Percezione delle emozioni e dilatazione pupillare: uno studio di neuromodulazione

Università degli studi G. D’Annunzio–Chieti Pescara

Scuola di medicina e scienze della salute

Corso di laurea in scienze e tecniche psicologiche

Percezione delle emozioni e dilatazione pupillare: uno studio di neuromodulazione

Candidato: Chiar.mo Prof. Helen Ambiel Luca Tommasi

Matricola n°: 3218857

Anno accademico: 2023/2024

Indice

• Introduzione 2
• Dilatazione pupillare ed emozioni 4
  • 1.1 Dal parasimpatico al simpatico: come gli stimoli influenzano la pupilla 4
  • 1.2 La teoria del guadagno adattivo 7
  • 1.3 Il modello ABC 9
• Dilatazione pupillare, stimoli uditivi emotivi e neuromodulazione 13
  • 2.1 I metodi di stimolazione elettrica transcranica (tES) 13
  • 2.2 Il ruolo della corteccia prefrontale dorsolaterale e ventromediale nell’elaborazione degli stimoli emotivi 14
  • 2.3 La reattività pupillare in risposta agli stimoli emotivi uditivi 19
• Studio sperimentale 22
  • 1. Ipotesi 22
  • 2. Metodo 22
    • 2.1 Partecipanti 22
    • 2.2 Questionari 22
    • 2.3 Strumenti 23
    • 2.4 Stimoli 23
    • 2.5 Procedura 23
  • 3. Risultati 25
• Discussione 28
• Conclusioni 31
• Bibliografia 32

Introduzione

Gli occhi sono lo specchio dell’anima, o almeno, della mente e per decenni gli psicologi e i neuroscienziati hanno osservato gli occhi per avere informazioni sui processi mentali. La risposta pupillare fornisce indicazioni riguardo alla cognizione, all’attenzione e all’attivazione cerebrale (Beatty, 1982).

Nella complessità del nostro mondo sensoriale, le nostre risposte agli stimoli ambientali sono modulate da una vasta gamma di fattori, tra cui l'arousal e le emozioni. In particolare, la dilatazione pupillare sembra essere un indice affidabile delle nostre risposte cognitive ed emotive agli stimoli esterni, riflettendo l'attività del sistema nervoso autonomo (Ferencova et al., 2021).

Il presente lavoro di ricerca si propone di esplorare l’interazione tra dilatazione pupillare ed emozioni (in particolare l’arousal) utilizzando una combinazione di tecniche sperimentali e teorie neuroscientifiche. Nello specifico, questo studio sperimentale si propone di indagare l'effetto di stimoli uditivi emotivi ad alto e basso arousal sulla dilatazione pupillare, nonché l'influenza della neuromodulazione sulla risposta pupillare a tali stimoli tramite la stimolazione transcranica a corrente casuale (transcranial Random Noise Stimulation; tRNS) applicata sull'area dorsolaterale prefrontale sinistra.

Nel primo capitolo, esploreremo il legame tra la dilatazione pupillare e le emozioni, focalizzandoci sulle evidenze empiriche che suggeriscono come la variazione del diametro pupillare dipenda sia dall'intensità degli stimoli emotivi, sia dall’aumento nei livelli di arousal che essi provocano. Analizzeremo, quindi, il ruolo dell'eccitazione (arousal) nella modulazione della risposta pupillare agli stimoli, fornendo una base concettuale per la comprensione dei meccanismi sottostanti alla risposta pupillare alle emozioni. Successivamente esploreremo come l'attivazione del sistema nervoso simpatico e parasimpatico possa modulare il diametro pupillare in diverse situazioni emotive.

Nel secondo capitolo, approfondiremo il ruolo della neuromodulazione corticale, concentrandoci specificamente sull'attività della corteccia dorsolaterale prefrontale sinistra, nella modulazione della risposta pupillare agli stimoli uditivi emotivi. Esploreremo le teorie e le evidenze empiriche che collegano l'attività della corteccia dorsolaterale prefrontale sinistra alla regolazione delle emozioni, evidenziando l'importanza di questa regione corticale nella regolazione della nostra risposta agli stimoli emotivi.

Nel terzo capitolo, verrà presentato il lavoro di ricerca condotto per esplorare l'interazione tra la dilatazione pupillare, le emozioni e la neuromodulazione. Questo capitolo si concentrerà sull'analisi dei risultati ottenuti attraverso lo studio sperimentale, il quale scopo è l’indagine degli effetti degli stimoli uditivi emotivi ad alto e basso arousal sulla risposta pupillare. Inoltre, sarà esaminato l'effetto della neuromodulazione corticale, in particolare della tRNS applicata sull'area dorsolaterale prefrontale sinistra sulla risposta pupillare agli stimoli emotivi. Mediante l'analisi dei dati raccolti durante l'esperimento, si cercherà di fornire una migliore comprensione dei meccanismi sottostanti alla risposta pupillare alle emozioni e all'arousal, contribuendo così ad ampliare la conoscenza sulla regolazione emotiva e cognitiva nel contesto di stimoli ambientali complessi.

1. Dilatazione pupillare ed emozioni

È possibile ricondurre le emozioni a due dimensioni principali: la valenza (positiva e negativa) e l’arousal (o intensità di attivazione o inattivazione fisiologica; Russell, 1980). Più nello specifico, cambiamenti di lunga durata e di grande intensità nella reattività generale dell’organismo possono essere indicati con il termine di arousal, i cui livelli possono variare da “calmo” a “altamente eccitato” (Doricchi & Bartolomeo, 2019). Negli anni, diversi studi scientifici (Kahneman & Beatty, 1966; Mathot et al., 2014) hanno permesso di includere la risposta pupillare tra gli indicatori fisiologici dell’arousal.

L’eccitazione fisiologica cambia costantemente durante il giorno e la sua fluttuazione influenza in modo notevole il comportamento e le performance; tali oscillazioni dell’arousal dipendono da cambiamenti dell’attività simpatica e parasimpatica nel sistema nervoso autonomo. In uno studio condotto da Ching-An Wang e colleghi (2018), nel quale venivano somministrate ai partecipanti delle immagini raffiguranti volti umani, è stato infatti dimostrato che il diametro pupillare può variare in modo indipendente dai cambiamenti nella luminosità, e ciò è stato attribuito ai cambiamenti nei livelli di arousal. Inoltre, lo stesso esperimento ha indagato ulteriormente il ruolo della risposta pupillare come un altro indicatore psicofisiologico dei livelli di arousal. In precedenza, infatti, venivano utilizzati come indicatori fisiologici dei livelli di eccitazione esclusivamente il battito cardiaco (heart rate; HR) e la conduttanza della pelle (galvanic skin response; GSR). La risposta dilatatoria della pupilla agli stimoli emotivi, così come la maggiore conduttanza della pelle, sembrano essere ulteriori indicatori fisiologici dell’attivazione della componente simpatica del sistema nervoso autonomo (Ching-An Wang et al., 2018).

1.1 Dal parasimpatico al simpatico: come gli stimoli influenzano la pupilla

Il diametro della pupilla è modulato da fattori percettivi, cognitivi e affettivi. Infatti, l’esposizione della pupilla a un’immagine provoca una rapida costrizione della stessa che varia al variare della luminosità. Tuttavia, il diametro della pupilla può anche dipendere da fattori emotivi, in particolare, con una maggiore dilatazione per le scene piacevoli o spiacevoli, rispetto a quelle neutre. Nello specifico, la pupilla sembra rispondere maggiormente a contenuti ad alto arousal, indipendentemente dalla valenza degli stimoli (Bradley et al., 2008). Le pupille, infatti, rispondono a tre distinti tipi di stimoli: si restringono in risposta alla fissazione di un oggetto vicino, si restringono in presenza di luminosità, e si dilatano in risposta all’aumento dell’eccitazione; per il presente lavoro di ricerca ci si soffermerà maggiormente sugli ultimi due.

La dimensione della pupilla è controllata da due percorsi, i quali, nonostante siano interconnessi, vengono spesso considerati in modo distinto: il percorso di costrizione del diametro pupillare del sistema nervoso parasimpatico e il percorso di dilatazione del sistema nervoso simpatico. La costrizione della pupilla, definita anche miosi, è controllata dal muscolo costrittore dell’iride, il quale viene innervato dal sistema nervoso parasimpatico. La dilatazione della pupilla, definita anche midriasi, invece, dipende strettamente dal muscolo dilatatore dell’iride, che viene innervato dal sistema nervoso simpatico, componente del sistema nervoso autonomo che è coinvolto nell’arousal, nella vigilanza e nelle risposte di tipo attacco-fuga (Mathot et al., 2014). Nella fattispecie, il collegamento tra la dilatazione pupillare e il sistema nervoso simpatico spiega il motivo per cui le pupille sono più larghe quando si è in uno stato di eccitazione. Si potrebbe affermare, dunque, che la risposta della pupilla alla luce dipenda prevalentemente dal sistema nervoso parasimpatico, mentre la risposta agli stimoli emotigeni dipenda maggiormente dalla componente simpatica del sistema nervoso autonomo (Ferencova et al., 2021).

A livello neuroanatomico, il percorso della dilatazione pupillare inizia con l’attivazione dell’ipotalamo e del locus coeruleus. Quest’ultimo si attiva quando l’organismo è eccitato, sveglio e in allerta e proietta i suoi neuroni alla colonna intermedio-laterale (IML) del midollo spinale. Anche l’attività nell’ipotalamo riflette il livello di eccitazione e proietta anch’esso nell’area intermedio-laterale. A sua volta, la IML comunica al ganglio cervicale superiore, il quale proietta al muscolo dilatatore dell’iride. Il terzo tipo di dilatazione pupillare, definita risposta psicosensoriale, avviene, quindi, in seguito a stimoli di tipo emotivo con alto arousal. Il termine “psicosensoriale” indica che la reazione pupillare è guidata sia da stimoli sensoriali, sia da stimoli psicologici. Tuttavia, esistono diversi tipi di risposta psicosensoriale, come ad esempio la risposta d’orientamento e la risposta che avviene in seguito a sforzo mentale e all’arousal (Mathot, 2014).

La risposta di orientamento viene attivata da alcuni suoni, movimenti e altri tipi di stimoli; è maggiore per gli stimoli inaspettati, salienti ed è sensibile ai segnali che indicano quanto un elemento nello spazio è importante. Ciò accade perché il corpo ha necessità di prepararsi per ciò che potrebbe accadere. In particolare, negli umani, la risposta pupillare di orientamento è caratterizzata da una veloce dilatazione pupillare che varia da 0,5 a 1 millesimo di secondo dopo che lo stimolo è stato presentato e svanisce rapidamente in sua assenza. Questo tipo di risposta è spesso seguita da un secondo periodo di dilatazione, che probabilmente è relativa all’arousal (Mathot et al., 2014).

La reazione pupillare allo sforzo mentale e all’arousal è stata dimostrata da una serie di studi condotti in origine da Hess e Polt (1964) e poco più tardi da Kahneman e Beatty (1966). Il merito di questi lavori è di aver incluso la risposta pupillare come altro indicatore fisiologico dell’arousal, oltre alla conduttanza della pelle e il battito cardiaco, i quali venivano già usati in precedenza. Secondo gli autori, questo tipo di risposta è endogeno e presenta una maggiore variabilità, presumibilmente causata dall’evoluzione nei livelli dell’arousal e dallo sforzo mentale. In particolare, Hess e Polt (1960) hanno somministrato ai partecipanti delle immagini che presentavano diversi livelli di arousal: immagini neutrali, ad alto arousal e basso arousal; i risultati hanno chiaramente dimostrato che le pupille dei partecipanti si dilatavano maggiormente quando le immagini presentavano dei contenuti per loro eccitanti; in particolare, negli uomini, ciò avveniva quando venivano mostrate delle immagini di nudità femminile, mentre nelle donne si otteneva una maggiore reazione per stimoli raffiguranti nudità maschili o neonati. In sintesi, tali studi hanno dimostrato che la pupilla riflette il livello di eccitazione. Successivamente è stato ulteriormente dimostrato che la risposta della pupilla dipende prevalentemente dai livelli di arousal: stimoli ad alto arousal causano una risposta pupillare maggiore rispetto a quelli a basso arousal, indipendentemente dalla loro valenza, cioè dal contenuto negativo, piuttosto che positivo degli stimoli (Bradley et al., 2008). Gli sforzi dei ricercatori citati si possono racchiudere in un chiaro concetto: qualunque cosa attiva la mente causa la dilatazione pupillare (Mathot et al., 2014).

La risposta pupillare evocata dal compito, chiamata anche correlata all’evento, si riferisce ai cambiamenti pupillari durante l’esecuzione del compito e ne è quindi direttamente associata (Aminihajibashi et al. 2020) è il tipo di risposta pupillare che comunemente viene più osservata in seguito alla stimolazione cognitiva ed emotiva. Questa dilatazione pupillare può essere guidata dall’attivazione del sistema nervoso simpatico o dall’inibizione (o ridotta attivazione) del sistema nervoso parasimpatico. I cambiamenti nel sistema nervoso autonomo durante la somministrazione di stimoli emotivi forniscono informazioni riguardanti le principali dimensioni emotive, ovvero, l’eccitazione e la valenza che riflette il valore appetitivo o avversivo degli stimoli (oppure piacevole o spiacevole) degli stimoli emotivi (Lang et al., 1993; De Zorzi et al., 2021).

Più di recente, Bradley e collaboratori (2016) hanno eseguito diversi esperimenti sulla risposta pupillare in relazione a immagini in grado di attivare i livelli di arousal. Hanno selezionato sessanta immagini dallo IAPS (International Affective Picture System; Lang, Bradley & Cuthbert, 2008) e sono stati presentati dodici contenuti diversi che includevano: stimoli ad alto arousal come scene di violenza (minacce, mutilazioni), scene a contenuto erotico, stimoli a basso arousal e spiacevoli (contaminazione), stimoli piacevoli (immagini naturali, di cibo e di bambini) assieme a oggetti o scene neutre. Bradley e collaboratori (2016) hanno osservato che, nonostante studi precedenti suggerivano che la pupilla si restringesse quando si osservano scene spiacevoli (Hess & Polt, 1960), non vi erano prove di costrizione della pupilla nello studio condotto da loro. Al contrario, hanno constatato come il diametro della pupilla aumentava notevolmente osservando immagini di mutilazione e di aggressione. Le scene di contaminazione provocavano spesso, ma non sempre, effetti modulatori sulla pupilla simili a quelli riscontrati nelle immagini ritenute come più violente, come la mutilazione. Anche la visione di contenuti disgustosi provocava un aumento del diametro pupillare e cambiamenti nella conduttanza cutanea, tuttavia, per le scene spiacevoli, inerenti alla tristezza, non avvenivano cambiamenti significativi né nel diametro pupillare, né nelle altre reazioni autonome. Gli studi condotti da Bradley e collaboratori (2016) dimostrano dunque che contenuti fortemente emotigeni (quali il sesso, la violenza e a volte anche immagini altamente disgustose), inducono cambiamenti significativi ed affidabili nel diametro pupillare provocandone la midriasi. I ricercatori, inoltre, hanno tentato di fornire una prospettiva motivazionale al comportamento della pupilla di fronte a specifici stimoli, suggerendo che gli elementi che provocano maggiore dilatazione pupillare sono i segnali che coinvolgono maggiormente i sistemi motori primari appetitivi o di difesa (appetitive vs aversive) ovvero, quelli che se incontrati in ambiente naturale e non in laboratorio, richiederebbero un’azione rapida da parte del soggetto di avvicinamento o di allontanamento (Bradley et al., 2016). Gli studiosi hanno proposto che la dilatazione pupillare in seguito alla visione di immagini con contenuti emotivi, avvenga come un singolo processo mediato dal sistema simpatico, che ha inizio subito dopo l’esposizione all’immagine e continua durante tutta la stimolazione visiva. È stato inoltre evidenziato che la maggiore dilatazione pupillare durante la visione di immagini è correlata con cambiamenti della risposta della conduttanza cutanea, la quale rappresenta la presenza di attività simpatica e supporta l’ipotesi secondo la quale la modulazione del diametro della pupilla dovuta a processi emotivi è mediata dall’attività del sistema nervoso simpatico (Bradley et al., 2008, 2017).

1.2 La teoria del guadagno adattivo

Come già menzionato in precedenza, a livello neuroanatomico, elemento chiave nella dilatazione pupillare è il locus coeruleus. La relazione tra questi due elementi è stata approfondita dalla teoria del guadagno adattivo (adaptive-gain theory) proposta da Aston-Jones e Cohen (2005). La teoria prende in esame il ruolo del locus coeruleus nella regolazione del comportamento e descrive due modi distinti di comportamento: lo sfruttamento (exploitation) e l’esplorazione (exploration). Quando si è impegnati in un’attività specifica, come bere o guardare un film, si sta “sfruttando” l’occasione di ricevere un’ipotetica ricompensa che l’attività può fornire, ad esempio dissetarsi o apprezzare il film; quindi, si è nella modalità comportamentale di sfruttamento. Questo comportamento è associato ad un’attività intermedia e fasica del locus coeruleus, che porta ad una dilatazione pupillare altrettanto intermedia. Invece, il comportamento di esplorazione si riferisce ad uno status in cui l’attenzione è flebile, e si ha un passaggio da un compito ad un altro. In questa modalità, si è alla ricerca del compito più soddisfacente e in grado di fornire la ricompensa più desiderata. L’esplorazione, al contrario dello sfruttamento, è associata ad un’attività tonica, sostenuta del locus coeruleus, e provoca una dilatazione pupillare nettamente maggiore. Jepma e Nieuwenhuis (2011), a sostegno della teoria del guadagno adattivo, hanno svolto un esperimento che “costringeva” i partecipanti ad alternare le due modalità comportamentali di sfruttamento ed esplorazione. I risultati ottenuti dimostrarono... [continua]