Psicofisica, fisiologia e protesi del tatto e dell'udito

Consiste nell’inserzione percutanea nel nervo di un elettrodo di tungsteno che permette la

registrazione dell’attività nervoso e/o l’iniezione di corrente nel nervo stesso. Si tratta di

una metodica minimamente invasiva.

Si ha un amplificatore elettronico, un display e una rappresentazione audio. Un elettrodo

porta il vero segnale, uno funge da secondo polo (si tratta infatti di misure bipolari) e un

terzo elettrodo funge da massa, in modo tale da avere una misura più stabilizzata. In

questo modo si registra l’attivazione neurale di una singola fibra.

Il segnale prelevato è molto piccolo (μV), per cui può essere coperto dal rumore generato

da altri apparecchi. Inoltre la stanza in cui viene effettuato l’esperimento è schermata per

filtrare eventuali interferenze elettromagnetiche.

L’elettrodo è dotato di una punta molto sottile, in grado di entrare in contatto con il singolo

assone. Se durante la registrazione l’elettronica è ad alta impedenza, cioè registra, viene

mandata in bassa impedenza, cioè si stimola attivamente sul nervo. In questo modo si può

ottenere anche un percetto. Il nervo ha un’impedenza sia resistiva che capacitiva,

dell’ordine di decine di kΩ.

L’elettrofisiologo posiziona l’elettrodo a partire da punti di riferimento anatomici.

Il nervo è costituito da fascicoli dove viaggiano i segnali in entrambe le direzioni (sia

sensoriali che motorie) per cui si può stimolare entrambi.

Generalmente si lavora sul nervo mediano, che innerva le prime 3 dita dal pollice, e il

nervo ulnare, che innerva le ultime due. In particolare il nervo mediano può essere

contattato sul bicipite o sul polso.

Dalla registrazione si ottiene un duplice segnale: rosso, che costituisce il segnale neurale

grezzo, e uno bianco, derivato dall’elaborazione di quello grezzo, e dove vengono

individuati gli spike. Applicando degli stimoli tramite una piattaforma con diverse superficie,

ognuna di queste viene correlata alla risposta a spike registrata. L’obiettivo è correlare lo

stimolo all’attivazione dei neuroni del primo ordine, più che al percetto, e in questo modo

creare dei modelli.

Durante l’esperimento la persona

deve essere molto ferma per

evitare spasmi muscolari. Inoltre

gli stimoli devono essere

standardizzati per rendere

l’esperimento ripetibile e creare

un modello. Questo è reso

possibile da delle piattaforme

robotiche. In particolare in fase di

progettazione è necessario

garantire che non venga introdotto

del rumore elettromagnetico, e

per farlo, per attivare i motori,

vengono utilizzati dei driver

lineari. Inoltre si deve garantire

che la piattaforma di stimolazione

non introduca delle vibrazioni

spurie, altrimenti l’uscita non è

una rappresentazione fedele allo

stimolo. Per ovviare a questo

problema si sfrutta la fisiologia. Infatti esistono dei recettori meccanici che sono in grado di

rilevare forze costanti (slowly adapting) ed altri invece che rispondono solamente ai

transitori (fast adapting), cioè alle variazioni di forza. Se la piattaforma non ha vibrazioni gli

impulsi proverranno solamente dagli slowly adapting.

Elettroencefalografia

Rispetto alla metodica precedente, si passa dalla periferia al centro. Questa metodica

viene utilizzata per indagare a livello del cervello invece che in periferia perché non è

invasiva a differenza della microneurografia.

Si collegano due elettrodi sulla scatola cranica, e si vede come si attivano i neuroni

sottostanti. Di fatto abbiamo una matrice di elettrodi. Le onde encefalografiche ottenute,

sono il risultato delle attività elettriche sottostanti (potenziali d’azione, movimenti

oculari…). Il segnale ottenuto tutta via è molto piccolo e può essere influenzato da molti

rumori, per cui si preferisce fare più prove e poi fare una media dei segnali. Questa

metodica può essere utilizzata anche per studiare l’attività cerebrale in real time, in

risposta a specifici eventi, utilizzando i così detti potenziali evocati. In genere però si

utilizzano segnali mediati così da ottenere informazioni più precise ed eliminare le

caratteristiche che differiscono tra una prova e l’altra.

Gli elettrodi possono essere a secco o lubrificati (si riduce l’impedenza).

Grazie a dei marcatori, detti P ed N, ricerco i picchi positivi e negativi. In particolare

l’informazione risiede in dopo quanto tempo ho i picchi in seguito ad una stimolazione.

Questo metodo permette di avere una buona risoluzione temporale, ma una cattiva

risoluzione spaziale poiché è legata al numero di elettrodi impiegati, a causa del fatto che

essi sono separati. Tuttavia permette di avere una rappresentazione dell’attività neurale ed

è meno dispendiosa della fMRI e della PET.

A seconda del tipo di onda ottenuta, si possono identificare diversi stati mentali: onde di

bassa ampiezza e elevata frequenza sono associate ad una elevata attività mentale,

mentre onde di ampiezza più elevata e bassa frequenza sono associate ad uno stato

rilassato seppur di veglia.

Sistema somatosensoriale

Di uno stimolo, per qualsiasi senso, è necessario sapere la modalità, la localizzazione,

quando avviene e la sua intensità.

Le modalità possono essere:

Epicritiche: sensazioni discriminative, propriocezione (recettori incapsulati)

- Protopatiche: modalità di allerta, temperatura (recettori scoperti)

-

La mano è la zona in cui il senso del tatto è più sviluppato. Ci sono circa 17000 recettori,

con una densità massima nel polpastrello.

In generale si parte da uno stimolo meccanico, il quale genera la deformazione della pelle

e vibrazioni, i recettori generano impulsi elettrici che vengono inviati al cervello in cui si ha

la rappresentazione dello stimolo, la percezione.

Nei muscoli scheletrici esistono vari recettori, come ad esempio gli spindle che si trovano

tra le fibre muscolari che registrano la contrazione del muscolo e danno impulsi al cervello

per modulare la contrazione e dare la percezione della forza di contrazione. Oppure a

livello dei tendini esistono strutture chiamate organi di Golgi che danno feedback se si

rischia una lesione muscolare.

La pelle è organizzata in epidermide, costituita da cellule morte, e derma, che contiene

meccanorecettori a diverse profondità, come diverse funzioni.

Esistono 4 famiglie di recettori (corpuscoli):

di Meissner

- di Merkel

- di Ruffini

- di Pacini

-

I Meissner e i Merkel sono detti recettori di tipo I e si trovano più vicini all’epidermide,

mentre i Ruffini e Pacini sono detti di tipo II, e si trovano più in profondità.

I corpuscoli di tipo I sono caratterizzati da un campo recettivo più piccolo e più preciso,

mentre i tipo II da uno più grande ma più confuso e meno preciso.

Inoltre, a seconda della dinamica temporale di risposta, i corpuscoli si dividono in slowly

adapting (rispondono solo a stimoli costanti) e fast adapting (rispondono solamente a

variazioni di stimoli).

Merkel: I SA

Meissner: I FA

Ruffini: II SA

Pacini: II FA

Su un singolo assone si ha un solo recettore Ruffini e Pacini, mentre per gli altri due ci

sono più recettori per singolo assone e qualunque venga attivato genera uno stimolo sul

nervo.

Merkel

Le fibre di questi recettori sono sempre mielinizzate. La velocità di conduzione è di circa

30 m/s. Sono caratterizzati da una risposta continua a frequenza medio-bassa. Sono in

grado di riconoscere dettagli fini. Sul polpastrello ci sono circa 70 corpuscoli di Merkel per

2

ogni cm .

Meissner

Essi si trovano tra le increspature dell’impronta digitale. Per ogni Merkel ci sono in genere

2

due Meissner, per cui la densità è doppia (140/cm ). Essi rispondono alle variazioni, per

cui la risposta a spike non è continua nel tempo ma di tipo On/Off, a frequenza dai 3 ai 40

Hz. Rispondono a stimoli oscillanti e controllano la presa della mano. Sono in grado di

rilevare dettagli fini, ma nelle loro caratteristiche tempo varianti.

Ruffini

Sono recettori fusiformi, di forza, cioè rilevano quanta forza è applicata in una certa

sezione di pelle. Sono più sensibili a seconda della direzione lungo cui vengono sollecitati.

Danno una risposta continua a frequenze dai 15 ai 400 Hz. Hanno una densità sul

2

polpastrello di circa 30/cm .

Pacini

Caratterizzati da una struttura a cipolla. In particolare l’assone è circondato da delle

guaine che danno la caratteristica di trasduzione. Danno una risposta solo in seguito a

transitori, a frequenze dai 10 ai 500 Hz. Sono sensibili alle vibrazioni e alle texture quando

il dito si muove. Inoltre sono sensori di eventi rapidi, anche su porzioni ampie di pelle,

eventi che richiedono una risposta rapida (bottiglia che cade).

La guaina che riveste l’assone nei corpuscoli di Pacini ha una funzione ben precisa. In

particolare si hanno delle lamine di connettivo intorno alla terminazione dell’assone a

formare una sorta di cipolla. In caso di stretch sulle lamelle, si ha un allargamento dei

canali per il sodio, i quali determinano un cambiamento di permeabilità al sodio tra interno

ed esterno della cellula, per cui cambia la mobilità. Per ripristinare l’equilibrio

elettrochimico viene generato un impulso elettrico.

La terminazione dell’assone è di per sé meccano sensitiva, cioè applicando una forza sulla

membrana, si ha una variazione del potenziale di membrana. Tuttavia grazie alla struttura

a cipolla, applicando lo stesso stimolo, il potenziale varia solo nel momento di variazione

dello stimolo in quanto, quando lo stimolo è costante non ho più vibrazioni, per cui la

membrana si rilassa e il potenziale depolarizzante si esaurisce. Per cui la struttura a

cipolla conferisce di fatto la caratteristica FA.

Tutti questi recettori sono caratterizzati da un limite di impulsi che possono produrre. Oltre

questo limite il recettore va in saturazione. A questo punto vengono reclutati recettori vicini

che integrano l’informazione. Si parla di effetto di popolazione.

Fenomeno dell’adattamento

Questo fenomeno permette che uno stimolo costante, senza cambiare posizione e

ampiezza, non venga più ascoltato se mantenuto per molto tempo, neanche dai recettori

slowly adapting.

In particolare i due tipi di recettori, slowly e fast adapting, caratterizzano un lento e veloce

adattamento e in questo modo permettono di dare diverse rappresentazioni dello stimolo

nel tempo.

Scorrendo il dito su una serie di caratteri braille posti lungo un asse spaziale o temporale,

si vanno a registrare le attivazioni