Prof. Giacomo Rizzolatti Full Professor of Human Physiology

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1 Prof. Giacomo Rizzolatti Full Professor of Human Physiology Department of Neurosciences Università degli Studi di Parma Dott. Ing. Pietro Avanzini Department of Neurosciences Università degli Studi di Parma Dott.ssa Maddalena Fabbri Destro Department of Neurosciences Università degli Studi di Parma Effetto della stimolazione tramite struttura ergonomica a risonanza Per Elettroencefalografia (EEG) si intende la registrazione, attraverso l applicazione di elettrodi sulla superficie cranica, dell'attività elettrica della corteccia cerebrale. Il tracciato EEG, formato da onde di varia frequenza e ampiezza, consente di stabilire se il soggetto è in condizioni di veglia o di sonno e, nell ambito della veglia, di valutare il suo stato attenzionale e il suo grado di rilassamento motorio. Nel presente studio la registrazione EEG è stata utilizzata per valutare come la stimolazione propriocettiva e uditiva, somministrata attraverso l utilizzo della struttura ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR ( modulasse i ritmi cerebrali tipici della fase di veglia rilassata. La letteratura scientifica identifica i ritmi compresi nella banda di frequenza 8-13 cicli al secondo (Hz) come quelli maggiormente rappresentativi dello stato di rilassamento, e a seconda della loro topografia (ovvero da quali elettrodi questa attività è registrata), questi sono identificati con nomi diversi, indicando uno stato di rilassamento di specifiche regioni corticali. Ad esempio, la presenza di un ritmo tra gli 8 ed i 13 Hz registrato dagli elettrodi posteriori (alfa occipitale) indica una condizione di riposo delle regioni corticali visive. Infatti, il ritmo alfa è molto rappresentato quando il soggetto ha gli occhi chiusi, mentre riduce notevolmente il suo power (desincronizzazione) quando il soggetto apre gli occhi e guarda l ambiente circostante. Nella stessa banda di frequenza del ritmo alfa, ma registrato dagli elettrodi centrali, si trova il ritmo µ, indicatore dell attività del sistema motorio. Questo ritmo non è sensibile all apertura e chiusura degli occhi, ma reagisce quando il soggetto esegue dei movimenti, tipicamente l apertura e chiusura della mano. In condizioni di riposo, l ampiezza e la continua manifestazione del ritmo µ rappresentano un indicatore del grado di rilassamento fisico e motorio del soggetto. La sua quantificazione è stata quindi utilizzata per valutare se una stimolazione tramite struttura

2 ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR era in grado di aumentare lo stato di rilassamento in individui adulti. Lo studio, coordinato dal Prof. Giacomo Rizzolatti, è stato condotto nel laboratorio di Elettroencefalografia (EEG-lab) del Dipartimento di Neuroscienze dell Università di Parma. Procedura sperimentale Per lo studio sono stati reclutati 12 soggetti adulti (6 maschi e 6 femmine, età media 27.3±3.5 anni), naïve rispetto ai risultati attesi. Per la registrazione del segnale elettroencefalografico è stato utilizzato un sistema registrazione EEG (NetAmps300, EGI, Electrical Geodesics Inc., Eugene, OR, USA) equipaggiato con cuffie a 128 elettrodi ad alta densità (HydroCel Geodesic Sensor Nets). Prima dell inizio della registrazione EEG i soggetti sono stati fatti accomodare sulla struttura ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR, in modo da prendere confidenza con l apparecchiatura e da consentire la calibrazione della strumentazione da parte degli operatori in base alle reali misure antropometriche del soggetto. Una volta identificata una configurazione confortevole, i soggetti sono stati fatti sedere sulla poltrona di laboratorio solitamente utilizzata per le sessioni di registrazione EEG. Qui è stata effettuata la fase di preparazione alla registrazione EEG (misurazione circonferenza cranica e scelta della cuffia da utilizzare, posizionamento della cuffia, misurazione e sistemazione delle impedenze di tutti gli elettrodi registranti). Non appena terminata la fase di preparazione, iniziava la sessione sperimentale, rappresentata in Figura 1, e suddivisa nelle seguenti fasi: - a) Registrazione basale: in questa fase ai soggetti era chiesto di rilassarsi, e durante la condizione di riposo venivano sottoposti alle classiche prove di attivazione EEG, durante le quali veniva loro chiesto di chiudere e aprire gli occhi, e di muovere la mano destra e poi quella sinistra. Questi due test (stimolazione visiva e stimolazione motoria) sono state usati allo scopo di valutare, per ogni singolo soggetto, la reattività dei ritmi fisiologici, discriminando in particolare il ritmo alfa visivo dal ritmo µ motorio; - b) Rest-1: terminata la registrazione basale, ogni soggetto è stato sottoposto a 10 minuti di registrazione EEG in cui gli è stato chiesto di rilassarsi per permettere la registrazione dei classici ritmi cerebrali tipici della fase di rilassamento (rimo alfa e ritmo µ). Questa fase, precedente la sessione di stimolazione tramite Keope GPR, è stata successivamente utilizzata come riferimento dell EEG a riposo del singolo soggetto; - c) Stimolazione Keope GPR: Al termine della Fase Rest-1, la cuffia EEG è stata staccata dall amplificatore e i soggetti sono stati fatti accomodare sulla struttura ergonomica a 2

3 risonanza propriocettiva Keope per la sessione di modulazione meccanica propriocettiva e uditiva. Come da accordi, a tutti è stato somministrato interamente il Programma 1. Durante questa fase non era possibile proseguire la registrazione del segnale EEG per ragioni di natura tecnica. Infatti, la vibrazione e le sollecitazioni intrinseche all utilizzo della struttura ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR generavano sul tracciato EEG un artefatto sub-continuo che rendeva non utilizzabile l EEG; - d) Rest-2: terminato il Programma 1, i soggetti sono stati fatti accomodare nuovamente sulla poltrona per la registrazione, è stata riconnessa la cuffia, sono state controllate le impedenze dei 128 elettrodi e, esattamente come durante la fase Rest-1, sono stati registrati 10 minuti in condizioni di rilassamento. Figura 1: rappresentazione schematica del disegno sperimentale Analisi dei dati Utilizzando i software NetStation 4.5 (EGI, Electrical Geodesics Inc., Eugene, OR, USA) e BrainVision Analyzer 2.1 (Brain Products, Gilching, Germany), il tracciato EEG di ogni soggetto è stato analizzato in base ai seguenti passi: 1. Filtraggio: al segnale è stato applicato un filtro passa-banda tra 2 e 30Hz; 2. ICA: Tipicamente, il segnale EEG risulta mescolato con segnali di natura fisiologica ma non cerebrale, come l attività muscolare dei muscoli facciali e temporali, l attività relativa al movimento degli occhi o all attività cardiaca. Al fine di identificare e rimuovere tali segnali, al tracciato di ogni singolo soggetto è stata applicata una Independent Component Analysis (ICA), in grado di identificare e separare attività indipendenti tra loro. Le 3

4 componenti relative alle attività sopracitate sono state rimosse, mentre a partire da tutte le componenti neurofisiologiche il segnale EEG è stato ricostruito. 3. Segmentazione e rimozione degli artefatti: successivamente, il segnale è stato suddiviso nelle due condizioni di studio (Rest-1 e Rest-2). Ogni blocco è stato inoltre segmentato in brevi tracciati consecutivi e adiacenti di 10 secondi. Tali segmenti sono stati visivamente ispezionati in modo da rimuovere quelli caratterizzati dalla presenza di artefatti in grado di compromettere le successive quantificazioni. In media, il 15% circa dei segmenti è stato rimosso; 4. Re-referencing: il segnale di ogni elettrodo, nativamente acquisito in referenza fisica posta al vertice (Cz), è stato riferito ad un valore virtuale risultante dalla media dei segnali provenienti da tutti gli elettrodi (AVG) in modo da ridurre l influenza dell artefatto comune; 5. Fast Fourier Transformation- FFT: per ogni segmento di tracciato è stata applicata l analisi di Fourier (FFT), in modo da caratterizzare quanto ogni singola frequenza fosse rappresentata in un dato canale in quell intervallo temporale (10s). In questo modo è stato possibile stimare la frequenza dei ritmi maggiormente espressi passando da una rappresentazione temporale a una nel dominio delle frequenze; 6. Calcolo della potenza spettrale media per condizione: una volta separati i ritmi e determinate le frequenze, abbiamo calcolato la potenza spettrale media espressa in banda 8-13 Hz per entrambe le condizioni (Rest-1 e Rest-2) per ogni canale, ottenendo così due mappe (pre- e post- Keope GPR) di distribuzione del ritmo 8-13Hz per ogni soggetto. Sulla base delle caratteristiche tipiche del segnale elettroencefalografico (distribuzione topografica e reattività), abbiamo valutato le modulazioni indotte dal programma 1 sui ritmi alfa e µ; 7. Confronto statistico: a livello di popolazione è stato condotto un confronto statistico (ttest, p<0.01), a livello di ogni singolo elettrodo, tra la potenza spettrale misurata nelle due condizioni sperimentali. Date le premesse dello studio, un particolare interesse è stato rivolto agli elettrodi in grado di evidenziare un aumento della potenza in banda 8-13Hz a seguito della modulazione meccanica tramite struttura ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR. 4

5 Risultati I risultati dell analisi statistica condotta sulla potenza spettrale in banda 8-13 Hz sono mostrati in Figura 2. In particolare, la principale differenza significativa tra le condizioni Rest- 1 e Rest-2 a livello di scalpo è prevalentemente localizzata sulla regione centro-parietale, con un evidente maggior coinvolgimento dell emisfero destro. In figura, gli elettrodi con un effetto maggiormente significativo (p<0.01) sono riportati in rosso, mentre quelli indicati in una tonalità più attenuata evidenziano un effetto meno accentuato. Oltre alle aree centro-parietali dell emisfero destro, è presente anche se con minore intensità una sincronizzazione in banda 8-13 Hz delle aree frontali di sinistra. Figura 2: il pannello di sinistra mostra la distribuzione topografica degli elettrodi che evidenziano una significativa iper-sincronizzazione in banda 8-13 Hz nel Rest-2 rispetto al Rest-1. Il pannello di destra mostra la potenza spettrale per i due elettrodi centrali (evidenziati con il cerchio blu) per Rest-1 (profilo colorato in base alle bande di frequenza, 8-13 Hz in verde) e Rest-2 (profilo in rosso). Si noti come l aumento di potenza in questi due elettrodi è concentrato nella banda 8-13 Hz. Data la localizzazione degli elettrodi significativi mostrata in figura, possiamo concludere che il ritmo maggiormente influenzato dalla modulazione meccanica propriocettiva e uditiva 5

6 ottenuta attraverso l utilizzo della struttura ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR è il ritmo µ, prevalentemente registrato dagli elettrodi 92, 93 e 104. Particolarmente significativo è il coinvolgimento degli elettrodi 92 e 104, in quanto essi corrispondono agli elettrodi P4 e C4 nella nomenclatura tradizionale, ovvero gli elettrodi di elezione per la registrazione di attività generate rispettivamente dalle regioni parietali e motorie dell emisfero destro. Infine, per ogni singolo soggetto è stata studiata la reattività dei ritmi cerebrali durante la fase di registrazione basale. La Figura 3 riporta un esempio di desincronizzazione (linee blu) del ritmo alfa all apertura degli occhi (regioni occipitali bilaterali, pannello inferiore) e al movimento della mano destra e della mano sinistra (regioni centrali, attivazione solo controlaterale all arto in movimento). Da notare che l elettrodo attivo durante il movimento della mano sinistra (E104) è lo stesso sul quale si registra un aumento di sincronizzazione del ritmo µ a seguito della modulazione meccanica con struttura ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR. A) B) C) Figura 3: reattività dei ritmi cerebrali durante la registrazione basale. Al centro il template con evidenziati gli elettrodi C3 (centrale sinistro, in verde), C4 (centrale destro, in arancione), O1 e O2 (occipitale sinistro, in grigio e occipitale destro, in viola). I pannelli tempo-frequenza riportano la reattività dei ritmi in banda 8-13 Hz alle prove di attivazione EEG: in A è mostrata la desincronizzazione del ritmo µ sulle regioni centrali di sinistra (elettrodo C3) durante il movimento della mano controlaterale. In B è mostrata la risposta degli elettrodi centrali al movimento della mano sinistra, con una evidente desincronizzazione del ritmo µ sulle regioni centrali di destra. Nel pannello C è invece mostrata la risposta bilaterale del ritmo alfa occipitale all apertura degli occhi. 6

7 Conclusioni I risultati dello studio evidenziano che dopo una seduta con la struttura ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR compare una maggiore sincronizzazione del ritmo µ registrato dalle regioni centro parietali. L aumento di sincronizzazione può essere considerato come un indice di aumento del rilassamento del sistema motorio successivo alla modulazione meccanica di Keope GPR. Il legame tra la modulazione meccanica di Keope e il livello di rilassamento delle aree motorie potrebbe essere ulteriormente approfondito mediante un approccio multivariato che valuti a livello periferico la variazione dell attività muscolare pre e post stimolazione (registrazione elettromiografica dei muscoli). Una volta appurata la presenza di un defaticamento muscolare post Keope GPR, identificati i gruppi muscolari coinvolti e valutata la correzione tra l entità del defaticamento e la relativa sincronizzazione del ritmo µ, sarà possibile ottenere una maggiore caratterizzazione degli effetti della stimolazione. Un altro aspetto meritevole di approfondimento riguarda i diversi programmi di modulazione meccanica della struttura ergonomica a risonanza propriocettiva. Nel nostro studio è stato utilizzato solo il Programma 1mentre altri studi hanno dimostrato una maggiore efficacia a seguito dell utilizzo del Programma 2. Per una migliore completezza dei risultati, la possibilità di comparare l effetto su variabili elettrofisiologiche con diversi programmi di stimolazione, fornirebbe una visione di insieme che attualmente non è pienamente disponibile dai soli dati del presente studio. In conclusione, future indagini sui diversi programmi utilizzabili con Keope e una combinazione di tecniche di registrazione differenti (ad esempio elettromiografia ed elettroencefalografia) potrebbero fornire ulteriori dati a sostegno del beneficio psicofisico che l utilizzo della modulazione meccanica con la struttura ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR induce nei soggetti. 7