Metodi di psicofisiologia e neuroimaging nella clinica e nelle neuroscienze cognitive

Indice

• Oculometria 1-24
• EEG fondamenti 24 – 44
• EEG e potenziali evento relati 44 – 60
• EEG e oscillazioni neurali 60 – 71
• MRI 71 –
• Segnali intrinseci
• Pupillometria
• Biomarcatori
• Biomarcatori traslazionali (translational biomarkers)
• Biomarker data mining

04-03-2026

Oculometria

L’eye tracking è una tecnologia che misura il movimento degli occhi e il punto in cui una persona sta guardando.

Le origini dell'eye tracking risalgono al 1879, quando l’oculista francese Louis Émile osservò tramite uno specchio che gli occhi dei lettori non scorrono fluidamente attraverso il testo durante la lettura, ma compiono movimenti rapidi (saccadi) alternati a brevi pause (fissazioni).

Questi studi si basavano su osservazioni a occhio nudo, in assenza di una tecnologia più avanzata.

Nel 1908, Edmund Huey costruì il primo dispositivo di eye tracking.

Questo primo eye tracker era molto invasivo, poiché i lettori dovevano indossare una sorta di lente a contatto con una piccola apertura per la pupilla. La lente era collegata a un indicatore che cambiava posizione seguendo i movimenti dell’occhio. Per ridurre questo disagio, Huey somministrava loro cocaina, che all'epoca veniva utilizzata come agente desensibilizzante.

Huey pubblicò le sue scoperte nel libro The Psychology and Pedagogy of Reading.

La svolta nello sviluppo della tecnologia di eye tracking iniziò con Charles H. Judd. Egli utilizzò fasci di luce che venivano riflessi sugli occhi e registrati su pellicola. La telecamera era in grado di registrare i movimenti orizzontali e verticali degli occhi.

Basandosi sull’innovazione di Judd, Guy T. Buswell dimostrò nelle sue ricerche che le fissazioni e le saccadi variano in funzione dell’età e del processo di apprendimento. Nel 1937, Buswell riuscì a registrare i movimenti oculari durante l’osservazione di immagini. I movimenti venivano fotografati su una pellicola in movimento.

Nel periodo tra gli anni '50 e '60, lo psicologo russo Alfred Lukyanovich Yarbus condusse una serie di studi di eye tracking, i cui risultati sono diventati una base fondamentale per la tecnologia di eye tracking.

I suoi risultati mostrarono che gli occhi dei partecipanti si muovevano in base al loro interesse e al compito assegnato, suggerendo una correlazione tra fissazione e interesse.

Nel 1967, Yarbus pubblicò un libro di grande influenza, Eye Movements and Vision.

La ricerca sui movimenti oculari e sull’eye tracking prosperò durante gli anni ’70 e ’80.

Negli anni ’70, gli eye tracker divennero meno invasivi, offrirono una migliore accuratezza e furono in grado di distinguere i movimenti degli occhi da quelli della testa.

Allo stesso tempo, le teorie psicologiche iniziarono a esaminare il collegamento tra i dati ottenuti dall’eye tracking e i processi cognitivi.

Negli anni ’80, i computer diventarono abbastanza potenti da eseguire l’eye tracking in tempo reale, permettendo l’applicazione di eye tracker basati su video nell’interazione uomo-computer.

Nel 1980, Just e Carpenter formularono l'influente Strong eye-mind hypothesis, secondo la quale "non c'è un ritardo apprezzabile tra ciò che viene fissato e ciò che viene elaborato". In parole più semplici sostengono che ciò che si sta guardando è esattamente ciò che viene elaborato in quel preciso istante: dove si fissa lo sguardo (eye) corrisponde al pensiero (mind) attuale, assumendo che non ci sia ritardo tra fissazione ed elaborazione cognitiva.

Durante gli anni '80, l'ipotesi eye-mind fu spesso messa in discussione alla luce dell'attenzione covert, ossia l'attenzione verso qualcosa che non si sta guardando, cosa che le persone fanno frequentemente.

Se l'attenzione covert è comune durante le registrazioni di eye tracking, i modelli di scansione e le fissazioni risultanti mostrerebbero spesso non dove è stata l'attenzione, ma solo dove l'occhio ha guardato, senza indicare l'elaborazione cognitiva.

L’oculometria, nota anche come monitoraggio oculare e con il termine inglese eye tracking, è il processo di misurazione del punto di fissazione oculare e del moto di un occhio rispetto alla testa.

Esistono vari metodi per misurare la posizione dell’occhio:

• Tracciamento degli occhi (eye-attached tracking)
• Misura del potenziale elettrico (elettro-oculogramma)
• Tracciamento ottico (optical tracking)

Tracciamento degli occhi (eye-attached tracking)

Utilizza un attacco sull'occhio, come una lente a contatto speciale con uno specchio incorporato o un sensore del campo magnetico.

Le misurazioni con lenti a contatto aderenti hanno fornito registrazioni estremamente sensibili dei movimenti oculari, e il magnetic search coil o scleral coil è il metodo d’elezione per studiare la dinamica e la fisiologia dei movimenti oculari.

Questo metodo consente di misurare i movimenti oculari nelle direzioni orizzontale, verticale e di torsione.

Scleral contact lens/search coil

Risoluzione spaziale <0.1 gradi di angolo visivo.

Robinson sviluppò la tecnica nel 1963. Collewijn e colleghi la perfezionarono nel 1975.

Il soggetto indossa una lente a contatto con una bobina incorporata.

Bobine esterne creano un campo magnetico. Il campo magnetico induce una tensione nella bobina. La tensione viene amplificata e misurata.

È una tecnica invasiva che può danneggiare la superficie corneale e congiuntivale oltre che aumentare la pressione intraoculare.

Misura del potenziale elettrico

L’elettrooculografia (EOG), il metodo di registrazione dei movimenti oculari più utilizzato circa 40 anni fa (e ancora in uso oggi), si basa sulla misurazione delle differenze di potenziale elettrico della pelle tramite elettrodi posizionati attorno all’occhio.

L'occhio umano si comporta come un dipolo elettrico naturale con una carica positiva sulla cornea e una carica negativa sulla retina.

Si applicano elettrodi cutanei attorno agli occhi (tipicamente uno a sinistra, uno a destra e talvolta sopra e sotto).

Quando gli occhi si muovono, cambia la differenza di potenziale elettrico misurata dagli elettrodi, consentendo di registrare il movimento.

Il segnale elettrico viene amplificato e analizzato per monitorare i movimenti orizzontali e verticali.

I vantaggi dell’elettrooculografia sono:

• Non invasiva e relativamente economica.
• Efficace per misurare movimenti ampi e lenti.

Gli svantaggi invece:

• Meno precisa rispetto a tecnologie più avanzate.
• Sensibile a artefatti elettrici e movimenti della testa.
• Difficile rilevare microsaccadi e movimenti di fissazione.

Tracciamento ottico

Il tracciamento ottico si basa sull'analisi della posizione e dei movimenti degli occhi utilizzando sensori o telecamere ad alta precisione.

La luce (solitamente infrarossa) viene proiettata sulla superficie dell’occhio, dove viene riflessa. Un sensore ottico (ad esempio una telecamera) rileva la luce riflessa e la analizza per estrarre la rotazione oculare in base ai cambiamenti delle riflessioni.

I sistemi moderni sfruttano principalmente due tecniche:

• Pupil/Corneal Reflection Tracking
• Dual Purkinje Eye Tracking

Pupil/corneal reflection tracking

Una luce infrarossa (IR, invisibile all’occhio umano) viene proiettata sull'occhio. La cornea e la pupilla riflettono la luce in modo diverso:

• Il riflesso corneale (o «glint», o P1), è un punto luminoso stabile che rimane quasi immobile durante i movimenti oculari.
• La pupilla appare come un cerchio scuro o chiaro a seconda dell’illuminazione.
• Viene calcolata la distanza relativa tra il centro della pupilla e il riflesso corneale. Il sistema crea un vettore che rappresenta la direzione dello sguardo.

Dual Purkinje Eye Tracking

Il Dual Purkinje Image Eye Tracker è un tipo di eye tracker ottico di alta precisione basato sull'analisi delle immagini di Purkinje (P1 e P4), utilizzato principalmente in ricerca scientifica per lo studio dei movimenti oculari.

Le immagini di Purkinje sono i riflessi che si formano sulle superfici ottiche dell’occhio quando è esposto alla luce.

I riflesso di Purkinje (P1): superficie anteriore della cornea (riflesso corneale).

II riflesso di Purkinje (P2): superficie posteriore della cornea.

III riflesso di Purkinje (P3): anteriore del cristallino.

IV riflesso di Purkinje (P4): superficie posteriore del cristallino.

Una luce infrarossa colpisce l'occhio, generando i riflessi di Purkinje.

Un sistema ottico rileva le immagini P1 (dalla cornea) e P4 (dal cristallino posteriore). P1 è fissa e stabile, mentre P4 si sposta con il movimento dell’occhio.

Il movimento relativo tra P1 e P4 viene misurato con grande precisione. La differenza tra queste due immagini consente di determinare l’angolo di rotazione dell’occhio. La misurazione è estremamente precisa (risoluzione angolare fino a 1 minuto d’arco). Consente di registrare movimenti oculari minuti come movimenti di fissazione e microsaccadi.

Il riflesso P4 è meno soggetto a movimenti indipendenti rispetto alla pupilla, che può dilatarsi o contrarsi influenzando la precisione del tracciamento.

Vantaggi del Dual Purkinje Eye Tracking:

• Sensibile anche ai più piccoli movimenti oculari.

Svantaggi:

• Richiede strumenti specializzati e set up complessi.
• L’utente deve mantenere la testa ferma (headrest e bitebar) per risultati accurati.

Movimenti oculari

• Saccadi
• Movimenti di inseguimento lento (smooth pursuit)
• Vergenza
• Riflesso vestibolo-oculare

Movimenti di fissazione (fixational eye movements)

• Micro-saccadi
• Drift
• Tremore

Saccadi (movimenti coniugati)

Le saccadi sono movimenti balistici degli occhi che permettono di spostare rapidamente la fovea (la parte centrale della retina, che ha la massima acuità visiva) su un nuovo punto di interesse.

Questi movimenti sono essenziali per esplorare l'ambiente visivo e acquisire informazioni in modo efficiente.

Le saccadi avvengono in tempi brevissimi (circa 20-50 millisecondi) e possono essere direzionate verso oggetti o aree che catturano l'attenzione visiva. L'ampiezza e la velocità non sono fattori indipendenti (saccadi piccole più lente, saccadi più grandi più veloci).

Microsaccadi (movimenti coniugati)

Le microsaccadi, che sono una forma più piccola di saccadi, si verificano continuamente anche durante l'osservazione fissa di un oggetto, e sono legate al monitoraggio dell'ambiente visivo, anche quando non sono percepite consapevolmente.

Secondo la teoria premotoria dell'attenzione, quando si monitora un oggetto in modo covert (senza spostare fisicamente gli occhi), il cervello si sta preparando a fare un movimento oculare verso quella posizione, anche se il movimento non viene eseguito.

Questa preparazione motoria sarebbe necessaria e sufficiente per spostare l'attenzione verso il nuovo punto spaziale: l'attenzione spaziale e la preparazione motoria condividono gli stessi meccanismi neurali.

Le ricerche hanno mostrato che le aree cerebrali coinvolte nel controllo delle saccadi sono simili a quelle legate agli spostamenti dell'attenzione. Inoltre, l'attività in queste aree è strettamente legata alla performance nei compiti di attenzione.

La teoria premotoria suggerisce che spostare l'attenzione è simile a preparare un movimento oculare, anche senza effettuarlo fisicamente.

Recentemente, diversi studi hanno messo in discussione le ipotesi alla base della teoria premotoria dell'attenzione (vedi Smith e Schenk, 2012).

• L'attenzione può essere spostata verso diverse aree senza la necessità di preparare movimenti oculari verso quelle posizioni (Juan et al., 2004).
• Sono stati identificati meccanismi neurali distinti che mediano o modulano i cambiamenti nell'attività cerebrale legati all'attenzione spaziale covert e alla preparazione per un cambiamento di sguardo (Li et al., 2021).

L'attenzione può spostarsi senza che ci siano necessariamente movimenti o preparazione oculare (Li et al., 2021; Meyberg et al., 2017; Poletti et al., 2017). Nella maggior parte dei casi però sembra che prepariamo il movimento per rivolgere l'attenzione.

Smooth pursuit (movimenti coniugati)

Smooth pursuit (o movimento di inseguimento lento) è un tipo di movimento degli occhi che permette di seguire un oggetto in movimento in modo fluido e preciso, adattandosi al movimento dell'oggetto che si sta osservando.

Gli occhi possono seguire oggetti che si muovono lentamente o moderatamente velocemente, ma il smooth pursuit non è in grado di seguire oggetti che si spostano troppo velocemente (oltre i 30-40 gradi al secondo).

Il smooth pursuit è in gran parte involontario e si attiva automaticamente quando ci si concentra su un oggetto in movimento.

Vergenza

Movimenti disgiunti (a differenza dei precedenti che sono coniugati) in quanto gli occhi si muovono con ampiezze e direzioni diverse l’uno dall’altro.

Consentono la fissazione di oggetti posti a differenti distanze dall’osservatore.

La vergenza è fondamentale per la percezione della profondità e per mantenere un'unica immagine coerente quando si osservano oggetti a distanze diverse.

Aiuta a mantenere la visione con entrambi gli occhi, migliorando la qualità dell'immagine e riducendo la visione doppia (diplopia), specialmente quando si guardano oggetti a distanze diverse.

Riflesso vestibolo-oculare

Il riflesso vestibolo-oculare (VOR, Vestibulo-Ocular Reflex) è un meccanismo neurofisiologico che consente agli occhi di mantenere stabile la visione nonostante i movimenti della testa.

In altre parole, permette agli occhi di muoversi in direzione opposta rispetto al movimento della testa, per compensare il movimento e mantenere l'oggetto in vista.

Questo riflesso è fondamentale per stabilizzare l'immagine retinica durante attività come camminare, correre, o semplicemente muovere la testa.

Ocular drift (deriva oculare)

Ocular drift (deriva oculare) si riferisce a un movimento simil-randomico lento e involontario degli occhi presente durante i periodi di fissazione.

Le modulazioni del drift migliorano la visione dei dettagli fini (Rucci et al., 2007; Ratnam et al., 2017), predicono la sensibilità al contrasto (Casile et al., 2019) e l’acuità visiva (Clark et al., 2022). Il controllo del drift migliora i segnali temporali di luminanza (Intoy et al., 2010; Lin et al., 2023).

Il drift diffusion constant (D) misura l'ampiezza del drift, drift più grande = D più grande e viceversa. In parole povere misura quanto vaga l’occhio. Anche quando fissiamo un punto i nostri occhi non sono mai perfettamente fermi.

k = frequenza spaziale: rappresenta il livello di dettaglio dell’immagine (linee sottili vs grandi forme).

ω = frequenza temporale = rappresenta la velocità con cui il segnale luminoso cambia sulla retina a causa del movimento.

Questo modello matematico mostra come i movimenti oculari di fissazione (drift) trasformano i dettagli spaziali di un’immagine in segnali temporali che il cervello può elaborare. L’equazione dimostra che il movimento dell’occhio (D) ridistribuisce l’informazione rendendo i dettagli statici dinamici.

Nel grafico è evidenziata la potenza temporale in funzione della frequenza spaziale.

Frequenza critica: esiste un punto di massimo (tra i 10 e i 30 cicli/grado) dove il drift oculare produce la massima potenza del segnale.

Il drift agisce potenziando i segnali per i dettagli fini (altre frequenze spaziali), che altrimenti sarebbero più difficili da percepire se l’occhio fosse perfettamente immobile. In sostanza il modello spiega che il drift non è un errore ma una strategia per estrarre il massimo dettaglio possibile dall’ambiente circostante.

La nostra visione non è passiva, ma dipende dai movimenti continui dell’occhio per mantenere il segnale attivo sulla retina. Il mondo ci appare stabile perché il nostro cervello non si limita ad elaborare passivamente un’immagine statica.

Quindi, se l’occhio si muove continuamente perché non percepiamo il movimento?

Il nostro cervello riesce a distinguere tra movimento esterno (qualcosa che si muove nel mondo) e movimento auto-generato (i nostri occhi che si muovono). Il movimento oculare è descritto dal modello precedente come un processo di drift-diffusione. Il cervello sa di generare questo drift (deriva dell’occhio) per rinfrescare il segnale retinico, per cui sottrae questo movimento dalla nostra percezione cosciente. Quindi cosa se ne fa di questo movimento? Invece di vedere il mondo muoversi, il cervello usa questo movimento per calcolare la potenza temporale (Q) del segnale visivo. Drift oculare (C).

Inoltre, perché non c’è sfocatura (blur) dai movimenti oculari?

Riformattazione spazio-temporale

RETINA VisualScene SPAZIO.

L’occhio prende un dettaglio spaziale (k) come le righe sottili di una trama, e lo trasforma in un segnale temporale. I neuroni retinici smettono di rispondere a stimoli che non cambiano nel tempo.

Muovendo l’occhio (D) trasformiamo un’immagine ferma in un segnale che pulsa sulla retina.

Per i dettagli grossolani (bassa k), serve un drift più ampio per generare abbastanza variazione temporale (Q) affinché il cervello lo percepisca. Per i dettagli fini, un drift piccolo assicura che l’immagine oscilli sopra i fotorecettori senza mai scappare via troppo lontano. Questo permette di mantenere il segnale