Riassunto esame Psicofisiologia, prof. Sarlo, libro consigliato Psicofisiologia dei processi cognitivi e emozionali, Pennisi, Sarlo

Psicofisiologia

La psicofisiologia si occupa della relazione tra mente e corpo, ovvero della relazione tra processi fisiologici e psicologici nel cervello e nel corpo. Si caratterizza per essere un approccio multidisciplinare che enfatizza livelli multipli di analisi. È importante sottolineare che la conoscenza dei sistemi fisiologici non è di per sé condizione necessaria né sufficiente per dare significato psicologico alle risposte fisiologiche. Fisiologia e psicologia sono infatti complementari.

Psicofisiologia: “studio scientifico dei processi cognitivi, emozionali, sociali e comportamentali rilevati attraverso principi ed eventi fisiologici”.

Livelli di analisi in psicofisiologia

• Soggettivo
• Comportamentale
• Fisiologico

La registrazione elettrofisiologica

I tipi di biosegnale rilevati in psicofisiologia sono:

• Potenziali bioelettrici (EMG, ECG): prodotti dall'attività elettrochimica delle cellule dell'organismo. Sono variazioni nella distribuzione di ioni all'interno e all'esterno di cellule specializzate e rappresentano la somma di potenziali d'azione di centinaia di migliaia di cellule che si diffondono attraverso i fluidi interstiziali fino alla superficie.
• Segnali bioelettrici di altra natura (conduttanza e resistenza cutanea).
• Segnali biofisici di natura non elettrica (pressione arteriosa, attività respiratoria).

Tutti i biosegnali devono comunque essere convertiti in potenziali elettrici.

Elettrologia di base

Corrente (I) è il movimento di elettroni dal polo negativo a quello positivo attraverso un conduttore. Si misura in A°.

Differenza di potenziale o tensione o voltaggio (V, E) indica la concentrazione di cariche elettriche opposte in due poli. Si misura in volt (V).

Resistenza (R) è l'offerta al passaggio della corrente, si misura in Ohm. La legge di Ohm è data dalla formula V=I x R.

Tipi di corrente

• Corrente continua (DC): flusso unidirezionale e di intensità costante.
• Corrente alternata (AC): il flusso varia periodicamente sia in ampiezza che in direzione e produce una forma d’onda caratteristica, ovvero l’onda sinusoidale.

L’onda sinusoidale

I parametri principali di quest’onda sono:

• Ampiezza: in Volt, tensione massima del segnale. Base-picco, picco-picco.
• Periodo: T, in secondi o msec, tempo necessario per compiere un ciclo completo.
• Frequenza: Hz, inverso del periodo, n° di cicli al secondo.
• Angolo di fase: sfasamento temporale rispetto al ciclo. In fase: due segnali sfasati di 0°, 360°. Antifase: due segnali sfasati di 180°.

La catena di registrazione

• Applicazione dei biosensori sui siti di interesse
• Amplificazione e filtraggio del segnale
• Visualizzazione e/o registrazione del segnale

Elettrodi

Funzione: prelievo del segnale e conduzione dello stesso alle apparecchiature. Devono essere dei buoni conduttori e quindi costituiti da materiale metallico stabile e inerte, resistente alla polarizzazione. Il miglior metallo per costruirli è l’argento rivestito di cloruro d’argento (Ag/AgCl). Ne esistono di due tipi:

• Di superficie (i più utilizzati in psicofisiologia): diametro compreso tra 0.25 e 2 cm
• Ad ago o infissione: per registrare l’attività di un n° limitato di cellule

Maggiore è il diametro e la distanza reciproca degli elettrodi maggiore sarà l’attività elettrica rilevata, ovvero più ampia e globale.

Applicazione degli elettrodi

• Pulizia della pelle
• Dermoabrasione: per ridurre la naturale tendenza isolante della pelle
• Gel o pasta elettroconduttrice: favorisce la conduzione del segnale e ammortizza eventuali movimenti

L’impedenza tra gli elettrodi deve essere sempre < di 5-10 KOhm e bisogna sempre utilizzare almeno una coppia di elettrodi.

Montaggio

• Monopolare: (EEG) un sito attivo e uno elettricamente neutro (di riferimento)
• Bipolare: (EMG, ECG) due siti attivi, confronto tra i due

Trasduttori

Servono per convertire i biosegnali non direttamente rilevabili come differenze di potenziali in potenziali bioelettrici. Servono per i fenomeni meccanici, termici e pressori. Esempi di trasduttori: estensimetro, fotopletismografo, termistore.

Amplificazione

Serve per aumentare l’ampiezza del segnale, da microVolt a mV, lasciandone inalterate le caratteristiche salienti, in modo tale che il segnale possa essere rilevato dalle apparecchiature di registrazione.

Amplificatore

• Coupler: rende omogenee le caratteristiche elettriche dei segnali e fornisce loro energia
• Preamplificatore: incremento dell’ampiezza del segnale
• Postamplificatore: porta l’intensità a un livello sufficiente per la registrazione

Gli amplificatori possono essere:

• In DC o a collegamento diretto: rilevano la reale differenza di potenziale tra due siti; non usano filtri passa-alto; ideali per segnali a bassa frequenza; presentano instabilità isoelettrica;
• In AC o in collegamento capacitivo: definiscono l’amplificazione sulla base dell’ampiezza effettiva e sulla frequenza del segnale; dotati di condensatore; usano una Kt; utilizzano filtri che bloccano la corrente continua e ostacolano le basse frequenze.

Amplificatore differenziale

Uno degli amplificatori più utilizzati in psicofisiologia è l’amplificatore differenziale:

• Circuito elettronico che amplifica la differenza tra due misure di voltaggio rilevate rispetto alla terra
• Il segnale sottrae i due segnali e amplifica la differenza
• Ogni segnale comune ai due siti viene eliminato (rumore)
• L’elettrodo di terra serve come riferimento comune all’input differenziale

Signal to noise ratio: indica la quota di potenziale bioelettrico di interesse in relazione a quella di disturbo all'interno del segnale amplificato.

Guadagno

Fattore di moltiplicazione lineare = Vout/Vin= quanto il segnale deve essere amplificato per raggiungere 1 V (= Vout). Il guadagno non ha unità di misura.

Filtraggio

Il segnale può essere distinto dal rumore sulla base di alcune caratteristiche. Lo scopo è quello di attenuare/eliminare il rumore (specifiche frequenze al di fuori del segnale di interesse) e permettere il passaggio delle frequenze desiderate. Può essere effettuato on-line o off-line.

Filtri

Indicate con il valore della frequenza di taglio (Ft)= frequenza a cui il segnale viene attenuato di circa il 30%. Hanno un effetto progressivo e non immediato:

• Taglia alto (passa basso): eliminano le frequenze maggiori a quella di taglio
• Taglia basso (passa alto): eliminano le frequenze minori a quella di taglio

Spesso indicati con la costante di tempo (Kt)= tempo che impiega un segnale ad onda quadra a ridursi del 63% del suo valore originario, ovvero l’intervallo di tempo che facilita il passaggio di una determinata frequenza. La Kt ha effetto solo sui segnali più lenti Ft= 0.159/Kt(sec).

• Passa-banda: fanno passare solo uno specifico range di frequenze
• Notch-filter o band-stop: ad esclusione di banda, per la corrente di rete (50Hz)

Visualizzazione e registrazione

I sistemi di visualizzazione e registrazione sono di due tipi:

• Analogici: rappresentano in modo continuo le variazioni di ampiezza in funzione del tempo.
  • Poligrafo: (limite meccanico)
  • Oscilloscopio: non permette la conservazione della traccia
  • Registratore magnetico: non si può monitorare direttamente il segnale durante la registrazione
  • Modulazione di frequenza: il segnale di ingresso viene usato per modificare la frequenza di un segnale portante
• Digitali: convertono il segnale continuo in un formato discreto, numerico. Viene effettuato un campionamento del segnale tramite la scheda analogico/digitale che consiste nel raccogliere dal segnale una serie di valori numerici a intervalli di tempo. Questi intervalli dipendono appunto dalla frequenza di campionamento che deve essere almeno il doppio della frequenza più alta del segnale di interesse.
  • Fenomeno dell’aliasing: componenti di frequenze appartenenti al segnale di interesse non vengono riprodotte dal campionamento
  • Risoluzione: data dal n° di valori discreti che la scheda A/D può produrre sul range di voltaggio e determina l’accuratezza del campionamento

Artefatti di registrazione

= interferenza proveniente da sorgenti non direttamente associate al fenomeno di interesse.

• Elettrici: prodotti da strumenti e attrezzature. Si prevengono con schermatura e messa a terra dei circuiti di alimentazione. Sono prodotti da:
  • Elettrodi
  • Apparecchiature di amplificazione e registrazione  corrente di rete
  • Energia elettrostatica
  • Biosegnali diversi da quelli di interesse
• Meccanici: tutti i tipi di movimento e l’inerzia delle penne scriventi del poligrafo
• Termici: prodotti dall’alterazione della temperatura e degli strumenti di registrazione e dall’attività termoionica. Si risolvono tramite l’utilizzo di materiali semiconduttori e con la climatizzazione e l’adeguata areazione dell’ambiente di registrazione.

Fattori che incidono sulla qualità del segnale

• Alta impedenza della pelle
• Bias o offset potential degli elettrodi
• Polarizzazione
• Artefatti da corrente di rete
• Contaminazione da altri segnali
• Aliasing
• Scarsa risoluzione in ampiezza o saturazione del segnale

Analisi dei dati

• Qualità del segnale:
  • Eliminazione degli artefatti
  • Massimizzazione del rapporto segnale/rumore
  • Tecniche specifiche per ogni segnale
• Riduzione dei dati:
  • Quantificazione e estrazione dei parametri: estrazione di un n° ridotto di valori numerici dai dati registrati, usati poi nell’analisi statistica
  • Identificazione di una baseline
• Analisi statistica dei parametri

L’elettromiogramma (EMG)

La muscolatura striata può trovarsi in due condizioni:

• Contrazione:
  • Isotonica: con movimento costante e accorciamento delle fibre
  • Isometrica: in assenza di movimento, a lunghezza costante e non comporta variazione nella lunghezza delle fibre
• Rilassamento

Anatomia e fisiologia del muscolo striato

Il muscolo striato è un tessuto organizzato gerarchicamente. È costituito infatti da fasci, costituiti a loro volta da numerose fibre formate da miofibrille costituite da actina e miosina. Il muscolo è innervato da un solo nervo motorio, costituito da più motoneuroni (pool di motoneuroni), il cui corpo cellulare si ritrova nel corno ventrale del midollo spinale. Genera e trasmette forza.

Unità motoria: motoneurone + fibrille muscolari innervate dalle fibrille assoniche. Minore è il diametro degli assoni  minore il numero di fibre innervate  maggiore la precisione del movimento = rapporto di innervazione fibre motorie: motoneurone. È l’unità funzionale di base, che dà origine ad un singolo potenziale d’azione.

L’elettromiogramma è la registrazione dell’attività elettrica nei muscoli in seguito a stimolazione nervosa. Riflette l’insieme quasi-casuale dei potenziali d’azione di gruppi di unità motorie di un muscolo in contrazione. Si genera quindi un potenziale d’azione  fibrille assoniche  liberazione acetilcolina nello spazio sinaptico (sinapsi=placca neuromuscolare)  effetto eccitatorio sulle fibre muscolari  la membrana delle fibre diventa sensibile al sodio  depolarizzazione  generazione di un potenziale d’azione muscolare  liberazione di calcio nelle fibre  scorrimento delle fibre di actina tra quelle di miosina  contrazione.

L’EMG può essere messo in relazione alla tensione nel muscolo (per contrazioni isometriche).

L’EMG di superficie è costituito dall’attività elettrica che si propaga dal muscolo alla pelle attraverso i liquidi extra-cellulari. È una misura diretta dell’attività elettrica che accompagna gli eventi meccanici. È importante sottolineare però che si ottengono informazioni solo sull’attività di interi gruppi muscolari  problemi di attribuzione dell’attività.

Fattori da cui dipende l’intensità di contrazione

• Reclutamento spaziale: n° di unità motorie reclutate
• Frequenza di scarica delle fibre: le unità motorie possono scaricare a frequenze più alte per generare maggiore tensione

Fatica neuromuscolare: decremento temporaneo della performance muscolare, definibile come incapacità di mantenere o sviluppare forza.

Rilevazione EMG

I parametri dell’EMG possono sovrapporsi a altri eventi bioelettrici (EEG, ECG). Per evitarlo è fondamentale un’attenta preparazione del sito cutaneo e una precisa apposizione degli elettrodi:

• Il sito cutaneo deve essere in corrispondenza del muscolo
• Gli elettrodi posizionati parallelamente all’andamento del muscolo
• Diametro degli elettrodi dipende dalla grandezza del muscolo (0.5 cm tronco, 2.5 cm viso)

Amplificazione differenziale e filtraggio

Dato che i segnali EMG sono molto piccoli sono molto sensibili al rumore. Il segnale viene quindi convogliato in un amplificatore differenziale. Per la rilevazione si usa una derivazione bipolare.

Integrazione del segnale

Il segnale EMG grezzo necessita di una preliminare elaborazione prima di giungere ai dispositivi di registrazione. Viene innanzitutto sottoposto a una procedura di rettificazione del segnale grezzo in cui le deflessioni positive e negative del segnale vengono combinate insieme. Successivamente un contour follower determina l’area del tracciato ottenuto e esprime in Volt l’attività elettrica totale proveniente dai muscoli sottostanti gli elettrodi durante il periodo di registrazione  integrazione. Il segnale grezzo ha una frequenza di KHz mentre quello integrato di 10-200 Hz.

Registrazione e analisi

Parametri:

• Ampiezza: 1-2 microVolt a riposo; in contrazione 20-50 microVolt
• Frequenza: 10-1000 Hz, banda prevalente: 20-200 Hz

L’analisi viene effettuata:

• Sulle variazioni di ampiezza:
  • Unità motorie singole: n° spike nell’unità di tempo
  • Onde complesse: deflessioni più ampie in intervalli di tempo prefissati o media di un certo n° di deflessioni tra le più ampie
• È meglio utilizzare il segnale integrato, di cui si considerano:
  • Ampiezza momento per momento
  • Ampiezza media

Elettroencefalogramma (EEG)

È costituito dalle variazioni o fluttuazioni di potenziali elettrici nel tempo registrati dallo scalpo. Il segnale è originato dall’encefalo a partire dalle sue unità funzionali: i neuroni e i dendriti corticali. L’EEG non riflette potenziali di aziona o la sommazione di potenziali di azione ma la sommazione di potenziali post-sinaptici generati dalle cellule piramidali. Le cellule piramidali producono un voltaggio di 30-50 microVolt e rappresentano circa il 70-80% delle cellule. La corteccia ha una struttura dipolare tra gli strati superiori e inferiori: in seguito a stimolazione di tipo eccitatorio i dendriti vengono depolarizzati e nello spazio extra-cellulare c’è negatività. Contemporaneamente però a livello del soma c’è positività esterna.

Onde cerebrali

Le oscillazioni elettriche ritmiche e transitorie appartengono a diverse bande di frequenza costituite da onde caratterizzate da:

• Morfologia
• Frequenza
• Ampiezza

Onde alfa

• Frequenza: 8-13 Hz
• Ampiezza: 50-100 uV
• Veglia rilassata - occhi chiusi
• Max ampiezza nelle regioni occipito-parietali (scomparsa → desincronizzazione)
• Min ampiezza nelle regioni frontali

Onde beta

• Frequenza: 13-30 Hz
• Ampiezza: 2-20 uV
• Veglia attiva (stato di allerta), risposta di orientamento
• Max ampiezza nelle regioni frontali-precentrali

Onde delta

• Frequenza: 0.5-3.5 Hz
• Ampiezza: 20-200 uV
• Sonno profondo

Onde theta

• Frequenza: 4-7 Hz
• Ampiezza: 5-100 uV
• Addormentamento, ipnosi, meditazione (comune nei bambini)

Onde gamma

• Frequenza: 30-50 Hz
• Ampiezza: 2-20 uV
• Stimolazione sensoriale e consolidamento mnestico

Complessi kappa

• Frequenza: 10 Hz
• Ampiezza: 5-40 uV
• Associati a processi di pensiero

Onde mu

• Frequenza: 9-11 Hz

Onde lambda

• Ampiezza: 20-50 uV

Rilevazione dell’EEG

• Pulizia della pelle + procedura di dermoabrasione
• Diametro elettrodi: 6-8 mm
• Impedenza 5000-10000 Ohm
• Fissaggio elettrodi tramite: pasta conduttrice, garza imbevuta di collodio, cuffie

Derivazioni standard per apposizione elettrodi

• Monopolare: 1 sito attivo + 1 sito inattivo (cefalico, non cefalico). Si effettua il confronto tra gli elettrodi attivi e il sito inattivo (o Cz) allo scopo di individuare la presenza/assenza dell’attività
• Bipolare: 2 siti attivi in aree diverse dello scalpo per registrare differenze di potenziale tra due siti attivi rispetto alla terra

Siti inattivi utilizzabili: CZ, mastoidi, lobi delle orecchie, o, se possibile, l’attività media dello scalpo (average reference).

Sistema internazionale 10-20

Elettrodi posti a distanze proporzionali standard del 10 e/o 20% lungo l’ipotetica linea sagittale che collega l’Inion al Nasion e lungo quella trasversale che collega le due depressioni auricolari. I siti sono contrassegnati da una lettera (area cerebrale): F, P, C, T, O e da un numero (lateralizzazione: n° pari dx, n° dispari sx e grado di spostamento dalla linea mediana).

Artefatti

• Esogeni: corrente di rete
• Endogeni:
  • Battito cardiaco  uso della derivazione bipolare per eliminarlo
  • Movimenti oculari
  • Blinking
  • Attività muscolare e facciale o del collo

Una procedura per eliminarli è determinarli volontariamente.

Amplificazione e filtraggio

Amplificazione: