poltrona comoda per eventuali compiti cognitivi (post sonno oppure post trattamento).
• Letto a una piazza e mezza.
• Schermo.
• Casse o cuffie acustiche per stimolazioni visive o uditive.
• Stativi: scatole di ingresso degli amplificatori o dei trasduttori. Si connettono gli elettrodi che hanno cavo lungo da 1-1,30m tra stativo e testa del soggetto (sono vicini al soggetto).
• Nel lab del sonno videocamera che registra anche al buio (con infrarossi).
• Cuffia (per EEG o altro) con cavi che si connettono con un unico connettore verso lo stativo.

Per registrare più canali (EEG, conduttanza ecc.) dovrò usare un sistema aperto che hanno quanti canali vogliamo.

• Computer che gestisce gli stimoli (semplici, complessi, più o solo uno, un compito cognitivo ecc.) e produce segnali di sincronizzazione col secondo computer.
• Computer per registrazione dei segnali fisiologici (quello che li gestisce invia le info su quando è stato presentato il segnale).

1. Questionari (es. verificare ansia di stato o di tratto, fobie) per capire il motivo di alcune reazioni fisiologiche.
2. Preparazione 20-40 minuti, si danno le istruzioni, registrazione di base.
3. Fase di esperimento 15 minuti.
4. Debriefing: per comprendere il soggetto cos’ha fatto e comprendere se sono stati presenti degli artefatti, spiegare cosa gli è accaduto.
5. Registrare i dati e analisi (anche a casa).

Fasi di gestione del biosegnale

1. Raccolta del segnale dal corpo (elettrodi o trasduttori).
2. Amplificazione e filtraggio.
3. Conversione analogico/Digitale e salvataggio.
4. Analisi di primo livello (correzione/scarto artefatti, elaborazione, riduzione dati, estrazione parametri rilevanti) presente solo in psicofisiologia.
5. Analisi di secondo livello: statistica (simile ad altri ambiti).

Corrente continua, corrente alternata e segnali bioelettrici

Corrente continua (DC): il flusso è unidirezionale e di intensità costante, permette di vedere anche segnali lentissimi.

Es. batterie sono generatori in dc a bassa tensione.

Corrente alternata (AC): il flusso varia periodicamente in ampiezza e in direzione – i poli cambiano alternativamente di segno (es. segnale sinusoidale).

La corrente di rete è alternata e ad alta tensione.

Maggior parte di segnali del nostro corpo (segnali bioelettrici) sono complessi, contengono spesso componenti alternate e continue, sono molto piccoli e deboli.

Segnali bioelettrici: EEG, ERP, EMG, ECG, EOG, EGG.

Segnali fisiologici che richiedono trasduttori: ad esempio misurano le proprietà passive della pelle, attività cardiaca principalmente.

Grandezze elettriche

Differenza di potenziale/tensione/voltaggio (V o E): forza che spinge la carica elettrica (differenza tra due punti a diverso potenziale) – misurata in Volt.

Corrente (I): quantità di carica elettrica che scorre nell’unità di tempo – misurata in Ampere (A).

Resistenza (R): resistenza offerta al passaggio della corrente (proprietà del materiale che impedisce il passaggio di corrente continua) – in Ohm.

Legge di Ohm: V = I x R; R = V/I.

Impedenza: è la resistenza al passaggio della AC (misura un buon contatto elettrodo-pelle).

Frequenza (f): reciproco del periodo – misurata in Hertz (Hz) o cicli al secondo, il periodo è misurato in ms o sec; f = 1/T inverso al T.

Periodo (T): tempo necessario per compiere 1 ciclo completo (sec o ms).

Segnali elettrici dell’organismo

I segnali elettrici prodotti dall'organismo e di interesse psicofisiologico provengono da cellule nervose o muscolari elettricamente attive e possono essere:

• Potenziali d’Azione.
• Potenziali pre e post-sinaptici (eccitatori o inibitori).
• Potenziali cardiaci.
• Intestinali muscolari (producono potenziali d’azione dell’Unità Motoria).

Caratteristiche: tutti i segnali elettrici hanno un'ampiezza nell'ordine del mV (milliVolt) o µV (microVolt).

Elettrodi e registrazione del segnale

Per questi si usano elettrodi di superficie:

• Riutilizzabili (da sterilizzare, usati in ricerca).
• Usa e getta (in ambito medico principalmente).

Hanno varie dimensioni, forme e tempo in funzione del segnale fisiologico da registrare: in un grafico l’ampiezza (V) è nelle ordinate, il tempo nelle ascisse (sec).

Sono fatti di materiale vario: argento (è antibatterico), stagno (più economici, per EEG), cloruro d’argento (migliori per registrazioni in DC o conduttanza cutanea contro l’effetto pila) o sinterizzati.

Gel o la pasta è tipicamente salino per condurre bene la corrente, possibilmente isotonico (stessa concentrazione di sale delle cellule del corpo, evita di disidratare il corpo). Scopo - migliorare il contatto tra pelle ed elettrodo e riduce rischio di artefatti.

Prima del gel si usa una dermoabrasione della pelle per rimuovere lo strato di cellule morte esterne che fa da isolante (si usa una pasta scrub).

Funzione degli elettrodi

• Abbassare l’impedenza di contatto (grazie al gel) per minimizzare i rumori raccolti dall’ambiente e quello degli amplificatori = artefatti gestibili.
• L’impedenza ottimale deve essere < 5-10KOhm (5000 Ohm).
• Impedenzimetro: misura l’impedenza fra due elettrodi, soprattutto usati per indici periferici.
• Diminuire gli artefatti da movimento: il gel fa da ponte che stabilizza il contatto e l’impedenza riducendo gli artefatti da movimento.

Misurare un segnale elettrofisiologico in un soggetto in movimento

Misurare un segnale elettrofisiologico in un soggetto in movimento: durante lo sport è difficile perché sudore è buon conduttore della corrente e crea un ponte.

È possibile solo per alcuni segnali con molti accorgimenti e sistemi Wearable (magliette con materiale elastico con elettrodi/sensori inseriti all’interno di vestiti, orologi, bracciali). Si può registrare EKG, EMG, EEG (ma quest’ultimo è poco affidabile) utile non tanto per lo sport ma per persone che fanno movimenti in condizioni ecologiche (es. guidare, a lavoro).

Misurare un segnale con poligrafo

Misurare un segnale con poligrafo: (ed es. lento).

In un sec vedo due oscillazioni con ampiezza (da picco alto a basso) di 10V.

Tempo (t) in ascissa.

Ampiezza (A) in ordinata.

Esempi di esercizi

2.3V a quanti mV e µV corrispondono?

6.18 mV a quanti V e µV?

Segnale di calibrazione di Berger (10Hz)

Usato per desumere che un intervallo di 1 sec comprende 10 cicli senza la carta millimetrata usa un segnale campione – conto 10 cicli = 1 sec. La frequenza dominante l’EEG è data dal numero di oscillazioni in questo intervallo.

Per misurare frequenza cardiaca e respiratoria

Per misurare frequenza cardiaca e respiratoria – La misura si fa su 1 minuto, si contano gli eventi cardiaci presenti (almeno 2 eventi vicini) in un minuto o gli atti respiratori.

Se intervallo è piccolo si usa cicli al secondo (battiti o eventi al min).

Come amplificare il segnale

Come amplificare il segnale: attraverso un triangolo.

Poiché i biosegnali prodotti dal corpo sono molto deboli, vanno amplificati, il simbolo di un amplificatore generico è indicato sopra. Può indicare un circuito inscatolato a valvola, a transistor o a circuiti integrati, ma può anche indicare una unità elettronica che è già un Amplificatore integrato, un OPAMP.

Amplificatore può essere usato in due configurazioni:

• Single Ended: con un solo ingresso (per amplificatori generici audio, da strumentazione, da misura = usato per trasduttori).
• In differenziale (per psicofisiologia e biosegnali deboli): due ingressi quasi identici (amplificatori) e 3 elettrodi.

Ingresso non invertente (il segnale esce senza inversione di segno).

Ingresso invertente (segnale esce con inversione di segno rispetto a quello in entrata).

Rumore che si raccoglie con un elettrodo viene sottratto dal rumore raccolto dall’altro elettrodo e il rumore su due elettrodi viene cancellato (toglie il rumore) e ciò che non è in comune (segnale debole tra due elettrodi) viene amplificato (la loro ampiezza va incrementata di molte volte per essere registrati e analizzati).

Guadagno = fattore di amplificazione (G) – è rapporto costante tra ampiezza del segnale in uscita e in ingresso G = V(outp)/V(input). Qualsiasi segnale in ingresso viene incrementato linearmente di G volte.

• Se guadagno è basso: segnale rimane debole e non visualizzabile.
• Se guadagno è troppo: segnale porta a saturazione le capacità di amplificazione e lo distorce.

Il segnale tra gli input (-) e (+) viene amplificato, il segnale comune (che disturba) tra G e (-) e tra il G e (+) viene cancellato.

Reiezione di modo comune (CMR): capacità dell’amplificatore di eliminare i disturbi comuni ai due ingressi differenziali mentre amplifica il segnale non comune (che sta sotto i due elettrodi) da registrare. È una caratteristica fissa dell’ampiezza (all’aumentare della frequenza, la reiezione peggiora).

Se ho il miglior bioamplificatore, la CMR peggiora molto con:

• Migliora molto con: Abbassamento di impedenze (es. <5KOhm).
• Facendo decorrere i fili vicini e paralleli.

Manten