EEG. I dendriti ed il soma sono in contatto con le terminazioni degli assoni di altri neuroni che presentano rigonfiamenti detti bottoni sinaptici

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1 Neurone: componente elementare del Sistema Nervoso Centrale (SNC). Ne esistono circa nel cervello umano Differenze morfologiche e dimensionali, ma caratteristiche di funzionamento simile. Tre regioni principali: 1.Corpo cellulare (soma) contenente il nucleo 2.Dendriti (ramificazioni corte che partono dal soma) 3.Assone (prolungamento del soma)

2 L assone è un canale di trasmissione del segnale elettrico da un neurone ad un altro Lunghezza da pochi mm a circa 1m Larghezza da 1 a 20 µm Velocità di conduzione fino a 100 m/s nelle fibre assoniche più grandi Ricoperti di una sostanza isolante (mielina), interrotta ad intervalli regolari (punti di Ranvier) I dendriti ed il soma sono in contatto con le terminazioni degli assoni di altri neuroni che presentano rigonfiamenti detti bottoni sinaptici Trasmissione unidirezionale: dall assone di un neurone al dendrite od al soma di un altro. Può avere carattere eccitatorio o inibitorio Ogni neurone può avere fino ad un migliaio di contatti sinaptici e riceverne altrettanti

3 Segnali elettrici: tensioni variabili nel tempo ( potenziali ) dovute a d.d.p. tra interno ed esterno delle cellule nervose. Segnali in ingresso (si propagano passivamente e si attenuano velocemente, ridotti ad 1/3 dopo circa 1mm): Potenziali recettori: trasformano uno stimolo sensoriale in un segnale elettrico Potenziali sinaptici: segnali elettrici inviati dai neuroni circostanti attraverso i contatti sinaptici. I potenziali in ingresso convergono verso una zona neuronica in cui vengono algebricamente sommati. Il risultato di tale somma può portare alla generazione, da parte del neurone, di una risposta: il potenziale d azione. Tale risposta viene propagata attivamente lungo tutto l assone e raggiunge le terminazioni sinaptichedove interagisce con altri neuroni.

4 Rappresentazione funzionale del neurone: quattro componenti.

5 All interno ed all esterno della cellula nervosa si trovano ioni positivi e ioni negativi. Spessore della membrana (insieme di lipidi e proteine) da 8 a 10 nm. All interno soprattutto K + e altri anioni organici, all esterno soprattutto Cl - e Na +. In condizioni di riposo la differenza di potenziale tra esterno ed interno è di circa 60mV con l interno negativo rispetto all esterno. Diffusione passiva per gradiente di concentrazione e meccanismo attivo, pompa sodio-potassio, mantengono l equilibrio.

6 Nella membrana esistono proteine (canali ionici) capaci di lasciare passare solo un particolare ione. I canali sodio, in condizioni di riposo, sono praticamente chiusi (bassa permeabilità della membrana). Se stimolata la membrana può aprire i canali del sodio gli ioni Na+ entrano il potenziale interno viene perturbato passa da negativo a positivo cambia permeabilità al potassio gli ioni K+ escono il potenziale tende a ritornare alle condizioni di riposo. Tutto ciò avviene all inizio dell assone, poiché il corpo cellulare non ha canali sodio controllati dal potenziale.

7 Chi fornisce la stimolo? Tutte le connessioni sinaptiche dei dendriti causano piccole variazioni del potenziale elettrico all interno della membrana. Se le quantità di eccitazioni sinaptiche sono sufficienti da far sì che il potenziale interno raggiunga un valore di soglia si aprono i canali sodio si genera il potenziale d azione. Comportamento ON-OFF del neurone.

8 Come avviene la propagazione lungo l assone?

9 Sinapsi: Insieme di membrana pre-sinaptica (bottone sinaptico), membrana postsinaptica (punto di contatto con il soma o i dendriti), spazio sinaptico. Può essere di due tipi: chimica o elettrica. Nei mammiferi maggioranza di chimica. Vescicole sinaptiche contenenti trasmettitore chimico per comunicazione (acetilcolina o acido gamma-ammino burritico GABA)

10 Sinapsi attiva le vescicole liberano il loro contenuto nello spazio sinaptico il neuro-trasmettitore si fissa su molecole recettrici su esterno membrana post-sinaptica apertura di canale ionico. Effetto eccitatorio: apertura dei canali sodio Effetto inibitorio: apertura dei canali cloro Depolarizzazione della membrana dendritica cambiamento di potenziale locale generazione di corrente all interno della cellula se somma correnti sufficienti generazione potenziale d azione. Una volta generato, l impulso nervoso percorre tutto l assone (la velocità può essere diversa)

11 Il SNC, il cui componente fondamentale è il neurone, può essere suddiviso in: midollo spinale (contenuto nella colonna vertebrale) ed encefalo (contenuto nel cranio). Encefalo: Tronco cerebrale o tronco encefalico(composto da midollo allungato, ponte e mesencefalo) Cervello (composto da diencefalo e telencefalo che consta dei due emisferi cerebrali) è avvolto da tre membrane protettive (meningi) Cervelletto

12 Due emisferi cerebrali: ciascuno controlla il lato opposto del corpo. Sono connessi fra loro da una banda di 300 milioni di fibre nervose. Ciascun emisfero è composto da più strati. Il più esterno, composto da un denso insieme di cellule nervose appare grigio (materia grigia), è spesso qualche mm, ed è chiamato corteccia cerebrale.

13 La corteccia è molto convoluta e consiste di gyri (dorsali) e sulci (solchi). I solchi più profondi sono chiamati fessure. Gli strati profondi degli emisferi consistono di assoni (materia bianca) e corpi cellulari (nuclei)

14 La corteccia di ciascun emisfero è divisa in quattro aree (lobi): Lobo frontale (pianificazione, processo decisionale, comportamento intenzionale) Lobo parietale (informazioni sensoriali) Lobo occipitale (in parte dedicato alla visione) Lobo temporale (udito, percezione, memoria, ecc.)

15 Registrazione dell andamento temporale dei potenziali elettrici generati dall attività cerebrale ElettroEncefaloGramma (EEG): registrazione con elettrodi posti sullo scalpo ElettroCorticoGramma (ECoG): registrazione con elettrodi posti sulla superficie esposta della corteccia cerebrale Registrazione profonda: registrazione con sottili elettrodi ad ago inseriti nel tessuto neurale del cervello Indipendentemente dal tipo di registrazione rappresentano la sovrapposizione dell effetto di vari generatori neuronali. Utilizzi dell EEG: Valutazione stato neurologico del soggetto Indicazione della profondità dell anestesia (anello di retroazione) Alternativa a ECG in interventi chirurgici a cuore aperto

16 Attività elettrica continua ed oscillante: onde cerebrali. Intensità sullo scalpo: fino a 300 µv Intensità sulla corteccia: fino a qualche mv Contenuto di frequenza: Hz Le caratteristiche delle onde cerebrali dipendono dal grado di attività della corteccia notevole differenza tra sonno e veglia. Andamento molto irregolare, ma in alcuni Momenti, si evidenziano particolari pattern. Alcuni stati patologici forniscono pattern particolari I normali pattern vengono classificati come: onde alfa, beta, theta, delta.

17 Onde ALFA Frequenza: 8-13 Hz Stato di veglia, ma di riposo assoluto Più intense in regione occipitale, ma possono apparire in zona parietale e frontale Ampiezza: µv Scompaiono completamente durante il sonno

18 Onde BETA Frequenza: Hz, ma possono arrivare fino a 50 Hz con attività mentale particolarmente intensa Più intense in regione parietale e frontale Ampiezza: µv Si dividono in: Beta I comportamento simile alle ALFA, ma frequenza doppia Beta II intensa attività cerebrale

19 Onde THETA Frequenza: 4-8 Hz Più intense in regione parietale e temporale dei bambini. Nell adulto per stress, frustrazioni, delusioni Ampiezza: µv

20 Onde DELTA Frequenza: inferiore a 4 Hz Durante il sonno, nell infanzia, per gravi disturbi organici del cervello

21 Attività cerebrale registrata dipende da posizione in cui l elettrodo è posto necessità di regole standard per il posizionamento degli elettrodi. Sistema standard proposto dalla International Federation of EEG Societies, denominato Utilizza precisi riferimenti anatomici. Indipendente dalle dimensioni della scatola cranica. Ciascun elettrodo viene identificato da una sigla che ne specifica la localizzazione. Le posizioni standard vengono identificate con una lettera ed un numero Le lettere sono: F = frontale T = temporale C = centrale P = parietale O = occipitale A = orecchio I numeri pari si riferiscono all emisfero destro, i dispari al sinistro Z indica la linea centrale A1 ed A2 sono in corrispondenza dei lobi delle orecchie e sono usati come riferimento.

22 Posizionamento antero-posteriore: EEG partendo dal vertice si misura distanza tra nasion e inion e si calcolano le distanze come percentuale della totale Posizionamento nel piano coronale: Distanza tra i punti pre-auricolaridestro e sinistro

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24 Esistono tre tipi di connessione: unipolare, bipolare, riferita alla media. Unipolare: un elettrodo è preso come riferimento comune per tutti gli altri. Potenziale variabile elettrodo lontano lobo di un orecchio o unione dei due La traccia assume la sigla dell elettrodo da cui ha origine

25 Riferita alla media: tutti gli elettrodi vengono collegati tra loro con una rete resistiva. L uscita della rete è presa come riferimento. La traccia assume la sigla dell elettrodo da cui ha origine

26 Bipolare: non si usa alcun riferimento. Si utilizzano le differenze di tensione tra coppie di elettrodi. Localizzazione più precisa delle zone di attività. La traccia assume la sigla dei due elettrodi su cui viene effettuata la differenza

27 Schema a blocchi encefalografo EEG

28 Pre-amplificatore: amplificare il segnale il più vicino possibile alla sorgente serve per limitare azione di rumori esterni ulteriori. Sono già eventualmente presenti artefatti (per esempio attività muscolare del collo e del viso: f = Hz). Alta impedenza di ingresso (2-10 MΩ) Protezione al paziente con circuito di isolamento Limitazione della banda allo stretto necessario (S/N) Guadagno complessivo molto elevato (1000 e più) Ingresso differenziale con alto CMRR Calibrazione del segnale (confronto con segnale noto) Uscita con le caratteristiche necessarie a pilotare uno strumento di registrazione.

29 Elettrodi utilizzati: solitamente Ag-AgCl (buona stabilità e basso rumore: 5-50 µv) Necessità di bassa impedenza di contatto (<5-10 kω)

30 Registratori a carta EEG

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32 Stati di sonno EEG

33 Stati patologici EEG

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39 Mappe di potenziali Importante la disposizione spaziale degli elettrodi oltre che l andamento temporale dei segnali. Difficile confronto visivo tra tracce di andamenti temporali. Passaggio a rappresentazione topografica

40 Rappresentazione a linee equipotenziali Sequenza di mappe di misure effettuate in istanti successivi forniscono una visione diretta della dinamica. Costruzione linee di livello utilizzo di algoritmi distinti in due classi: globali e locali. Algoritmi globali più onerosi, ma garanzia di interpolazioni senza punti angolosi che potrebbero aversi con quelli locali. Dimensione non infinitesima dei punti di registrazione, allargamento area attiva a causa di tessuti interposti tra sorgente ed elettrodi, integrazione spazio-temporale del sistema visivo sufficiente algoritmo locale

41 Rappresentazione a mappe tridimensionali. La terza dimensione è l ampiezza del segnale. Informazione solo qualitativa

42 Mappe a colori o a livelli di grigio Molto efficaci Presentazione in sequenza (es. 3Hz) visione chiara e precisa di evoluzione spaziotemporale

43 MEG MagnetoEncefaloGrafia (MEG): tecnica di registrazione non invasiva dei piccolissimi campi magnetici emessi dal cervello. Emissione associata alle onde alfa approssimativamente 0.1 pt a 5 cm dallo scalpo. Campo magnetico terrestre ~50 µt. Necessità di: stanza schermata da pesantissimi schermi ad altissima permeabilità magnetica. bobine di superconduttori mantenuti a circa 4 K. Ciò permette di indurre una corrente nelle bobine che a loro volta inducono un campo magnetico in uno speciale magnetometro: Superconducting Quantum Interference Device (SQUID).

44 MEG Sensibilità di 0.01 pt. Tecniche particolari consentono l eliminazione del campo magnetico di fondo (terrestre e ambientale): nt. Il sistema contiene 2 x 37 SQUID (canali di registrazione) che consentono di determinare la distribuzione spaziale della sorgente di campo magnetico A differenza di TAC e NMR che danno informazioni di tipo anatomico è in grado di fornire informazioni funzionali, come PET e fnmr, con la stessa risoluzione spaziale, ma una superiore definizione temporale (1 ms) Elevatissimi costo pochissime unità Usi: soprattutto ricerca (es.: mappatura della corteccia somatosensoriale e motoria)

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