Appunti del corso di Psicofisiologia dei Processi Cognitivi ed Emozionali

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PSICOFISIOLOGIA DEI PROCESSI COGNITIVI ED EMOZIONALI – Sarlo

INTRODUZIONE

La psicofisiologia affronta la relazione mente-corpo non solo nel cervello, ma confrontandosi con

Almeno in psicofisiologia il fatto di

non si può parlare di riduzionismo:

l’intero organismo umano.

usare degli indici fisiologici non determina una comprensione dei processi mentali, ma le variabili

indicate ci danno informazioni che possono ispirare, guidare e “porre dei vincoli” alla ricerca ed alla

teoria sui processi psicologici.

Si tratta di un approccio multidisciplinare che sconfina in un’analisi a più piani del reale.

La psicofisiologia ha strette relazioni con l’anatomia e la fisiologia, ma soprattutto con i fenomeni

psicologici: l’esperienza, le attività cognitive e il comportamento di un organismo nella transazione

con l’ambiente fisico e sociale.

Essa si occupa dello secondo:

studio dell’individuo

- Livelli multipli di analisi:

Soggettivo: auto-osservazione;

o Comportamentale;

o Fisiologico: informazioni implicite sui processi in atto;

o

- Utilizzo associato di indici autonomi, somatici, centrali e ormonali;

- Soggetti umani e tecniche di indagine non invasive;

- Pari interesse tra SNC e SNA;

- Utilizzo di variabili:

Indipendenti;

o Dipendenti.

o

La conoscenza dei sistemi psicologici non è di per sé condizione sufficiente per fornire un significato

psicologico alle risposte fisiologiche. Sono fattori fondamentali:

- La qualità del disegno sperimentale;

- Le delle misure;

proprietà psicometriche

- L’appropriatezza dell’analisi dei dati e delle interpretazioni.

Non c’è una prospettiva prioritaria tra quella psicologica e quella fisiologica: sono complementari

ed entrambe fondamentali.

La psicofisiologia si può definire come lo studio scientifico dei processi cognitivi, emozionali, sociali

Essa studia le

e comportamentali attraverso gli eventi fisiologici. influenze reciproche tra mente e

anche di carattere sociale.

corpo nell’interazione tra l’individuo e l’ambiente circostante, 1

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LA REGISTRAZIONE ELETTROFISIOLOGICA

Il biosegnale

Si registra inizialmente un biosegnale, (preparare

da processare il segnale per poter estrarre i

a cui dare un significato funzionale) e

parametri e gli indici analizzare.

Il biosegnale, a livello di superficie corporea, si suddivide tra:

- Potenziali bioelettrici prodotti dall’attività elettrochimica delle cellule dell’organismo,

EMG, EEG, ECG;

registrati con degli elettrodi:

- Segnali bioelettrici di altra natura, trasduttore

misurati attraverso un che si occupa di

conduttanza cutanea, resistenza;

trasformare questi segnali in potenziali:

- Segnali biofisici di natura non elettrica, spesso meccanica, misurati anche essi attraverso un

PA, FC, FR.

trasduttore:

Potenziali bioelettrici

Sono variazioni nella distribuzione di ioni all’interno e all’esterno di cellule specializzate.

Si ottengono attraverso la di centinaia/migliaia

somma dei potenziali d’azione pre- e post-sinaptici

di cellule che si diffondono attraverso i fluidi interstiziali fino alla superficie.

Essi hanno Il segnale attraversa una serie di strati di materiale

un’ampiezza media di -70 a +20 mV.

organico, spesso molto isolanti, attraverso le quali il materiale viene filtrato e fortemente indebolito.

Elettrologia di base

a. Corrente: movimenti di cariche elettriche attraverso un conduttore, dal polo negativo al

misurata in (A). Può anche essere definita come la

positivo, ampere quantità di cariche

Si differenzia in:

elettriche che scorrono nell’unità di tempo attraverso un conduttore.

Corrente continua (DC): il flusso è unidirezionale e di intensità costante;

• Corrente alternata (AC): il flusso varia periodicamente in ampiezza e in direzione,

• modificando alternativamente il segnale dei due poli. Da esso ne deriva un segnale

sinusoidale, di cui si misura ampiezza (in V) e frequenza (in Hz).

Differenza di potenziale (tensione,

b. voltaggio): concentrazione di cariche elettriche opposte

misurata in (V). Definita anche come la

in due punti, volt tensione, o voltaggio, che spinge la

carica elettrica;

c. Resistenza: misurata in Ohm. La Legge di Ohm

resistenza offerta al passaggio della corrente,

viene utilizzata dai trasduttori per (V=I*R);

trasformare la variabile di origine in voltaggio

La corrente in un circuito è direttamente proporzionale al voltaggio e inversamente proporzionale

alla resistenza.

Parametri principali:

a. Ampiezza (a): quantifica la Viene misurata in volt (V) come

tensione massima del segnale.

base-picco o picco-picco;

b. Periodo (T): (sec o msec);

tempo necessario per compiere un ciclo completo

c. Frequenza (f): misurata in hertz (Hz), o cicli al secondo.

reciproco del periodo,

La catena di registrazione

Essa prevede a seconda dei segnali che si

un soggetto a cui vengono applicati dei biosensori

intendono misurare (elettrodi o trasduttori).

Successivamente (esso è infatti, in origine, troppo piccolo per

amplificato

il segnale dovrà essere

essere registrato così come viene inviato dall’organismo) e trasportato al computer o al poligrafo

registrazione digitale o analogica.

per una 2

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a. Bias o offset potential: il passaggio di ioni continuo tende a far produrre al metallo un suo

Per ovviare a questo

potenziale, ampio a seconda del materiale di cui è formato l’elettrodo.

problema viene applicato insieme all’elettrodo un gel elettroconduttore;

Polarizzazione: il passaggio di cariche continue tra la coppia di elettrodi utilizzati fa sì che si

b. crei una Per ovviare a questo problema

polarizzazione all’interno della coppia stessa.

solitamente, nello stesso soggetto, si invertono di tanto in tanto le polarità dei due

elettrodi.

Gli elettrodi

Essi vengono applicati su siti specifici di applicazione, di dimensioni e distanza reciproca identica,

rispettando la stessa distanza tra una prova e l’altra per permettere il confronto quantitativo.

Prima di applicare gli elettrodi solitamente si pulisce la pelle con del disinfettante e si rimuove lo

(cellule morte) fino a quando non si

strato corneo della pelle con una pasta dermoabrasiva,

raggiunge un’impedenza L’impedenza viene misurata applicando

della pelle inferiore a 5-10 kOhm.

un gel o una pasta elettroconduttrice e successivamente un elettrodo per la misurazione del

segnale.

Montaggio

Una volta applicati i due elettrodi si utilizza:

- Montaggio monopolare: in cui si suppone che

attivo neutro,

un sito ed uno elettricamente (cartilagine

nello strato sottostante non ci sia un’attività elettricamente rilevante e strutture

Si utilizza per misurare l’attività assoluta di un segnale;

ossee).

- Montaggio bipolare: misura la differenza di potenziale tra due siti attivi.

Trasduttori

I trasduttori convertono i biosegnali non direttamente rilevabili, come la differenza di potenziale, in

rilevano fenomeni meccanici, pressori o termici.

potenziali elettrici;

Amplificazione del segnale

L’ampiezza del segnale viene aumentata, lasciandone inalterate le caratteristiche salienti,

all’interno di un amplificatore del segnale in ingresso 1 V.

fino a

Il guadagno si definisce come (aumenta ampiezza lasciando intatta

fattore di moltiplicazione lineare

la morfologia del segnale stesso). gain = V /V

out in

Scopo dell’output dell’amplificatore è registrare il segnale con la massima qualità possibile e

ovvero i segnali elettrici indesiderati, prodotti da:

ridurre il rumore,

- Altri biosegnali;

- Apparato di registrazione;

- Ambiente di registrazione.

In questo modo si ottimizza il “signal-to-noise-ratio” massimizzando l’informazione dal segnale

bioelettrico e si riduce la contaminazione e la distorsione.

Filtraggio del segnale

Si basa sul principio che il segnale può essere distinto dal rumore sulla base di alcune caratteristiche

Esso ha lo scopo di ovvero specifiche frequenze al di

attenuare o eliminare il rumore,

specifiche.

fuori del range cui appartiene il segnale di interesse, permettendo il passaggio esclusivamente di

quelle desiderate. 3

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Il meccanismo di filtraggio induce cambiamenti nell’ampiezza del segnale in funzione della

(attenuandolo, si riduce l’ampiezza).

frequenza dello stesso

Tra i filtri più utilizzati

- Frequenza di taglio: frequenza alla quale il segnale viene attenuato di circa il 30%;

- Taglia-alto (o passa-basso): elimina le frequenze superiori a quella di taglio;

- Passa-alto (o taglia-basso): Spesso questo

elimina le frequenze inferiori a quella di taglio.

filtro viene categorizzato attraverso la costante di tempo piuttosto che la frequenza di taglio.

Ft = 0,159/Kt (sec)

Essa è una finestra temporale tenuta aperta dall’amplificatore, all’interno della quale

(30msec -> solo

passano dei segnali veloci a seconda dell’ampiezza della finestra stessa

veloci; 1sec -> veloci e lenti);

- Passa-banda: filtro impostato sulla banda

di frequenza di interesse. Agli estremi della

banda del filtro si ha uno smorzamento del

per cui è bene

30%, impostare il filtro a

valori superiori a quelli ricercati;

- Band-stop: (50Hz)

notch filter per bloccare

Tuttavia

corrente di rete.

il segnale della

viene utilizzato il meno possibile dal

momento che si tratta di una frequenza che

appartiene a numerosi segnali psicofisiologici.

All’interno di un biosegnale generico vi sono molte frequenze diverse: attraverso un filtro passa-alto

si conserva la componente veloce, attraverso un filtro passa-basso si conserva la componente più

lenta.

Amplificatori

Esistono due tipi diversi di amplificatori:

a. DC: (respiro,

non usano filtri passa-alto e trasmettono fedelmente i segnali a bassa frequenza

livello di conduttanza cutanea o potenziali corticali lenti). Ne derivano instabilità

problemi di

(zero elettrico dell’amplificatore, da resettare periodicamente per mezzo di

dell’isoelettrica

uno strumento software a causa degli sbalzi continui) e forte sensibilità agli artefatti;

b. AC: fanno uso di filtri che bloccano la corrente continua e ostacolano le basse frequenze.

Amplificazione differenziale

Si tratta di un circuito elettronico che amplifica la differenza tra due misure di voltaggio rilevate

solitamente definito “terra”.

rispetto ad un riferimento comune, si tratta di un circuito

Tutti gli amplificatori utilizzati in psicofisiologia sono di tipo differenziale:

elettronico a tre elettrodi al cui interno quello di terra (ground) è un elettrodo di riferimento che ha

eliminare il rumore.

come ultimo fine quello di

Il segnale viene rilevato da due siti, ciascuno riferito alla terra: l’amplificatore calcola la differenza

di potenziale tra un sito attivo e la terra, tra l’altro sito attivo e la terra permettendo di eliminare

ulteriormente il rumore.

L’elettrodo di terra è necessario per fornire un riferimento comune all’input differenziale.

Esso è singolo per una o più registrazioni in uno stesso soggetto: avere più terre potrebbe creare dei

loop elettrici che è bene evitare.

A(differenza di potenziale tra sito attivo e terra)=Va(voltaggio sito attivo) – Vr (voltaggio terra)

B(differenza di potenziale)= Vb – Vr

A – B = C 4

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Registrazione del segnale

a. Modalità analogica: rappresenta in modo continuo le variazioni di ampiezza in funzione del

(poligrafo);

tempo

b. Modalità digitale: (computer).

converte il segnale continuo in un formato discreto, numerico

Attraverso la conversione analogico-digitale il segnale viene convertito in sequenze numeriche:

ciascun numero rappresenta l’ampiezza del segnale in uno specifico intervallo di tempo.

La sequenza numerica costituisce il segnale digitale; il segnale analogico viene in tal modo

campionato.

Si ha una discretizzazione nel tempo e nell’ampiezza del segnale stesso.

Campionamento

Il computer prende dei (frequenza di

punti sulla forma d’onda con una certa regolarità

campionamento) e ricostruisce unendo i punti stessi una forma d’onda confrontabile a quella di

catturandone le informazioni più rilevanti in modo

origine per morfologia, ampiezza e frequenza,

affidabile.

a. Frequenza di campionamento

Indica ogni quanto viene campionato il segnale;

essa deve essere sufficientemente alta da

permettere di riprodurre il segnale analogico

senza distorsioni: possiede un valore almeno

doppio rispetto la frequenza più alta del segnale

di interesse, fino a 4/8x.

Se si utilizza un valore troppo basso

(sottocampionamento) si perdono delle

oltre a

componenti fondamentali (aliasing),

perdere frequenza ed ampiezza del segnale stesso; se si utilizza un valore troppo elevato

(sovracampionamento) ne consegue un numero di dati esagerato per l’analisi successiva.

b. Risoluzione in ampiezza del segnale digitale

La risoluzione è data dal numero di valori discreti che la scheda A/D può produrre sul range di

bit.

voltaggio, solitamente espressa in

Determina il computer, oltre ad

se il segnale viene riprodotto in modo accurato o grossolano;

impostare una frequenza di campionamento, aggiunge un valore di risoluzione a seconda della

scheda A/D che esso possiede. 5

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Il segnale viene rappresentato differentemente in

in base alla

ampiezza, cogliendo le variazioni

in tutto ciò, il

risoluzione dello strumento;

campionamento rimane identico a prescindere

dai bit della scheda. Una scheda a 8 bit distribuirà

la variazione di X Volt (decisi dallo

sperimentatore) in 256 valori differenti, una

scheda a 24 bit distribuirà la stessa variazione in 16 milioni circa di valori, garantendo una migliore

risoluzione e la possibilità di segnalare anche le variazioni più piccoli e migliorando la sensibilità dello

strumento.

Bisogna sempre tenere a mente che il segnale è già stato ingrandito con l’amplificazione: è

necessario fare in modo che guadagno, punti della scheda e voltaggio distribuito siano

Questo determina il valore di accuratezza (V/bit) della misurazione, il

sufficientemente equilibrati.

quale indica la differenza di voltaggio minima che può essere registrata da un singolo bit.

Artefatti di registrazione

Un artefatto è un’interferenza proveniente da sorgenti non direttamente associate al segnale di

interesse.

a. Artefatti elettrici: utilizzate nella catena di registrazione;

Prodotti dalle apparecchiature

• Corrente di rete;

• Prodotti da altri biosegnali;

•

b. Artefatti meccanici: costituiti da tutti i tipi di movimento del soggetto o degli elettrodi;

c. Artefatti termici: prodotti da alterazioni della temperatura e dal surriscaldamento delle

apparecchiature di registrazione.

Cosa incide sulla qualità del segnale

- Alta impedenza della pelle: produce attenuazione del biosegnale e captazione di rumore

Si può risolvere attraverso una portando la pelle ad

elettrico a 50Hz. corretta abrasione,

un’impedenza inferiore a 10/5 kOhm;

- Bias o offset potenziali degli elettrodi: differenza di potenziale prodotta all’interfaccia tra

Si può risolvere attraverso l’utilizzo di elettrodi in Ag o

elettrodo e gel elettroconduttore.

AgCl;

- Polarizzazione: con un utilizzo prolungato dello strumento si può avere una distribuzione

ineguale di ioni sulla superficie dei due elettrodi;

- Artefatti da corrente di rete: si può risolvere abbassando l’impedenza della pelle,

allontanando il soggetto da sorgenti elettriche e attraverso l’uso di notch filter;

- Contaminazione da altri biosegnali: risolta attraverso un uso adeguato dei filtri;

- Aliasing: risolto attraverso un’adeguata frequenza di

sottocampionamento del segnale,

campionamento del segnale;

- Scarsa risoluzione in ampiezza o saturazione del segnale: risolta attraverso un adeguato

equilibrio tra guadagno, risoluzione della scheda A/D e range di voltaggio impostato. 6

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Analisi dei dati

Le misure psicofisiologiche sono tipicamente indirette, soggette ad una trasformazione rispetto alla

tenendo sempre presente la parziale distorsione del segnale e gli artefatti

sorgente interna,

presenti.

La maggior parte delle misure psicofisiologiche sono determinate dall’interazione di più fattori e

vengono calcolate attraverso procedure di averaging che

sono intrinsecamente rumorose: tendono

a ridurre al minimo l’impatto del rumore prodotto dai processi non interrompibili che avvengono

continuamente all’interno del corpo.

- Misure continue vs. misure discrete: forniscono informazioni sul sistema fisiologico in ogni

momento (EEG, EMG) o in specifici momenti (FC). Esistono anche fenomeni elicitati

appositamente da eventi particolari.

- Qualità del segnale:

Eliminazione degli artefatti;

o Massimizzazione del rapporto segnale/rumore;

o Tecniche specifiche per ogni segnale fisiologico;

o

- Riduzione dei dati: quantificazione ed estrazione dei parametri;

- Analisi statistica.

Riduzione dei dati

- Quantificazione: che

estrazione di un numero ridotto di valori numerici dai dati registrati,

verranno poi utilizzati all’interno dell’analisi statistica. Si raggiunge attraverso: