Tecniche principali. Corso di Psicologia dello Sport Il cervello motorio. Il cervello motorio. Capitolo 2 (seconda parte) Capitolo 2 (seconda parte)

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1 Corso di Psicologia dello Sport Il cervello motorio Capitolo 2 (seconda parte) Sabrina Pitzalis Contatti: sabrina.pitzalis@iusm.it Home-page: Sito di Psicologia: Il cervello motorio Capitolo 2 (seconda parte) Tecniche per l analisi funzionale del cervello motorio.. e non solo Tecniche principali Tecniche elettrofisiologiche Permettono la registrazione dell attività elettrica neuronale Elettroencefalogramma (EEG, ERP) Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS) Registrazione da singole cellule Tecniche di neuroanatomia funzionale Permettono la visualizzazione del cervello in vivo Tomografia ad emissione di positroni (PET) Risonanza magnetica funzionale (fmri) 1

2 Definizione di EEG L elettroencefalogramma (EEG) è una tecnica che permette di visualizzare l attività elettrica cerebrale. L attività elettrica cerebrale è prodotta dai neuroni stessi che attivandosi insieme ad altri (popolazione) producono un campo elettrico abbastanza intenso che si propaga attraverso il cervello e il cranio fino a poter essere captato da sensori (elettrodi) applicati sullo scalpo. Basi metodologiche Basi metodologiche Il posizionamento degli elettrodi (sistemi internazionali e 10-20) Gli elettrodi sono dei dischi di metallo altamente conduttivo che sono posti in contatto con lo scalpo tramite una sostanza conduttrice. La posizione di ogni elettrodo è stabilita da convenzioni internazionali che ne uniformano la denominazione. 2

3 Basi metodologiche Set-up per registrazioni EEG Visualizzazione dati Soggetto Amplificatore PC L attività elettrica spontanea Dipende (1) dallo stato di coscienza e (2) dalle zone cerebrali Il cervello è sempre in attività sia durante la veglia, sia durante il sonno. 50mV Tempo (secondi) L attività elettrica spontanea L ampiezza e la Frequenza 5 Hz L ampiezza indica la forza del segnale elettrico e si esprime in mv. La frequenza ne indica la velocità e si esprime in Hertz (cicli al secondo) 10 Hz 1 secondo 3

4 Prime scoperte L'utilizzo delle tecniche elettroencefalografiche (in particolare l EEG) ha permesso importanti scoperte: 1. l'esistenza di vari livelli di veglia, diversi tra loro per la frequenza e l ampiezza dell'attività elettrica corticale rilevata L attività elettrica spontanea I ritmi EEG 1. Alfa 7-12 Hz: Stato di veglia rilassata chiamato ritmo alfa.l'attività alfa è tipicamente presente ed abbondante quando il soggetto è rilassato ad occhi chiusi. 2. Beta Hz: Stato di veglia attiva. Presente quando il paziente è in stato di attenzione ad occhi aperti. I movimenti oculari sono presenti e il tono muscolare medio-alto. Applicazioni dell EEG spontaneo Uso clinico (e.g., epilessia, sindromi neurologiche, quali ad es. quella delle gambe senza riposo) Laboratori del sonno Biofeedback (modulabilità volizionale dei potenziali lenti, è possibile aumentare/diminuire l ampiezza di alcuni tipi di onde) 4

5 4. IL BIOFEEDBACK Il Biofeedback (BFB) = informazione biologica retroattiva o di ritorno. Tecnica che aiuta l individuo ad acquisire la capacità di regolare le risposte fisiologiche associate a difficoltà emotive: ansia, stress. Come funziona? - Strumenti collegati al corpo dell individuo segnalano (feedback) le variazioni delle risposte fisiologiche, altrimenti non percepibili. - Lo psicologo somministra un rinforzo positivo per ogni variazione favorevole al sintomo bersaglio. - L atleta ripete il comportamento che ha prodotto l effetto di rilassamento ogniqualvolta percepisce un aumento del segnale d ansia. 5. IL BIOFEEDBACK il BFB facilita l apprendimento dell autoregolazione dell attivazione: il soggetto impara a controllare i propri stati fisiologici. Sono state utilizzate diverse modalità di BFB quali: la frequenza cardiaca (HR), la conduttanza cutanea (GSR), e l attività elettrica muscolare (EMG). - La frequenza cardiaca (HR). -La conduttanza cutanea (GSR). -L attività elettrica muscolate (EMG). LE APPLICAZIONI DEL BIOFEEDBACK -In ambito Clinico, per il recupero dopo infortuni, lesioni spinali o lunghi periodi di immobilizzazione_emicrania -In ambito psicologico, per controllare i livelli di ansia -nello sport 5

6 Le ricerche di Blumenstein, Bar-Eli e Tenenbaum hanno dimostrato che il BFB ha un importante effetto-aumento sulla prestazione atletica incidendo sulle componenti fisiologiche. Tali ricercatori hanno individuato una procedura a tre stadi per preparare gli atleti alla competizione: -primo: viene individuata una baseline (livello base). -secondo: l atleta impara in laboratorio le tecniche di rilassamento e/o di attivazione. -terzo: le metodologie apprese vengono trasferite nei contesti di allenamento. IL BIOFEEDBACK NELLO SPORT L attività correlata ad eventi I Potenziali Correlati ad Eventi (ERP) I potenziali correlati ad eventi sono variazioni di voltaggio registrate dallo scalpo che sono correlate a processi sensoriali, motori o cognitivi e che quindi forniscono una visione delle funzioni cerebrali direttamente durante l esecuzione di compiti. Gli ERP possono essere usati per valutare se un cervello sta funzionando normalmente e come analizza l informazione. Set-up per registrazioni ERP Stimolo Amplificatore Soggetto Visualizzazione dati PC per stimoli PC di registrazione Cavo di sincronizzazione 6

7 Ampiezza mv 19/04/2011 L attività correlata ad eventi EEG ERP L attività correlata ad eventi Tipica forma d onda di un ERP - N1 + Latenza Ampiezza P1 Tempo (ms) Apprendimenti motori nell uomo: MRCP Alta risoluzione temporale il potenziale preparatorio: 1 s prima del movimento volontario c è un potenziale preparatorio (BP) generato nell area supplementare motoria (SMA) ampiezza massima per movimenti autogenerati Il potenziale di preparazione motoria 7

8 Elettroencefalogramma e Sport Il potenziale di preparazione motoria Bereitschaftpotential Cz-M1 Maggiore Efficienza Principio di economia del cervello esperto Cz-M1 Maggiore preparazione motoria EOG>occhi fermi EMG>movimento della mano che parte a t=0 Registrazione da singola cellula Molto invasiva Anestesia Posizionamento dell elettrodo/i in aree corticali o sottocorticali Registrazione mentre l animale è sveglio Similitudine con gli studi di Penfield a cervello scoperto negli uomini (per diagnosi e intervento chirurgico nei paz con epilessia) Neurofisiologia comportamentale (behaving monkey) importante per le neuroscienze Registrazione da singola cellula Scarica neuronale durante l afferramento di un oggetto in M1, Prem, PP è stata usata per pilotare un braccio meccanico A DISTANZA Applicazioni cliniche importanti nel campo della Bioingegneria 8

9 Le Tecniche di Neuroimmagine Tecniche Anatomiche Tecniche Funzionali Mostrano l anatomia del cervello. Mostrano le funzioni del cervello. Risonanza magnetica (MRI) taglio coronale taglio sagittale Taglio assiale 1-Cortical surface reconstruction Image Superficie Schiacciata (2D) Gonfiata (3D) RESTART 9

10 Labeling dei solchi nelle superficie corticali ricostruite dei singoli soggetti Variabilità individuale nella forma dell IPS 4 Neuroimaging e SPORT Ormai è accertato che l apprendimento induce modificazioni del cervello in sedi diverse a seconda del tipo di apprendimento Studi Anatomici Scopo: verificare la presenza di cambiamenti morfologici a seguito dell apprendimento motorio Studio di Park et al. (2009): nei giocatori di basket il verme cerebellare (importante per la coordinazione motoria) è più esteso rispetto a quello dei non-atleti >>segnale di PLASTICITA CEREBRALE CONSEGUENTE ALLA PRATICA SPORTIVA Nessuna differenza morfologica a livello cerebrale. Neuroimaging funzionale nell'uomo 10

11 Tecniche principali BRAIN AT WORK Tecniche di neuroanatomia funzionale Permettono la visualizzazione del cervello in vivo Tomografia ad emissione di positroni (PET) Risonanza magnetica funzionale (fmri) Tomografia ad emissione di positroni (PET) La PET è in grado di valutare il cervello da un punto di vista funzionale. Misura quanto il cervello, o una determinata area cerebrale, sia metabolicamente attiva; in altre parole se il cervello, o parte di esso, sta funzionando, e se lo sta facendo molto, poco o per nulla (mentre il soggetto svolge un compito). Per fare ciò la PET si avvale di una misura indiretta di attività: il consumo di zucchero del cervello. Il presupposto è: tanto più il cervello consuma zucchero( che è il substrato metabolico di cui il cervello si serve per alimentarsi ) tanto più è attivo. La PET utilizza zucchero radioattivo che viene iniettata nell organismo per via venosa; questa molecola è un TRACCIANTE e sarà presente nel cervello in relazione all attività cerebrale stessa Tomografia ad Emissione di Positroni (PET) (TEP in italiano) Si basa sull attività metabolica, usa traccianti radioattivi Stimolazione visiva Stimolazione acustica 11

12 Tomografia ad emissione di positroni Non dà informazione sulla forma anatomica del cervello e non serve ad identificare la presenza di una lesione cerebrale (come TC/RMN). E però importante per i tumori LIMITI: Nociva per l uso di sostanza radioattive Scarsa risoluzione spaziale e temporale (1 minuto) ormai in disuso perché completamente superata dalla fmri Risonanza magnetica funzionale La risonanza magnetica funzionale (fmri) : 1. Non è invasiva né pericolosa (non usa né sostanze radioattive né raggi x) 2. Ha un alta risoluzione spaziale (1-3 millimetri) 3. Alta risoluzione temporale (nell ordine di secondi) migliore di tutte le tecniche di neuroimmagini funzionali (PET e SPECT) ma peggiore dell EEG 4. l fmri studia il cervello da un punto di vista funzionale e lo fa tramite una misura indiretta dell attività neurale: il consumo di ossigeno nel sangue. 5. Il presupposto è: nell area dove affluisce più sangue esiste un maggior bisogno di ossigeno, richiesto dalla più intensa attività nell'esecuzione del compito Neuroimaging funzionale in pratica Il laboratorio di risonanza magnetica funzionale 12

13 Scanner RM Scanner RM 3T solo per la testa Scanner RM tradizionale 1.5T Ambiente piccolo e ristretto: la difficoltà di fare un esperimento fmri nello scanner Interfaccia cognitiva Schermo a cristalli liquidi montato sulla testa Eye tracker Cuffia amagnetica Pulsanti di risposta a fibre ottiche Sistema di videoproiezione con ottica speciale Sistema di proiezione Sistema di specchi e schermo montato sulla bobina Proiettore con ottica speciale 13

14 Presentazione di stimoli visivi Schermo a retroproiezione Specchio principale Schermo a retroproiezione Specchio eye tracker Risonanza magnetica funzionale (fmri) Risonanza magnetica funzionale (fmri) Esempio di come l applicazione della fmri abbia fornito evidenze sulla rappresentazione omuncolare della corteccia motoria (M1). (attivazioni prodotte dai movimenti dei distretti indicati). (dx) (dx) 14

15 Functional Neuroimaging e SPORT Una Linea di Ricerca: Studi sulla pianificazione motoria 1 _Milton et al., 2007 Atleti di golf vs non atleti Atleti>attivazioni nel SPL, PMc lat, aree occip. Non-atleti>cingolo posteriore, amigdala e gangli della base Segno di integrazione fra informazione visiva e aspetti esecutivi Segno di un coinvolgimento emotivo che interferisce con la concentrazione dell atleta sul gesto sportivo Functional Neuroimaging e SPORT 2 _Kim et al., 2008 Arcieri vs non atleti Atleti>aree Temporali, occipitali e cingolo ant Non-atleti> aree frontali e cingolo posteriore Segno di integrazione fra informazione visiva e aspetti esecutivi Segno di un coinvolgimento emotivo che interferisce con la concentrazione dell atleta sul gesto sportivo Prospettive future Il concetto base di tutti gli studi che abbiamo visto è quello già discusso della segregazione funzionale NUOVI APPROCCI > SCOPO= cercare di descrivere ed interpretare l organizzazione delle funzioni cerebrali in chiave più dinamica LIMITE di PET/fMRI = misure indirette dell attività neurale. Ovvero misurano cambiamenti metabolici e/o di ossigenazione del sangue e non direttamente cambiamenti di potenziali elettrici causati dall attività neurale (=EEG). Questo comporta che la risposta emodinamica anche nei casi più veloci (1 o 2 sec) è sempre rallentata rispetto a quella neurale (ms) Nuovo approccio: Combinazione di tecniche Elettrofisiologiche e di Neuroimmagini 15

16 Combinazione di tecniche Elettrofisiologiche e di Neuroimmagini Negli ultimi anni sono state sviluppate sofisticate metodologie che consentono di unire insieme i vantaggi delle tecniche Elettrofisiologiche e di Neuroimmagine. Unendo l alta risoluzione temporale degli ERP (msec) e l alta risoluzione spaziale delle Neuroimmagini (mm) è possibile descrivere i fenomeni cerebrali in modo più completo. Analisi Spazio-Temporale dell Attività Cerebrale 90 ms 120 ms Co-registrazione ERP-MRI/fMRI Mappe Field-Sign Apprendimenti motori nell uomo: MRCP Alta risoluzione temporale il potenziale preparatorio: 1 s prima del movimento volontario c è un potenziale preparatorio (BP) generato nell area supplementare motoria (SMA) ampiezza massima per movimenti autogenerati Il potenziale di preparazione motoria 16

17 Apprendimenti motori nell uomo: MRCP+PET Durante il movimento auto-generato (estensione indice ogni 3 sec circa) vs movimento indotto da stimoli esterni (comparsa di un suono) comando motorio sono attive: - area motoria primaria (controlaterale) preparazione - area supplementare motoria (bilaterale) - area parietale post. (bilaterale) ambiente e corpo - corteccia PreF.Dorso-Lat (destra) decisione quando Le sequenze non erano state praticate in precedenza 17