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 Esercizi in laboratorio non in gruppo



of psychophysiology’. Cambridge, UK (2007) cap Esercitazioni, dimostrazioni e simulazioni in aula



3,4,7,8,12,25 (SLIDE moodle)

- 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 Vigoroux (metà 1800) – teoria della resistenza elettrica

Luigi Galvani (1700) - primo a studiare il comportamento nel 1700 Abituazione: fenomeno che il segnale di resistenza



e come i muscoli vengono contratti elettrica si riduce nel tempo

Alessandro Volta (fine 1700) – inventa la pila per poter fare pii Non linearità: resistenza è inversa alla corrente (non



esperimenti sugli animali (elettroneurofisiologia) diminuisce linearmente con la resistenza)

Charcot (metà 1800) – Francia e Germania erano i paesi principali Pensava che dilatazione nascesse dai vasi sanguigni



per la neurologia = Neuropsicologia nasce nel 1800 (invece è data da ghiandole sudoripare)

distingue sintomi del parkinson e SLA e altri disturbi

 Ferè (1888) – riflesso psicogalvanico (indice di arousal,

neuropsicologici quantitativo di energia psichica)

studia isteria (che per lui era disturbo organico VS freud) e la

 Tarkhanov – studia l’indice potenziale cutaneo

distingue dall’epilessia come sintomatologia (elettricità elicitata dalla pelle legata al riflesso

introdusse l’ipnosi

 elettrogalvanico)

Salpetierre: inizialmente era un ospizio per malati gravi in

 Leopoldo Nobili – crea il galvanometro: avvolgimenti di

condizioni insalubri ma con Charcot diviene utile per ricoverare un solenoide con campo magnetico fisso e ogni volta che

i disturbi mentali, come isteria (fu il primo a curare queste passa la corrente si orienta il campo magnetico che ne

malattie), è presente la sua cattedra perché faceva lezione con produce un altro e provoca una deflessione Sono stati



donne isteriche che mostrava al pubblico = dimostrazioni dal creati altri galvanometri più ‘leggeri’

vivo di attacchi epilettici e isteria Fleming (1906) – inventore del diodo per i segnali radio

Aveva una sezione di elettroterapia: studio dei campi elettrici

 Hans Berger (1929) – padre dell’elettroencefalografia

per misurare risposte psicofisiologia delle persone (EEG) attraverso galvanometri innovativi

Obiettivo – curare i malati con elettricità e studiare le variazioni Studia pazienti anche con lesioni cerebrali (frontali),



di correnti elettriche nel corpo le perseverazioni

Pazienti messi in campi elettrici a correnti piccole (per pazienti

con anestesie locali, parestesie) producendo pochi effetti (max

placebo)

Psicofisiologia: una nuova branca scientifica Stern (1964) definisce la psicofisiologia come

Sistema fisiologico ha funzioni: ‘qualsiasi ricerca in cui la variabile dipendente

- sia omeostatiche (sottostanno a comportamenti (risposta del soggetto) sia una misura fisiologica e

automatici delle funzioni di base) es. pressione arteriosa la indipendente (fattore manipolato

- sia extra omeostatiche (sottostanno ai comportamenti sperimentalmente) una comportamentale’

complessi) ‘Psychophysiology’ – prima rivista ufficiale

essere sia consapevoli ma anche spesso

possono (1964)

inconsapevoli, tuttavia, modificano continuamente il nostro Sul primo numero vengono pubblicati 8 articoli di

stato mentale (es. neuroni, sforzo fisico) cui 5 usano l’indice di riflesso elettrogalvanico

Domini utilizzati in psicofisiologia: (conduttanza cutanea) ma oggi si usano principalm

- soggettivo: quello che la persona riporta (=mente) altri indici (es. EEG)

- comportamento: quello che fa (è teso, movimento ma anche gli indici specifici cerebrali hanno dei



elevato, chiude occhi) problemi: aree cerebrali hanno tante funzioni e non

importanza di comprenderli integrati nella persona

 solo una specifica, sono sempre in collegamento tra

in base all’indice psicofisiologico usato si trovano

 loro

informazioni diverse (solitamente se ne usa uno alla volta International organization of

altrimenti troppo complesso) psychophysiology (IOP, 1982)

Branche vicine alla Psicofisiologia

1. Psicologia Fisiologica: studia relazione tra fisiologia e

comportamento con metodi invasivi in relazione a 2. Psicofarmacologia: ambito tra medicina e

ormoni, sistema immunitario, SNA – utilizza animali e si neuroscienze che studia l’effetto di sostanze,

manipolano caratteristiche del sistema nervoso per farmaci e droghe sulla psiche e sul cervello.

verificare cambiamenti comportamentali Si parte da molecole (recettori di membrana e

Metodi invasivi utilizzati neurotrasmettitori) fino a neurone, circuiti e

- Ablazione: rimozione di parte del cervello (dell’animale) effetti comportamentali su animali e

- Stimolazione sperimentazione umana

- Registrazione

- Metodo anatomico

4. Neurofisiologia: settore neuroscientifico che studia 6. Neuropsicologia: studio della base neurale

fisiologia del sistema nervoso (cellulate, tessuti, circuiti delle funzioni mentali correlando i deficit specifici

nervosi di collegamento tra strutture) attraverso di pazienti con corrispondenti lesioni cerebrali.

tecniche elettrofisiologiche spesso studia il cervello in sé Oggetto di studio: UOMO

indipendentemente dal comportamento – utilizza Usa tecniche recenti:

Metodo anatomo-clinico

animali e batteri Metodo di visualizzazione funzionale e attivazione

5. Psicofisiologia: studia relazione tra risposte del cervello (TMS, fMRI) che correlano, in soggetti

fisiologiche e comportamento. Oggetto di studio = sani, le aree attivate con processo cognitivo in esame

UOMO (no animali) attraverso tecniche che non alterano (come per la psicofisiologia).

i processi con metodi non invasivi

 manipolare comportamento con istruzioni o i processi Misure non elettrofisiologiche (con trasduttori:

psichici con stimoli e poi misura risposte fisiologiche converte segnale

(variab. Dip) meccanico/spostamento/temperatura/grandezza

Misure elettrofisiologiche non invasive fisica in segnale elettrico)

- EEG: elettroencefalogramma Pupillometria: eye tracker (dilatazione pupillare),

- ERP: potenziali evento-correlati (utilizzati e molto blink rate (quante volte si chiude l’occhio)

manipolabili) Frequenza respiratoria e volume respiratorio (con

- ECG: elettrocardiogramma (come varia la frequenza circonferenza toracica/addominale o soffio in un tubo)

cardiaca in base a compiti cognitivi, percettivi ed Pressione arteriosa

emotivi = nostre stimolazioni) Cardiografia impedenza (esprime le dinamiche

- HRV: heart rate variability (misura variazioni dell’attività cardiache)

cardiaca) Attività elettrodermica

- TWA: t-wave amplitude Temperatura corporea

- SPR: skin potential response Saturazione dell’ossigeno (con elettrodi cutanei)

- EMG: elettromiogramma, startle reflex Ftds

- EGG: elettrogastrogramma Misure salivari ormonali (cortisolo, ossigeno)

- EOG: elettro-oculogramma

-

Caratteristiche distintive della Psicofisiologia 4) Variabile indipendente è una stimolazione o

1) Analisi e relazione tra più domini e a più livelli in manipolazione di compito cognitivo, emozionale

ciascun dominio: e comportamentale

- Soggettivo, comportamentale, fisiologico Variabile dipendente è un indice fisiologico

- Nel dominio fisiologico più livelli: indici SNA, indici SNC, 5) In alcuni casi solo correlazione tra più domini

indici somatici, ormonali e immunitari (es. studio del sonno: stato alterato di coscienza)

2) Esperimenti solo su soggetti umani – letteratura

animale è un riferimento fondamentale

3) Metodi di indagine non invasivi perché descrivono Laboratorio di psicofisiologia come funziona:

meglio (rispetto a quelli usati dai medici che hanno Sistemi embedded (chiusi) – sono quelli



bisogno accuratezza e velocità) moderni per EEG

Prima si registra e si conclude l’esperimento, poi

La registrazione dei biosegnali si analizzano i dati

Campioni di 30-40 soggetti

Ambiente di laboratorio: Per registrare più canali (EEG, conduttanza ecc



Due stanze, uno sperimentatore sta dentro e l’altro sta

 dovrò usare un sistema aperto che hanno quanti

dall’altra: una con poco rumore, luce controllata, canali vogliamo

ambiente tranquillo - Computer che gestisce gli stimoli (semplici,

Gabbie di faraday – schermatura metallica nelle pareti

 complessi, più o solo uno, un compito cognitivo

(di carton gesso) della stanza sperimentale e scherma le ecc) e produce segnali di sincronizzazione col

frequenze alte (mentre quelle basse passano ovunque), secondo computer

utili in RMI e magnetoencefalografia - Computer per registrazione dei segnali

Poltrona comoda per eventuali compiti cognitivi (post

 fisiologici (quello che li gestisce invia le info su

sonno oppure post trattamento) quando è stato presentato il segnale)

Letto a una piazza e mezza

 1. Questionari (es. verificare ansia di stato o di

Schermo

 tratto, fobie) per capire il motivo di alcune

Casse o cuffie acustiche per stimolazioni visive o

 reazioni fisiologiche

uditive 2. Preparazione 20-40 minuti, si danno le istruzioni,

Stativi: scatole di ingresso degli amplificatori o dei

 registrazione di base

trasduttori. Si connettono gli elettrodi che hanno cavo 3. Fase di esperimento 15 minuti

lungo da 1-1,30m tra stativo e testa del soggetto (sono 4. Debriefing: per comprendere il soggetto cos’ha

vicini al soggetto) fatto e comprendere se sono stati presenti degli

Nel lab del sonno videocamera che registra anche al

  artefatti, spiegare cosa gli è accaduto

buio (con infrarossi) 5. Registrare i dati e analisi (anche a casa)

Cuffia (per EEG o altro) con cavi che si connettono

 con un unico connettore verso lo stativo

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 (DC): il flusso è unidirezionale e di I segnali elettrici prodotti dall'organismo e di

intensità costante, permette di vedere anche segnali interesse psicofisiologico provengono da cellule

lentissimi nervose o muscolari elettricamente attive e possono

Es. batterie sono generatori in dc a bassa te4nsione essere:

Corrente alternata (AC): il flusso varia periodicamente in - Potenziali d’Azione

- Potenziali pre e post-sinaptici (eccitatori o

ampiezza e in direzione – i poli cambiano alternativamente inibitori)

di segno (es. segnale sinusoidale) - potenziali cardiaci

La corrente di rete è alternata e ad alta tensione - Intestinali muscolari (producono potenziali

Maggior parte di segnali del nostro corpo (segnali

 d’azione dell’Unità Motoria)

bioelettrici) sono complessi, contengono spesso CARATTERISTICHE

componenti alternate e continue, sono molto piccoli e Tutti i segnali elettrici hanno un'ampiezza



deboli 

nell'ordine del mV (milliVolt) o µV (microVolt)

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

Segnali fisiologici che richiedono trasduttori: ad per questi si usano elettrodi di superfice:

- Riutilizzabili (da sterilizzare, usati in ricerca)

esempio misurano le proprietà passive della pelle, attività - Usa e getta (in ambito medico

cardiaca principalmente)

Differenza di potenziale/tensione/voltaggio (V o E): Hanno varie dimensioni, forme e tempo in



forza che spinge la carica elettrica (differenza tra due punti funzione del segnale fisiologico da registrare: in

a diverso potenziale) – misurata in Volt un grafico l’ampiezza (V) è nelle ordinate, il

Corrente (I): quantità di carica elettrica che scorre tempo nelle ascisse (sec).

nell’unità di tempo – misurata in Ampere (A) Sono fatti di materiale vario: argento (è



Resistenza (R): resistenza offerta al passaggio della antibatterico), stagno (più economici, per EEG),

corrente (proprietà del materiale che impedisce il cloruro d’argento (migliori per registrazioni in DC

passaggio di corrente continua) – in Ohm o conduttanza cutanea contro l’effetto pila) o

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

Impedenza: è la resistenza al passaggio della AC (misura Gel o la pasta è tipicamente salino per condurre



un buon contatto elettrodo-pelle) bene la corrente, possibilmente isotonico (stessa

Frequenza (f): reciproco del periodo – misurata in Hertz concentrazione di sale delle cellule del corpo,

(Hz) o cicli al secondo, il periodo è misurato in ms o sec; f evita di disidratare il corpo). Scopo - migliorare il

= 1/T inverso al T

 contatto tra pelle ed elettrodo e riduce rischio di

Periodo (T): tempo necessario per compiere 1 ciclo artefatti

completo (sec o ms) Prima del gel si usa una dermoabrasione della

pelle per rimuovere lo strato di cellule morte

Funzione degli elettrodi esterne che fa da isolante (si usa una pasta

- Abbassare l’impedenza di contatto (grazie al gel) scrub).

per minimizzare i rumori raccolti dall’ambiente e quello

degli amplificatori = artefatti gestibili Misurare un segnale elettrofisiologico in un

L’impedenza ottimale deve essere < 5-10KOhm

 soggetto in movimento: durante lo sport è difficile

(5000 Ohm) perché sudore è buon conduttore della corrente e

Impedenzimetro: misura l’impedenza fra due elettrodi, crea un ponte.

soprattutto usati per indici periferici È possibile solo per alcuni segnali con molti

- Diminuire gli artefatti da movimento: il gel fa da accorgimenti e sistemi Wearable (magliette con

ponte che stabilizza il contatto e l’impedenza riducendo materiale elastico con elettrodi/sensori inseriti

gli artefatti da movimento all’interno di vestiti, orologi, bracciali). Si può

registrare EKG, EMG, EEG (ma quest’ultimo è poco

Misurare un segnale con poligrafo: (ed es. lento) affidabile) utile non tanto per lo sport ma per



In un sec vedo due oscillazioni con ampiezza (da picco alto persone che fanno movimenti in condizioni

a basso) di 10V ecologiche (es. guidare, a lavoro)

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 respiratori –

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: 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 geenrici 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 Migliora molto con:

frequenza, la reiezione peggiora) Abbassamento di impedenze (es. <5KOhm)



Se ho il miglior bioamplificatore, la CMR peggiora molto Facendo decorrere i fili vicini e paralleli



con: Manten