Appunti di psicologia fisiologica utilissimi per studiare e superare l'esame

Psicologia fisiologica

Introduzione

Il primo manuale di psicologia scritto da Wilhem Wundt alla fine del XIX secolo era intitolato “Principi di psicologia fisiologica”. La psicologia fisiologica, infatti, fin dalla nascita della psicologia scientifica, si fonda sui fenomeni psicologici e ne analizza le implicazioni neuroscientifiche. Nel 1949 venne pubblicato il libro di Donald Hebb: “L’organizzazione del comportamento”, nel quale, sulla base di uno studio effettuato mediante metodo convergente fra esperimenti su soggetti umani e cavie, studi clinici su casi singoli e acute argomentazioni logiche, fornì una prima fondamentale teoria generale sulla funzionalità dell’integrazione neurale nell’attività cerebrale in fenomeni psicologici complessi quali percezione, emozioni, pensiero e memoria: “ciò che scarica insieme, connette insieme”.

Il metodo di ricerca utilizzato dalla psicologia fisiologica comprende: osservazione mediante valutazione dell’ipotesi; replicazione dell’osservazione attraverso esperimenti eseguiti ripetutamente al fine di escludere componenti relative al caso; interpretazione scientifica dell’osservazione mediante esplicazioni teoriche di generalizzazione e riduzione; verifica ed eventuale replica dei metodi scientifici relativi alla dimostrazione dell’ipotesi. Nel corso della storia della psicologia fisiologica sono stati commessi grandi errori relativi a trascuratezza di interpretazione scientifica ed etica.

La lobotomia prefrontale di Egas Moniz e la lobotomia transorbitale di Walter Freeman furono tecniche di indagine psicofisiologica che per anni causarono nei pazienti effetti iatrogeni di amoralità; incapacità di previsione; ipoemozionalità; epilessia; incontinenza urinaria e molto altro.

Oggigiorno, i metodi di analisi della psicologia fisiologica sono principalmente di tipo chirurgico, elettrofisiologico e biochimico, con grande utilizzo delle metodiche di bioimmagine e di esperimenti controllati sul sistema nervoso centrale, anche comprendendo la funzionalità invasiva dei metodi di lesione, di stimolazione elettrica e di registrazione fisiologica.

Neuroimaging

Si definisce neuroimmagine l’insieme di strumenti utilizzati per la visione del cervello in vivo, fondamentali per gli studi neuroscientifici e psicofisiologici. Le diverse tecniche di brain imaging si dividono in due grandi categorie:

• I metodi di visualizzazione strutturale studiano la forma del cervello e le sue strutture nel particolare tramite correlazione anatomico-clinica, evidenziando anche la presenza di strutture patologiche:
  • La tomografia assiale computerizzata (TAC) è una metodica diagnostica per immagini, che sfrutta radiazioni ionizzanti (raggi X) e consente di riprodurre sezioni o strati corporei del paziente e di effettuare elaborazioni tridimensionali. Le misurazioni dei valori di assorbimento di un fascio di raggi X (il computer traduce questi valori in diverse tonalità di grigio a seconda dell’assorbimento del tessuto studiato) possono permettere di valutare la densità dei vari tessuti cerebrali, le quali immagini che si ottengono forniscono informazioni in vivo sulle strutture cerebrali che sono molto utili sia negli esami di routine, sia in tutte le situazioni di emergenza (traumi cranici, diagnosi emorragiche, ischemie, tumori, diagnosi nei casi di coma per causa sconosciuta) in cui un esame di risonanza magnetica non è accessibile o praticabile. Infatti, nonostante sia un esame leggermente invasivo per via dell’uso dei raggi X (la radioattività del paziente permane per circa 24 h dopo l’operazione, per cui è pericolosa la vicinanza con soggetti sensibili alle radiazioni), la TAC è rapida ed economica e le macchine per questo tipo di analisi sono ormai diffusissime nei centri ospedalieri.
  • La risonanza magnetica nucleare (RMN) è una tecnica diagnostica che fornisce immagini dettagliate del corpo umano utilizzando apparecchiature in grado di generare campi magnetici di intensità variabile, le quali onde radio, scontrandosi con i legami biochimici delle molecole, ricostruiscono la struttura della materia in modo multiplanare, ovvero tramite acquisizione diretta di immagini tridimensionali. L’uso dei campi magnetici rende questa tecnica completamente innocua e assicura una buona risoluzione delle strutture cerebrali e spinali, con un focus ottimale su tutti i processi che comportano un’alterazione strutturale del tessuto nervoso e un’influente utilità nelle diagnosi precoci di tumori, metastasi cerebrali, infiammazioni, ischemie, alterazioni macroscopiche della malattia di Alzheimer e di altre malattie neurodegenerative. Ad oggi è l’esame radiologico più importante in neurologia, che consente anche di valutare le differenze fra tessuti di sostanza bianca e sostanza grigia e consuma poca energia; tuttavia, a causa della sua artificiosità e dei suoi costi elevatissimi, è utilizzata molto meno frequentemente rispetto alla TAC.
• Le neuroimmagini funzionali si basano sul principio secondo cui la quantità di sangue che irrora un dato tessuto dipende dall’attività metabolica di quel tessuto, ovvero dalla sua attività funzionale. Grazie a questo tipo di ricerche si possono effettuare osservazioni ed inferenze sul substrato neurale di comportamento, emozioni e funzioni cognitive, con la possibilità di attribuire determinate attività a specifiche regioni cerebrali ed individuare circuiti neuronali complessi, ricostruendo un’anatomia funzionale ed organizzandola anche sul piano topografico. Tuttavia, le tecniche di imaging funzionale non consentono una localizzazione anatomica precisa e strettamente circoscritta come le tecniche di neuroimmagine strutturale:
  • La cerebral blood flow (CBF) è una tecnica diagnostica che fornisce una misura del flusso sanguigno mediante osservazione dell’isotopo radioattivo xeno 133 (il più invasivo di tutti gli isotopi utilizzati nelle tecniche di imaging), che, una volta iniettato nel circolo sanguigno cerebrale, fornisce informazioni importanti riguardo la valutazione delle variazioni di concentrazione di tracciante nel tempo, e, di conseguenza, della distribuzione del sangue a livello delle diverse regioni cerebrali.
  • La tomografia ad emissione di singoli fotoni (SPECT) usa composti radioattivi che emettono direttamente radiazioni gamma, la quale attività costituisce delle immagini di brain imaging funzionale utili alla visualizzazione dell’attività cerebrale (risoluzione di 8-10 mm), che può essere ridotta a causa di malattie neurodegenerative. La potenzialità diagnostica di questa tecnica emerge nell’evidenziare i processi focali di neurodegenerazione (come nel caso delle demenze fronto-temporali) e la diminuzione di perfusione nelle regioni cerebrali (nel caso in cui la TAC non riporta alterazioni).
  • La tomografia ad emissione di positroni (PET) usa composti radioattivi che, marcando il tracciante FDG del glucosio con la sostanza radioattiva fluorina 18 o utilizzando l’isotopo marcato dell’ossigeno O15, tracciano il metabolismo funzionale delle cellule nervose. Il decadimento delle molecole radioattive dei composti libera positroni, i quali, scontrandosi, liberano raggi gamma. Le radiazioni gamma sono registrate ed elaborate elettronicamente secondo le concentrazioni metaboliche indicate dai traccianti, al fine di comporre immagini funzionali del cervello che, nel caso di rilevazione di grandi alterazioni metaboliche, discriminano importanti componenti patologiche. La velocità di esecuzione della PET non è altissima, dal momento che per esperimenti di attivazione cerebrale sono utili gli isotopi la cui emivita (tempo impiegato dal 50% dell’isotopo per decadere emettendo positroni) sia dell’ordine di minuti od ore. Inoltre, nonostante abbia una risoluzione di imaging cerebrale di 4 mm, questa tecnica comporta costi elevatissimi, per questo a volte è preferita alla più immediata e meno costosa SPECT.
  • La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una tecnica di imaging biomedico non invasiva, che fornisce una mappa delle aree cerebrali funzionalmente eloquenti, con ottima risoluzione spaziale e temporale e con ridotto consumo di energia. Unico neo, i costi economici enormi.

Approfondimento sulle tecniche di risonanza magnetica

Nel 1946, i futuri Nobel Felix Bloch e Edward Purcell scoprirono il principio di base della MRI: “Alcuni nuclei del sistema periodico hanno la caratteristica, se posti in un campo magnetico, di assorbire energia attraverso una radiofrequenza e di emetterla durante il passaggio al loro orientamento originario”. Infatti, la tecnica dell’MRI si basa propriamente sull’analisi degli spin dei protoni dell’idrogeno, elemento che compone più del 90% di ogni organismo vivente. Quando vengono sottoposti ad un forte campo magnetico esterno stazionario, i protoni orientano il loro asse lungo tale campo magnetico, con orientamenti paralleli alla direzione di campo da parte degli spin a basso livello energetico e orientamenti antiparalleli, quindi con direzione opposta alla direzione di campo, da parte degli spin con alto livello energetico.

Oltre ad una magnetizzazione risultante dalla prevalenza dei movimenti paralleli rispetto a quelli antiparalleli, l’esposizione al campo magnetico esterno produce in ogni protone dei movimenti di precessione, ovvero di rotazione attorno alla direzione del momento del campo magnetico esterno, la quale frequenza di precessione (frequenza di Larmor) è caratteristica per ogni elemento atomico ed è ω=γ ∙ β calcolabile mediante l’equazione di Larmor = rapporto giromagnetico (MHz/T) ∙ intensità del campo magnetico esterno (T). Inviando un’onda radio (impulso RF) con frequenza pari alla frequenza di Larmor per l’idrogeno, i protoni in gioco vengono messi in risonanza, ovvero ricevono la spinta energetica che determina la loro sincronizzazione nella stessa fase di precessione e il passaggio di alcuni protoni dal livello energetico basso al livello energetico alto, stabilendo anche la sincronizzazione di fase fra i protoni con orientamento parallelo e quelli con orientamento antiparallelo.

Una volta cessato l’impulso RF, il processo di rilassamento provoca nella costante di tempo T1 (tempo di rilassamento longitudinale) la ricostituzione del momento originario del campo magnetico esterno, nella costante di tempo T2 (tempo di rilassamento trasversale) l’annullamento della componente di magnetizzazione determinata dalla sincronizzazione di fase dei movimenti di precessione. Una bobina che funge da antenna ricevente misura gli impulsi del processo di rilassamento, generando un segnale RM determinato dai parametri T1, T2 e DP (densità protonica, numero totale di protoni provvisti di spin per unità di volume); per cui, regolando opportunamente la sequenza di impulsi RF, è possibile imporre al sistema di spins una determinata dinamica che genera specifici segnali RM rilevabili.

Nel 1973 viene ufficializzata la scoperta di Paul Lauterbur, che, con l’introduzione del campo magnetico di gradiente, pone le basi per la localizzazione spaziale del segnale mediante imaging a risonanza magnetica. Il processo di localizzazione, infatti, si basa sull’azione di alcune bobine, situate una per ogni piano geometrico, all’interno delle quali il campo magnetico non è omogeneo, ma presenta un gradiente che permette di diversificare il segnale in tutti i punti del campo, rendendolo concretamente rilevabile e suscettibile alla trasformata di Fourier, con la quale l’immagine viene ricostruita lungo il piano attraverso il quale è stato posto il gradiente, permettendo il passaggio dallo spazio K in codici di frequenza all’immagine vera e propria, costruita da tutte le angolazioni senza necessità di spostare il paziente.

Nella risonanza magnetica funzionale, il segnale analizzato è un segnale BOLD, ovvero riporta informazioni relative ad una misura indiretta dell’attività neuronale. Il paziente viene fatto stendere supino su di un lettino che viene fatto scorrere all’interno dell’apparecchiatura, con il compito di mantenere la testa più ferma possibile per non alterare l’acquisizione delle immagini e di eseguire compiti specifici di task e rest per un periodo di 30-60 minuti (in alcuni casi, per analizzare le funzioni cognitive, si utilizza il metodo sottrattivo, ovvero si misurano le differenze temporali che il paziente presenta nel recepire ed effettuare compiti consecutivi). In questo caso, il campo magnetico è distorto dalla riduzione di desossiemoglobina, che si verifica durante i processi di rilascio di ossigeno nel flusso ematico e di aumento di ossiemoglobina, relativamente ad un aumento dell’attività cerebrale di una regione e del flusso ematico cerebrale in quella regione.

Il ferro dell’Hbr è una sostanza paramagnetica, mentre il ferro della HbO2 è una sostanza diamagnetica, per cui si osserva attività cerebrale, e di conseguenza si registra segnale fMRI, nelle regioni in cui è presente Hbr, ovvero dove vi è una riduzione di desossiemoglobina e un aumento del flusso ematico. Date la perenne attivazione cerebrale (gli aumenti nel metabolismo neuronale relativi a un aumento di attività cerebrale corrispondono al 5% circa del consumo energetico totale) e la continua interazione e integrazione neuronale fra aree cerebrali spazialmente distinte, è molto difficile avere una ricezione ed un’elaborazione del segnale diretta e spazialmente precisa, per questo l’imaging funzionale si concentra sull’analisi di attivazione di regioni cerebrali e non di singole strutture specifiche.

Stimolazione magnetica transcranica (TMS)

La stimolazione elettrica è stata utilizzata per lo studio del sistema nervoso a partire dal 1790, anno delle principali scoperte di Galvani e Volta. Dopo svariati tentativi pseudo scientifici, lo sviluppo della psicologia fisiologica ha prodotto, alla fine del ‘900, l’invenzione della stimolazione magnetica transcranica, una tecnica neurofisiologica non invasiva e indolore, utilizzata per indurre un’interruzione temporanea (inferiore a un secondo) e reversibile dell’attività elettrica dei neuroni di una regione cerebrale discreta, innescando un nesso causa–effetto che permette lo studio del contributo di una data regione corticale ad un comportamento specifico.

Nella TMS si sfrutta la conduttanza elettrica del cervello attraverso l’applicazione di una sonda che, poggiata sulla parte dello scalpo relativa alla regione di interesse, contiene una bobina che genera campo magnetico transiente sullo scalpo e, di conseguenza, corrente indotta transiente che interferisce con la normale attività dei neuroni. Il tessuto neurale sottostante la bobina è soggetto ad un flusso di corrente elettrica che provoca depolarizzazione neuronale, quindi variazioni dell’eccitabilità corticale che generano fenomeni di modulazione della sincronizzazione dell’attività delle popolazioni neurali. Le correnti, dunque, affinché stimolino le strutture eccitabili come programmato, devono essere indotte con adeguata ampiezza, durata e orientamento. Dato che la decadenza del campo magnetico avviene in funzione della distanza della bobina dalle strutture cerebrali, le regioni sottocorticali sono meno soggette alla stimolazione rispetto a quelle meno profonde e la sostanza bianca ha una resistenza alla corrente indotta maggiore rispetto alle altre aree cerebrali, a causa della sua grande concentrazione di mielina.

La TMS viene eseguita per azione diretta attraverso variazioni elettriche indotte dal campo magnetico su tutti gli elementi neurali (assoni, dendriti e pirenofori); per attivazione trans-sinaptica mediante attivazione delle cellule piramidali dello strato V della corteccia, i quali effetti si propagano a carico di tutti i bersagli postsinaptici (un singolo neurone piramidale può ricevere circa 60 000 contatti sinaptici e prendere a sua volta contatto con altri 5000 neuroni). Pur servendosi di meccanismi di stimolazione elettrica comuni a molte tecniche di brain imaging funzionale, la TMS è l’unica a fornire un nesso causale con il comportamento a partire dall’attivazione cerebrale, con reversibilità ed alta risoluzione spaziale e temporale.

È stato dimostrato l’effetto terapeutico della TMS per: depressione; ictus; disturbo ossessivo compulsivo; disturbo bipolare–mania; schizofrenia (catatonica–allucinazioni); sindrome di Tourette; epilessia; morbo di Parkinson; dolore; emicrania; acufene; oltre a risultati contrastanti in merito alla sua efficacia nei confronti della fibromalgia. Tuttavia, nonostante la sua grande funzionalità, questa tecnica può produrre gli effetti collaterali di: vertigo; disagio del cuoio capelluto presso il sito di stimolazione; cefalea ed emicrania da tensione muscolare; variazioni a breve termine della soglia dell’udito relative al rumore generato; alterazioni cognitive durante la stimolazione; induzione di crisi epilettiche (i protocolli di sicurezza corrente regolano la quantità di stimolazione in relazione alla soglia motoria dell'individuo); oltre a rari effetti indesiderati gravi quali convulsioni, sincope, perdita dell’udito e accentuazione delle tendenze psicotiche nei pazienti bipolari.

Di conseguenza, prima di iniziare l’esame di TMS occorre eseguire un’accurata anamnesi per verificare la presenza di controindicazioni quali: epilessia e patologie neurologiche; tatuaggi permanenti sul viso (contengono metallo e vengono esposti al rischio di deformazione, oltre all’alterazione elettrica dello stimolo); protesi metalliche; protesi elettroniche; assunzione di farmaci che possono influenzare la soglia di eccitabilità; uso di sostanze che possono creare dipendenza; stato di gravidanza.

Elettroencefalografia

L’EEG è una tecnica di registrazione dell’attività elettrica del cervello, largamente utilizzata in ambito clinico e di ricerca per la sua capacità di rilevare e registrare le onde cerebrali attraverso l’uso di elettrodi posizionati sulla superficie dello scalpo.