Appunti esame psicofisiologia clinica

ESAME PSICOFISIOLOGIA CLINICA

PROF.SSA D.TEMPESTA / A. D’ATRI

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DELL’AQUILA CRISTIANA

I BIOSEGNALI

La psicofisiologia clinica studia le modificazioni dei processi biologici nel corso dei diversi disturbi

psichici e psicosomatici operando non più in un setting di laboratorio con soggetti sani, ma in

ambito clinico con pazienti affetti da disagio psichico o psicosomatico.

La psicofisiologia è quindi un ambito in cui si indagano gli aspetti clinici psicopatologici mediante

quelli che sono gli indici elettrofisiologici, i cosiddetti biosegnali come ad esempio i potenziali

d’azione, l’elettroencefalografia e così via.

I biosegnali sono segnali che vengono generati da organismi, da strutture biologiche e le

informazioni che questo tipo di segnale ci consente di acquisire sono delle informazioni sul

sistema, la struttura o il processo fisiologico che ha generato quel segnale.

In psicofisiologia clinica studiamo i biosegnali perché le informazioni che ci danno possono fornirci

un indicatore clinico diagnostico sulla condizione magari di normalità o di patologia del

funzionamento dell’organismo, della struttura che ha generato questo segnale.

Per cui l’aspetto fondamentale del segnale è il suo contenuto informativo, quindi dobbiamo

immaginare che ogni volta che parliamo di eeg, ecg, eog, conduttività cutanea dobbiamo pensare

al fatto che stiamo facendo delle misurazioni per ottenere informazioni dal segnale.

È importante comprendere che l’aspetto informativo del segnale è nelle sue variazioni, un

parametro che rimane fisso e che non è variabile non fornisce in realtà nessuna informazione a chi

lo sta misurando, perché la misura sarà sempre la stessa per cui non fornirà informazioni di

particolare interesse.

Normalmente, quindi quello che si guarda di un segnale sono le variazioni della grandezza fisica

che stiamo misurando in uno specifico dominio e questo dominio all’interno del quale variano le

grandezze dei biosegnali è normalmente il tempo, quindi noi andiamo a guardare la variazione del

segnale nel tempo.

I segnali generati dal nostro organismo possono essere di natura diversa e forniscono quindi

informazioni diverse, lo stesso fenomeno può essere studiato anche attraverso indici di natura

diversa, attraverso segnali di natura elettrochimica, come eeg, emg, ecg, eog, ma anche segnali

meccanici, che contemplano misure di pulsazione, flussi, come può essere quello del flusso

sanguigno o del battito cardiaco, o anche segnali termici ecc.

Quello che è importante è che in tutti questi segnali, di qualsiasi natura essi siano, quello che si va

a guardare è la variazione dell’unità di misura che si sceglie e che è definita dal nostro strumento

di misurazione.

I biosegnali sono quindi gli strumenti di misura che si utilizzano nella psicofisiologia clinica, un dato

elettrofisiologico, esempio pratico è l’ecg, sono tutti quei tipi di segnali in cui noi andiamo a

registrare dei potenziali.

Qualsiasi segnale che viene da un organismo viene misurato in microvolt, quindi in voltaggi, il

microvolt, il volt, il voltaggio, è una differenza di potenziale e questo è importante da ricordare,

quindi qualsiasi cosa viene registrata attraverso il microvolt sta registrando una differenza di

potenziale, differenza di potenziale che deriva dall’attività corticale.

Noi sappiamo che i neuroni comunicano tra loro, quindi tutto qualsiasi processo avviene a livello

cognitivo, sensoriale, percettivo nel cervello e che ci fornisce la consapevolezza di noi stessi e la

capacità di interpretare la realtà deriva tutto dalla comunicazione tra neuroni.

Tutto quello che riguarda la nostra esperienza cosciente è mediata dall’attività corticale, noi siamo

il funzionamento del nostro cervello, i neuroni comunicano tra loro attraverso segnali elettrici e

sono questi ultimi che andiamo a registrare.

Il segnale viene rilevato dall’organismo normalmente attraverso elettrodi, per quanto riguarda i

segnali bioelettrici, mentre con altri tipi di sensori, trasduttori o sonde nel caso di altri segnali, dai

quali si ottiene un potenziale d’azione, una corrente o una carica elettrica che è un segnale

analogico che va convertito in digitale per accedere all’elaborazione.

Quindi la fase di acquisizione prevede la presenza di una sorgente, una trasformazione, una

traduzione del segnale in voltaggi, come nell’eeg, dopo di che normalmente sono previsti dei

processi di amplificazione del segnale e di filtraggio e prima di passare ad aspetti di elaborazione

in quanto tale viene fatta la conversione analogico digitale che consiste nella discretizzazione del

segnale, quindi nel passaggio di una rappresentazione del segnale continua ad un segnale

discreto in bit.

Si passa poi dalla fase di acquisizione ad una fase di elaborazione del segnale in cui normalmente

vengono applicati ulteriori filtri e in cui vengono rilevati gli eventi effettivamente rilevanti ai fini

dell’indagine che si sta attuando, dell’informazione che si vuole ottenere.

In questa fase quindi si estrapolano dal segnale totale solo le parti, gli aspetti che sono rilevanti ai

fini della misurazione che vogliamo andare a fare, tutta la parte di acquisizione e di elaborazione

del segnale è volta primariamente a migliorare il rapporto segnale su rumore ai fini di poter estrarre

il maggior numero di informazioni e soprattutto informazioni il più possibile affidabili.

Il concetto del rapporto segnale su rumore è un concetto molto importante soprattutto per quanto

riguarda i dati di elettrofisiologia perché spesso i tracciati elettropoligrafici che siano di eeg, eog,

ecg, ecc. possono essere ricchi di molto rumore.

In un tracciato non filtrato vedremo che al segnale a cui siamo interessati è come se fosse

sovrapposto un altro segnale molto più rapido, molto più casuale che va a sporcare in qualche

modo il segnale che dobbiamo analizzare.

Questa tipologia di sporcizia è definita rumore, è rumore elettrico, perché è un’attività sovrapposta

ad una frequenza più alta al segnale che ci interessa e che oscura il dato e la capacità di trarre

informazioni dal segnale.

È per questo che applichiamo i filtri, ma in questo passaggio è molto importante ridurre al minimo e

ipoteticamente evitare la perdita di informazione, perché è ovvio che nel momento in cui io vado ad

eliminare e a filtrare il mio dato sto eliminando una parte del segnale e devo essere certa che sia

una parte del segnale a cui non sono interessata, altrimenti rischio di perdere alcune informazioni

a cui in realtà sarei interessata.

Quindi gran parte della fase di processamento del dato, soprattutto nel caso di dati elettrofisiologici

è mirata alla rimozione di artefatti, gli artefatti sono proprio quegli elementi che sono presenti

all’interno del segnale, ma che non fanno parte di quella porzione di segnale a cui siamo

interessati e da cui vogliamo trarre informazioni, quindi creano rumore.

Gli artefatti possono essere in questo genere di segnali prevalentemente di natura elettrica, ma

questa natura elettrica può essere endogena oppure esogena, di natura esogena nel senso che si

parla di altri segnai elettrici in ingresso che non arrivano dall’organismo, ma che vengono

semplicemente trasmessi dal sistema di acquisizione o da altri elementi elettronici, come cellulari

presenti nella stanza, oppure possono essere endogeni, come ad esempio un attacco epilettico.

Un attacco epilettico è un artefatto di natura elettrica endogena, ed è un problema che ci si trova

ad affrontare spesso se si lavora con eeg intracranico con pazienti epilettici.

Gli artefatti non sono solo di natura elettrica, ci sono anche artefatti di movimento, perché sull’eeg

e su qualsiasi tracciato di questo genere, anche i muscoli creano una differenza di potenziale che

viene registrata da elettrodi posti sulla cute, per cui gli artefatti di movimento sono piuttosto comuni

nei tracciati eeg e non solo.

Ci sono altre tipologie di artefatti di natura termica che possono incidere sulla forma del segnale

che vediamo, ma anche sulla capacità dello strumento di acquisire il dato.

Tra gli strumenti per l’acquisizione dei biosegnali troviamo: l’elettroencefalogramma, che ha la sua

utilità sia come strumento per la registrazione dell’attività cerebrale spontanea, sia per o studio

dell’attività cerebrale in risposta all’ambiente, quindi i potenziali evocati.

La magnetoencefalografia, che è una tecnica equivalente all’eeg, ma che invece di registrare il

campo elettrico generato dai potenziali d’azione studia il potenziale magnetico, il campo magnetico

generato dalla variazione del potenziale elettrico dovuta al potenziale d’azione.

L’elettrocardiogramma e l’elettromiogramma, in particolare ecg ed attività elettrotermica misurano

l’attività del sistema nervoso periferico autonomo, l’elettromiografia misura la contrazione

muscolare.

Abbiamo poi l’elettroculografia che riesce a darci molte informazioni, da una parte è molto utile

rispetto all’identificazione di alcuni stadi del sonno e da informazioni molto interessanti anche su

alcuni processi indiretti che riguardano l’attenzione, la focalizzazione dell’attenzione, e altri

processi cognitivi possono essere in qualche modo indirettamente studiati attraverso la discrezione

dei pattern dei movimenti oculari.

Ci sono poi le tecniche di stimolazione, come la stimolazione magnetica transcranica e la

stimolazione transcranica con corrente elettrica, l’idea è quella di andare a vedere come è

possibile ottimizzare le tecniche di stimolazione per andare ad interagire con l’attività corticale e

vedere come la reazione a specifiche interazioni tra stimolazione e attività corticale può fornire da

una parte ulteriori informazioni circa il sistema e la fisiologia che stiamo andando a studiare,

dall’altra possono rivelarsi utili strumenti terapeutici, proprio perché sono in grado di modulare e

modificare la fisiologia corticale.

L’ELETTROENCEFALOGRAMMA (EEG)

L’elettroencefalogramma permette la registrazione dell’attività neurale che si può ottenere anche in

maniera evocata, e questo è il metodo di elezione nello studio della psicofisiologia, perché si tratta

di andare ad analizzare e trarre informazioni da una misura dell’attività corticale che è la misura

principe dalla quale possiamo ottenere informazioni sul funzionamento del cervello e su quali

processi all’interno della comunicazione neurale possono essere alterati in specifiche patologie.

L’identificazione di specifiche alterazioni nell’attività corticale può fornire indicazioni rispetto a

meccanismi patologici che effettivamente sono coinvolti non solo rispetto ad alterazioni strutturali

in cui magari la risonanza magnetica potrebbe essere superiore come meccanismo di indagine

dello status cerebrale, ma quando si tratta di alterazioni funzionali, ovvero legate a come funziona,

a come si attiva e a come comunicano i neuroni più che alla presenza o meno di sostanza grigia o

sostanza bianca.

Quando parliamo di alterazioni funzionali in contrapposizione ad alterazioni strutturali intendiamo

per alterazioni strutturali quello che può essere ad esempio il processo di neurodegenerazione in

una patologia neurodegenerativa, l’Alzheimer prevede la neurodegenerazione corticale per cui in

funzione dello stato della patologia noi avremmo che aree progressivamente sempre più estese

subiscono il processo di degenerazione e quindi se vogliamo sapere quali sono le aree in cui

avviene il processo neurodegenerativo ha più senso andare a guardare le neuroimmagini, quindi

segnali che arrivano attraverso l’interazione con l’ambiente e quindi con i campi elettromagnetici

della risonanza magnetica, mentre se siamo interessati a capire se ci sono delle aree il cui

funzionamento è alterato e quindi solo quando sono coinvolte in specifici compiti magari, allora

l’eeg diventa lo strumento d’elezione.

In questi casi l’eeg diventa lo strumento d’elezione perché ha di molto superiore rispetto alle altre

tecniche di neuroimmagini la risoluzione temporale, l’eeg permette di acquisire il segnale

elettroencefalografico istantaneamente e con una risoluzione temporale che va in funzione delle

caratteristiche della strumentazione ma che normalmente è all’interno dei millisecondi e quindi

permette una descrizione della risposta cerebrale molto puntuale e in intervalli di tempo

effettivamente ristrettissimi.

Il punto di forza dell’eeg è la sua risoluzione in termini temporali, l’importanza del segnale è quella

di poter trarre informazioni rispetto alla sua variazione nel tempo, per cui quando sono coinvolti

processi fisiologici , come quelli che determinano l’attività corticale che prevedono variazioni in

istanti di tempo molto brevi, come quello che riguarda i processi cognitivi effettivamente l’eeg è il

sistema preferenziale.

Il punto debole dell’eeg rispetto a tecniche quali la risonanza magnetica o la pet è invece la sua

risoluzione in termini spaziali, in cui tecniche di neuroimmagini sono molto più elevate, per questo

quando dobbiamo andare a studiare alterazioni strutturali, quindi a livello spaziale e quindi

abbiamo bisogno di un elevata risoluzione spaziale, ovvero la capacità di andare molto

precisamente a localizzare una lesione o un processo neurodegenerativo in un area strumenti

quali risonanza magnetica o pet sono superiori, mentre quando siamo interessati a variazioni

funzionali è più indicato l’eeg o una commistione delle tecniche, oggi dove è possibile spesso si

punta all’integrazione di queste tecniche.

Quello che fa l’eeg è registrare attraverso elettrodi posti superficialmente sullo scalpo l’attività

elettrica di popolazioni di neuroni, il primo che si rese conto di come sia possibile rilevare l’attività

elettrica cerebrale generata dai neuroni è stato Richard Canton, nel 1875, che studiando gli animali

ha scoperto che posizionando due elettrodi sulla superficie cerebrale dei due emisferi, oppure un

elettrodo sulla superficie cerebrale e un altro sullo scalpo era possibile, se si connettevano questi

due elettrodi ad un galvanometro, strumento che misura le differenze di potenziali, registrare delle

correnti elettriche, quindi delle variazioni di potenziale, e si rese conto che la corrente generata dal

cervello era effettivamente diversa, le variazioni di voltaggio che si registravano dal cervello

variavano in termini di ampiezza e frequenza durante il sonno o quando l’animale muore e che nel

momento in cui l’animale moriva l’attività elettrica registrata dalla strumentazione scompariva.

Questo è il primo dato che la ricerca scientifica ha trovato rispetto alla possibilità di andare ad

indagare l’attività corticale attraverso lo studio dei potenziali elettrici che potevano essere registrati

dallo scalpo.

Asperger, a cui viene attribuita la scoperta dell’eeg e delle onde alfa, è stato il primo ad aver

applicato la stessa tecnica di Canton all’uomo e ha scoperto che registrando l’attività corticale

attraverso elettrodi era possibile andare ad indagare e trovare dei pattern di attivazione, quindi

delle caratteristiche specifiche del segnale che potevano dare informazioni rispetto allo stato del

sistema cervello in quel momento.

L’eeg registra l’attività di ampie popolazioni neuronali che si trovano nelle aree sottostanti

l’elettrodo e quello che registra all’atto pratico sono esattamente i potenziali che partono a livello

corticale e che fluiscono perpendicolarmente rispetto allo scalpo.

L’elettrodo di registrazione ha una sensibilità che è molto maggiore per flussi di corrente, campi

elettrici che sono perpendicolari rispetto all’elettrodo stesso, visto che l’elettrodo è posizionato sulla

superficie dello scalpo sarà più sensibile e registrerà maggiormente tutti quei potenziali che

effettivamente arrivano lungo la traiettoria perpendicolare rispetto all’elettrodo stesso.

L’eeg misura una differenza di potenziale, misura dei voltaggi che non sono altro che differenze di

potenziale, mentre nel potenziale evocato quello che viene registrato è la differenza di potenziale

che c’è tra l’interno e l’esterno della cellula, infatti si parla del potenziale di membrana, nell’eeg

quello che si va a misurare è la differenza di potenziale che c’è tra un elettrodo attivo che si mette

nell’area a cui siamo interessati di registrare l’attività corticale, e un altro elettrodo che viene

definito neutro o passivo, e che funge da referenza.

Una strumentazione eeg per la registrazione prevede almeno la presenza di due elettrodi anche se

in realtà acquisiamo l’informazione da un solo elettrodo, perché quello che andiamo a registrare è

la differenza di potenziale che c’è tra questi due elettrodi, in questo caso si parla di montaggio

monopolare.

Nel caso in cui invece cosa che si utilizza molto nella clinica siamo interessati a guardare la

differenza che c’è tra due aree attive si utilizza un montaggio bipolare, questa tipologia di

montaggio si utilizza anche per la registrazione, ad esempio dei movimenti oculari e per la

registrazione dell’elettromiografia e in questo caso si posizionano due elettrodi su due aree a cui

siamo interessati e misurare la differenza di potenziale che c’è tra queste due aree.

La differenza di potenziale noi l’avremo tanto maggiore tanto più le due aree che stiamo misurando

mostrano un’attività diversa, per cui se io calcolo una differenza di potenziale mettendo due

elettrodi molto vicini io non trover&o