L Elettroencefalografia Ingegneria Clinica

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1 Università di Roma La Sapienza Corso di Elaborazione di Dati e Segnali Biomedici Facoltà di Ingegneria L Elettroencefalografia Ingegneria Clinica A.A Francesco Infarinato, PhD Laboratorio di Bioingegneria della Riabilitazione IRCCS San Raffaele Pisana francesco.infarinato@uniroma1.it

2 Il neurone è l unità fondamentale del tessuto nervoso. È coinvolto nella ricezione, conduzione e trasmissione dell impulso nervoso. Questo è possibile per le sue caratteristiche di eccitabilità e conducibilità. Il neurone è formato dal corpo cellulare, che contiene il nucleo e gli organuli, e da prolungamenti. Questi ultimi molto ramificati e detti dendriti; l assone è un prolungamento lungo e sottile dove all estremità è provvisto di bottoni sinaptici. I neuroni

3 Cosa c è dentro un neurone Nucleo - Contiene il materiale genetico (cromosomi) che conserva le informazioni necessarie allo sviluppo della cellula ed alla sintesi proteica, indispensabile per il mantenimento e la sopravvivenza della cellula. E' ricoperto da membrana. Nucleolo - Produce i ribosomi, necessari per la traslazione delle informazioni genetiche nelle proteine. Corpi di Nissl - Gruppi di ribosomi utilizzati per la sintesi proteica. Reticolo endoplasmico (RE) - Sistema di vescicole utilizzate per trasportare materiale nel citoplasma. Può essere dotato di ribosomi (RE rugoso) o meno (RE liscio). Quando vi sono i ribosomi, il RE è importante per la sintesi proteica. Apparato di Golgi - Struttura costituita da membrane, importante per l'immagazzinamento di peptidi e proteine (compresi i neurotrasmettitori) in vescicole. Microfilamenti/Neurotubuli - Sistemi di trasporto all'interno del neurone, utilizzati anche come supporto strutturale. Mitocondri - Producono energia per alimentare le attività della cellula.

4 La membrana cellulare nei neuroni A rendere possibile il passaggio di informazioni fra un neurone e quelli a lui prossimi, è la membrana cellulare. Questo confine fra interno ed esterno di ogni neurone è costituito da un doppio strato di molecole lipidiche (fosfolipidi) intervallate da proteine di diverso genere.

5 Distribuzione di ioni dentro e fuori i neuroni Il fluido intracellulare contiene principalmente ioni di potassio carichi positivamente, K+, che possono attraversare la membrana abbastanza facilmente e Anioni Organici (A-). Nel fluido extracellulare invece si trovano soprattutto cationi di Sodio (Na+) e anioni di Cloro (Cl-) che hanno maggiore difficoltà ad attraversare la membrana.

6 La forza di diffusione La forza di diffusione, di tipo chimica riguarda quegli stati in cui esiste una libertà di movimento delle particelle. Nel corso della diffusione le particelle di soluto si muovono dalla zona dove sono più concentrate verso la zona dove lo sono meno: lo spostamento avviene secondo gradiente. Rappresentazione schematica del processo di diffusione. Le particelle presenti in una soluzione si diffondono dalla zona dove sono più concentrate verso la zona dove la concentrazione è minore, fino a ottenere una concentrazione uniforme e raggiungere così lo stato di equilibrio dinamico.

7 La pressione elettrostatica La pressione elettrostatica, di tipo elettrico, è la forza di attrazione tra particelle atomiche dotate di segno opposto, oppure la forza di repulsione tra particelle atomiche dotate di segno uguale.

8 Il potenziale di membrana Il potenziale di membrana è determinato dalla differente concentrazione di ioni K+ (maggiori all interno della cellula) e di ioni Na (maggiori all esterno della cellula). Questa differente concentrazione determina una carica positiva all esterno della membrana e negativa all interno, con una differenza pari a -70 mv. in out

9 Potenziale di membrana a riposo Negatività della membrana a riposo: in una cellula nervosa o muscolare a riposo il potenziale è negativo all interno della membrana rispetto all esterno (circa -70 mv) Sbilanciamento di cariche elettriche dai due lati della membrana: tale negatività dipende dalle proteine negative (anioni) del citosol, troppo grandi per attraversare la membrana, e dall azione di pompe ioniche che portano più Na+ e Ca++ fuori che K+ dentro la cellula Permeabilità agli ioni (conduttanza) della membrana: a riposo, la conduttanza al K+ e molto più alta di quella al Na+, per questo non entra Na+ a dispetto delle forze elettriche e chimiche verso l interno della cellula Fig. 1.3 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

10 Potenziale di azione Entrata del Na+ e depolarizzazione: quando la polarità negativa del potenziale di membrana a riposo si riduce (depolarizzazione) oltre circa -40 mv, si aprono bruscamente i canali potenziale-dipendenti del Na+ (aumento della conduttanza). L entrata brusca di Na+ riduce ulteriormente la negatività, fino a valori positivi del potenziale di membrana (ripolarizzazione) Uscita del K+ ed iperpolarizzazione: la brusca apertura dei canali potenzialedipendenti del K+ determina la rapida uscita del K+ (toglie positività all interno della cellula) e valori di elevata negatività di membrana (iperpolarizzazione). L apertura di canali potenziale-dipendenti del Ca++ (entra Ca++) ripristina il potenziale a riposo Fig. 1.5 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998 Neurone o muscolo scheletrico

11 Conduzione del potenziale d azione Propagazione del potenziale d azione. A: nel segmento iniziale dell assone del neurone il potenziale d azione è associato all entrata di Na+ e alla conseguente depolarizzazione (fino a polarità positiva). Nei segmenti vicini si osserva il potenziale negativo a riposo. B: Forze elettrochimiche spingono le cariche positive interne verso il segmento vicino inattivo. C: L arrivo delle cariche positive depolarizza il sito vicino oltre la soglia, causa l apertura dei canali potenziale-dipendenti del Na+ rigenerando il potenziale d azione Tipi di propagazione: la propagazione del potenziale d azione e punto per punto (A) nell assone privo di mielina e (B) per salti in corrispondenza dei nodi demielinizzati nell assone mielinizzato Fig di Costanzo, Fisiologia, EdiSES, 1998 Fig. 1.6 di Eusebi-Gatti, Fisiologia, Masson, 1998

12 Nella sinapsi elettrica, due cellule stimolabili sono tra loro connesse mediante una giunzione comunicante. Le giunzioni comunicanti consentono la comunicazione tra cellule per passaggio diretto di correnti da una cellula all altra, quindi non si verificano ritardi sinaptici. Le sinapsi elettriche consentono la conduzione in entrambe le direzioni. Sinapsi elettrica

13 Sinapsi chimica Sinapsi chimica: separa la membrana pre- e post-sinaptica. Il messaggero neuro-trasmettitore (aminoacido, peptide) attraversa la sinapsi. Si può modulare la trasmissione al momento di sintesi, invio, ricezione e degradazione del neuro-trasmettitore Le fasi della trasmissione sinaptica: arrivo del potenziale d azione (bottone pre-sinaptico), apertura di canali potenziale-dipendenti del Ca++, entrata di Ca++, migrazione di vescicole di neurotrasmettitore verso la membrana pre-sinaptica, esocitosi del neuro-trasmettitore nella sinapsi, ricezione del neurotrasmettitore ligando (membrana post-sinaptica), apertura/chiusura di canalali ligandodipendenti con effetti sul flusso ionico transmembranario e sul potenziale post-sinaptico, degradazione e ricaptazione del neurotrasmettitore Fig. 7.2 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

14 Sinapsi inibitorie ed eccitatorie Sinapsi eccitatorie veloci e potenziale post-sinaptico eccitatorio: il neurotrasmettitore ligando fa aumentare la concentrazione di cariche positive (K+, Na+, Ca++) all interno della membrana post-sinaptica con effetto gradualmente depolarizzante eccitatorio sul potenziale post- sinaptico (es. più entrata di Na+ che uscita di K+) Sinapsi inibitorie veloci e potenziale post-sinaptico inibitorio: il neurotrasmettitore ligando fa aumentare la concentrazione di cariche negative (es. entrata di Cl-, uscita di K+) all interno della membrana postsinaptica con effetto gradualmente iper-polarizzante inibitorio sul potenziale post-sinaptico (es. uscita di K+) Fig. 7.4 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003 Fig. 7.5 di Germann-Stanfield, Fisiologia umana, EdiSES, 2003

15 La struttura cerebrale Il sistema nervoso centrale (CNS) è una struttura bilaterale e simmetrica, tradizionalmente divisa in: Midollo Spinale Encefalo Tronco Encefalico Mesencefalo Ponte Bulbo Cervello Telencefalo Diencefalo Cervelletto

16 La struttura cerebrale Tutte le funzioni cerebrali trovano una localizzazione nella corteccia, la quale ricopre gli emisferi cerebrali e nella quale tutte le informazioni sono elaborate ed integrate. La corteccia è il risultato della particolare evoluzione cerebrale dei primati e, durante tale evoluzione, il suo volume è aumentato più rapidamente del volume del cranio, formando un ampio numero di fenditure dette solchi e di circonvoluzioni, le cui creste prendono il nome di giri. Alcuni solchi sono sempre presenti nel cervello umano, e sono il riferimento per dividere la corteccia di ogni emisfero in quattro lobi: frontale, parietale, temporale ed occipitale

17 La struttura cerebrale È da tempo noto che alcune zone del cervello attengono a specifici compiti sia cognitivi che motori

18 La struttura cerebrale in letteratura una suddivisione della corteccia cerebrale largamente utilizzata è quella di Brodmann, il quale ha citoarchitettonicamente individuato 47 precise aree con caratteristiche distinte. In particolare si possono distinguere varie aree che attengono ad alcuni compiti specifici, come ad esempio l'area sensitiva primaria (area 3-1-2) e secondaria (aree 5 e 7), l'area visiva primaria (area 17) e secondaria (aree 18, 19), l'area motoria primaria(area 4), l'area premotoria(6).

19 La struttura cerebrale Nella corteccia sensoriale(sinistra) e motoria(destra) sono presenti aree relative a specifiche parti del corpo. La dimensione di ciascuna di queste aree è proporzionale all accuratezza sensoriale richiesta per la parte specifica del corpo. Ciò da vita ad una rappresentazione nota con il nome di homunculus, che contiene una raffigurazione deformata di diversi porzioni corporee. sinoticomeleareesensorialirelativeallelabbraeallemanisianomolto più ampie delle aree che rappresentano le parti centrali del corpo e gli occhi.

20 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia Il cervello e le strutture che lo rivestono rappresentano un mezzo fisico con conducibilità elettrica definita, sicché le ridistribuzioni della carica ionica extracellulare dovute ai flussi di corrente attivi e passivi attraverso la membrana neuronale creano delle cosiddette correnti di volume extracellulari che si estendono a tutto il capo. In funzione dell intensità delle correnti locali e dell impedenza del tessuto nel quale si sviluppano, le correnti di volume si rendono responsabili dell esistenza di gradienti di potenziale. L impedenza del cervello e dei suoi involucri può essere considerata essenzialmente resistiva, quindi le distribuzioni del campo di potenziale all interno della testa e sulla sua superficie sono governate sostanzialmente dalla legge di Ohm

21 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia In base ad una simile modellizzazione è permessa l applicazione delle equazioni di Poisson e di Laplace per ottenere stime quantitative del valore del potenziale in ogni punto della testa a partire da un ridotto numero di campi registrati. Il potenziale di membrana dei neuroni subisce delle variazioni nel corso di: Attività sinaptica Potenziali d azione

22 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia Attività sinaptica Le alterazioni nella conformazione molecolare dei canali di membrana, attivati da recettori a porta sia elettrica che chimica, danno luogo a cambiamenti di conduttanza che permettono il passaggio selettivo di ioni specifici attraverso la membrana neuronale. Osservando il fenomeno dal versante extracellulare, nel caso di potenziali eccitatori post-sinaptici, i flussi attivi transmembrana diretti all interno della cellula creano una negatività detta sink, fiancheggiata da relativi incrementi nella positività detti sources, prodotti dai flussi passivi di ritorno verso l esterno.

23 Attività sinaptica Basi fisiologiche dell elettroencefalografia Le configurazioni spaziali source-sink associate sia con la depolarizzazione di membrana che con l iperpolarizzazione attiva dipendono non solo dalla geometria del neurone, ma anche dalla distribuzione spaziale dei siti attivi sulla superficie neuronale.

24 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia Potenziale d Azione Il potenziale d azione si propaga lungo l assone e, attraverso le sue diramazioni, ai terminali assonici. Viene generata una configurazione extracellulare source-sink-source viaggiante, definita dalle proprietà biofisiche dell assone che condizionano la velocità di conduzione, la lunghezza dei segmenti depolarizzati e la distribuzione delle correnti di ritorno al compartimento extracellulare. Le distribuzioni di carica che creano il campo extracellulare del potenziale d azione seguono la direzione anatomica dell assone e la loro posizione ad un istante determinato dipende dalla sua velocità di conduzione.

25 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia Non tutti i mutamenti della polarizzazione delle membrane cellulari sono in grado di generare potenziali che si propaghino a distanza. Spesso hanno luogo delle semplici correnti locali. Al contrario di quelle dei potenziali d azione propagati, le sources e i sinks prodotti dall eccitazione o dall inibizione sinaptica sono stazionari, fissati dalla localizzazione dei siti attivi sinaptici sui neuroni postsinaptici.

26 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia Generatori a campo chiuso Neuroni stellati corticali e strutture sottocorticali, quali i nuclei della base e alcuni nuclei talamici. La depolarizzazione di corpi cellulari aggregati, i dendriti dei quali fossero orientati secondo una simmetria radiale, può esibire configurazioni source-sink che si compensano sostanzialmente l una con l altra, senza che nessuna significativa corrente extracellulare fluisca oltre il campo dendritico di ogni singolo neurone

27 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia Generatori a campo aperto Neuroni piramidali della corteccia Producono correnti che possono propagarsi lontano dal sito di origine (corpi cellulari e prolungamenti), le configurazioni source-sink cui danno luogo permettono la propagazione di una frazione apprezzabile della corrente extracellulare oltre i limiti del tessuto attivo. La depolarizzazione di tali neuroni genera potenziali positivi sopra la corteccia e negativi sotto di essa, a causa del loro uniforme orientamento.

28 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia Questo quadro semplificato della geometria dell attivazione sinaptica dei neuroni piramidali costituisce il fondamento del modello dipolare per la generazione dei campi di potenziale corticali(creutzfeldt Houckin 1974). La loro caratteristica principale è la disposizione corticale: i loro dendriti apicali attraversano diversi strati corticali e sono sempre orientati perpendicolarmente alla superficie della corteccia, questa organizzazione detritica facilita l integrazione dei vari segnali afferenti.

29 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia I campi elettrici generati dalle cellule piramidali possono sommarsi ed essere registrati mediante elettrodi posti sullo scalpo.

30 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia Neuroni piramidali: Corpi cellulari a forma piramidale che proiettano lunghi assoni ad altre regioni corticali o al midollo. I loro dendriti attraversano vari strati della corteccia e permettono una buona integrazione dei segnali afferenti. Sono orientati parallelamente e perpendicolari rispetto la superficie della corteccia Neuroni non-piramidali: Corpi cellulari a forma ovale e proiettano corti assoni ad altri neuroni locali. Non hanno un orientamento preferenziale rispetto la superficie della corteccia.

31 Basi fisiologiche dell elettroencefalografia I neuroni piramidali sono disposti parallelamente e i loro campi elettromagnetici si possono sommare se attivati simultaneamente. Un gruppo di neuroni piramidali attivi simultaneamente genera campi "aperti".

32 L elettroencefalografia L elettroencefalogramma è la registrazione delle differenze di potenziale prodotte da sorgenti correlate all attività delle cellule cerebrali nella massa cranioencefalica e raccolte da elettrodi posti sul cuoio capelluto. Tale tecnica fu proposta nell uomo da Hans Berger nel 1929 che riprese leideedipioniericomerichardcaton(1875)eadolfbeck(1890)

33 L elettroencefalografia Le variazioni di potenziale sono estremamente piccole ( μv) e pertanto si rende necessario l impiego di amplificatori di alto guadagno e particolarmente robusti al rumore (nella pratica clinica, gli elettroencefalografi vengono utilizzati in camere non schermate, quindi soggette a disturbi elettromagnetici di ogni sorta).

34 L elettroencefalografia Gli elettrodi di superficie per EEG possono essere fissati alla cute con l ausilio di collarini adesivi, cerotti o di una cuffia apposita precablata. Gli elettrodi possono essere di diversa tipologia, tra cui: elettrodi a coppetta, realizzati in stagno e in argento rivestito di cloruro d argento(ag/agcl), del diametro di 10 mm elettrodi in Ag/AgCl biadesivi monouso(2x3 cm e 1.5x2 cm) elettrodi ad anello in acciaio inossidabile.

35 L elettroencefalografia Gli elettrodi sono posizionati secondo le indicazioni contenute nello Standard Internazionale 10/20. Questo sistema descrive l esatta posizione di ogni elettrodo, consentendo una buona copertura di tutta la superficie encefalica e garantendo che gli elettrodi siano sempre posizionati sopra le stesse aree.

36 L elettroencefalografia Vengono misurate delle linee, utilizzando come punto di partenza precise localizzazioni anatomiche: nasion, inion, punto preauricolare. Queste linee disegnano una rete sulla superficie dello scalpo, ai cui punti di intersezione sono posizionati gli elettrodi. La distanza tra un elettrodo e l altro è sempre il 10% o il 20% della lunghezza totale della linea variabile rispetto al soggetto.

37 L elettroencefalografia Ogni posizione di un elettrodo viene denominata usando una lettera e un numero (o talora una seconda lettera). La lettera prende il nome dal lobo cerebrale sottostante (Fp = frontopolare, F = frontale, T = temporale, P = parietale, O = occipitale). I numeri dispari indicano il lato sinistro, i pari il destro. La z la linea mediana

38 L elettroencefalografia Altre metodologie permettono registrazioni più invasive dell attività cerebrale. EEG subdurale o intracranico Gli elettrodi sono posti direttamente sulla superficie esposta del cervello. Glielettrodisubduraliapiattinaeagrigliahannocontattiinplatinooinacciaio,esono disponibili in diverse dimensioni e conformazioni.

39 L elettroencefalografia Altre metodologie permettono registrazioni più invasive dell attività cerebrale. EEG di profondità ad ago Gli elettrodi sono posti direttamente sulla superficie esposta del cervello. Gli elettrodi ad ago, a base di poliuretano e bario, raggiungono il massimo grado di flessibilità alla temperatura corporea. diametro di 1,0 mm. Gli elettrodi di profondità sono disponibili da 4 a 12 contatti in platino. La distanza tra i contatti è di 10 mm, misurata tra i centri dei contatti.

40 L elettroencefalografia Per quanto riguarda l apposizione degli elettrodi, si ricorre a due derivazioni standard, a seconda degli specifici requesiti sperimentali Derivazione monopolare (o unipolare) Un elettrodo viene posto in un sito attivo, mentre l altro (elettrodo di riferimento) in un sito elettricamente neutro

41 L elettroencefalografia Per quanto riguarda l apposizione degli elettrodi, si ricorre a due derivazioni standard, a seconda degli specifici requisiti sperimentali Derivazione bipolare Entrambi gli elettrodi sono posti su siti attivi dell area di interesse e il segnale rilevato corrisponde alla differenza che emerge tra le attività dei due siti

42 I segnali EEG Il segnale EEG è influenzato dall ambiente esterno ed interno del soggetto, si modifica in funzione dell età e varia nel corso del ciclo nictemerale. Si correla, in modo preciso e diretto, con lo stato funzionale dell encefalo e, quindi, con il comportamento e le modificazioni dello stato di coscienza dell individuo. L attività elettrica osservabile dall esterno mediante elettrodi di superficie posti sullo scalpo in modo standard è data dalla sovrapposizione di: Attività spontanea Attività legata alla ricezione di stimoli esterni sensoriali Attività legata all elaborazione di informazioni o a task specifici

43 I segnali EEG L aspetto dell attività EEG è dato da onde continue, ritmiche o aritmiche oscillanti, che variano per aspetto, frequenza e ampiezza. L osservazione di ritmi e di figure fisiologiche nell EEG dimostra che l attività dei neuroni non è anarchica ma che essi sono sottoposti a meccanismi che ne assicurano la sincronizzazione. L analisi spettrale del segnale EEG rivela che L attività ritmica del cervello è caratterizzata da frequenze tipiche.

44 Ritmi cerebrali UntracciatoEEGnormaleècostituitodauninsiemediritmiafrequenze differenti nella banda da 0 a 70 Hz; la potenza di ognuno di questi ritmi è funzione dello stato psicologico del soggetto(ad esempio dello stato di vigilanza).

45 Ritmi cerebrali UntracciatoEEGnormaleècostituitodauninsiemediritmiafrequenze differenti nella banda da 0 a 70 Hz; la potenza di ognuno di questi ritmi è funzione dello stato psicologico del soggetto(ad esempio dello stato di vigilanza).

46 Ritmi cerebrali Le onde α si osservano quando il soggetto è sveglio a occhi chiusi e in stato di riposo muscolare, sensoriale e intellettuale, si tratta di onde regolaridi8 13Hz,raggruppateinfusi. L attività cerebrale spontanea a queste frequenze viene misurata sopra le regioni posteriori della testa durante le fasi di veglia (ad occhi chiusi) ed è attenuata da stimoli visivi o sensoriali. In caso di apertura degli occhi, stimolazione sensoriale o di attività psichica, sul tracciato sul tracciato le onde α si attenuano e appaiono bruscamente delle onde rapide, le onde β; tale fenomeno compare anche ad ogni apertura degli occhi del soggetto in registrazione (reazione d arresto o α blocking).

47 Ritmi cerebrali Le onde δ hanno frequenze comprese tra 0.5 e 4 Hz e si misurano nei bambini in stato di veglia o negli adulti durante le fasi del sonno. Sono sintomo di sofferenza cerebrale se occorrono nella veglia negli adulti. Le onde θ hanno frequenza compresa tra i 4 e gli 8 Hz. Nei soggetti adulti in fase di veglia questa attività è generalmente assente, ma appare durante il sonno o l iperventilazione, mentre si trova abitualmente nei bambini. Le onde β hanno una frequenza compresa tra i 13 e i 30 Hz, possono essere divise in onde β1 (13-20 Hz) e onde β2 (20-30 Hz) e vengono misurate nelle regioni dei lobi parietali e frontali. Le onde γ hanno una frequenza compresa tra i 30 e i 42 Hz, caratterizzano gli stati di particolare tensione e profonda concentrazione

48 Studio dell EEG Diversi tipi di eventi (sensoriali, cognitivi, motori) o patologie inducono dei cambiamenti nell EEG. A seconda delle caratteristiche di questi cambiamenti, si distinguono i seguenti tipi di risposte: Desincronizzazione/Sincronizzazione evento-correlata(erd/ers). Potenziali Evento Correlati(ERP); Phase Resetting Evento Relati(ERPR);

49 ERD/ERS Il termine ERD (acronimo di Event Related Desynchronization) venne originariamente proposto da Pfurtsheller e Aranibar nel Con il terminte ERS (Event Related Synchronization) si intende invece il fenomeno opposto. L ERD/ERS consiste nella temporanea modulazione dell attività oscillatoria dell EEG di fondo e riflette la desincronizzazione/sincronizzazione dell attività di una popolazione di neuroni. Il significato funzionale dell ERD/ERS dipenderà quindi da che banda si considera.

50 REST Dominant resting (eyesclosed) alpha rhythms are coherent over wide cortical areas and corresponding thalamic nuclei BRAIN STEM Reticular neurons pyramidal neurons oscillating at synchronized alpha frequencies THALAMUS Relay neurons

51 ACTIVITY High-frequency EEG rhythms substitute alpha rhythms during activity Gamma rhythms BRAIN STEM Reticular neurons pyramidal neurons oscillating at several peculiar high frequencies THALAMUS Relay neurons

52 ERD/ERS Ad esempio il blocco (o desincronizzazione) del ritmo alpha è legato a compiti motori e all elaborazione cognitiva. Questo fenomeno generalmente viene associato alla maggiore eccitabilità nei sistemi talamocorticali durante l elaborazione dell informazione. La sincronizzazione del ritmo alpha è tradizionalmente associata ad uno stato di inibizione. Altre bande presentano comportamenti diversi, ad esempio la banda beta è caratterizzata da un aumento dell attività subito dopo (600ms) lo svolgimento di un compito motorio

53 ERD/ERS I valori dell ERD/ERS vengono espressi come variazione percentuale della potenza rispetto ad un intervallo di riferimento, detto anche baseline. In particolare, valori positivi indicano sincronizzazione, mentre valori negativi desincronizzazione. ERD / ERS = R E R *100 Perché abbia un senso parlare di ERD/ERS è necessario specificare la banda di frequenza a cui è riferita l analisi.

54 ERD/ERS Un esempio di visualizzazione dei risultati: le mappe topografiche

55 ERP I potenziali evocati o risposte evocate consistono in una variazione specifica del segnale bioelettrico conseguente alla stimolazione di una via sensoriale o ad un evento motorio. Sono costituiti da oscillazioni del potenziale elettrico e hanno una forma d onda caratterizzata da una serie di deflessioni positive o negative, definite componenti.

56 ERP Ciascuna di queste componenti viene considerata come il risultato della generazione di potenziali post sinaptici (eccitatori o inibitori) sincroni di un gruppo di neuroni corticali, in grado di generare campi sufficientemente ampi da essere registrati in superficie. La localizzazione delle componenti permette quindi di identificare quale area corticale è attiva in seguito ad un particolare stimolo

57 ERP I parametri analizzati nello studio dei potenziali evento-correlati sono i seguenti: latenza: distanza temporale tra il momento di applicazione dello stimolo ed il momento di comparsa della componente topografia: posizione sulla superficie cranica in cui è registrabile la massima ampiezza della componente ampiezza: entità della deflessione della componente rispetto al livello basale

58 ERP Mentre le variazioni spontanee sono visibili direttamente nel tracciato EEG, le variazioni evocate hanno un'ampiezza molto bassa (tipicamente intorno a 1-3 μv) e sono mascherate dall'attività di fondo. Per questo motivo, si provvede a registrare i potenziali mentre vengono presentati stimoli ripetitivi(visivi, uditivi, etc.). In seguito, i tracciati vengono suddivisi in "epoche sincronizzate con gli eventi stimolanti. I campioni del segnale vengono quindi mediati (averaging): tale tecnica costituisce l'essenza di base delle metodiche di elaborazione dei potenziali evocati

59 ERP Mediante l'averaging è possibile ottenere la risposta media del cervello allo stimolo o all evento tramite la sommazione di numerose epoche sincronizzate con lo stimolo o l evento stesso. In questo modo, l'attività evocata dall'evento si somma algebricamente con l'attività di fondo, la quale, essendo fondamentalmente casuale rispetto all'evento e a media nulla, tende a ridursi o annullarsi; in tal modo, l'attività evocata viene posta in risalto rispetto al rumore di fondo.

60 ERP Le componenti (picchi positivi o negativi) sono riconducibili ai vari stadi di processamento dell'informazione sensoriale o evento- correlata nel cervello. Una volta isolata la risposta evocata, si procede con l'analisi delle sorgenti delle sue componenti, studiando la loro localizzazione.

61 ERP Le componenti precoci rappresentano l attività evocata nella vie e nei nuclei sensoriali del tronco cerebrale (potenziali evocati periferici) e sono dette ESOGENE. Compaiono obbligatoriamente prima di P1 e riflettono le caratteristiche fisiche dello stimolo. Modificazioni, anche minime, degli ERP precoci sono segno di patologia nervosa (ad es, sclerosi multipla).

62 ERP P1: non sempre definibile ma, se presente, ha una latenza di 50 ms dopo l inizio dello stimolo uditivo o 100 ms dopo lo stimolo visivo. Questa componente viene interpretata come un indicatore neurofisiologico dell attenzione allo stimolo sensoriale.

63 ERP Le componenti tardive Sono definite ENDOGENE, non sono necessariamente obbligatorie, riflettono soprattutto l elaborazione e i processi cognitivi del soggetto, Dipendono meno (o per nulla) dalle caratteristiche fisiche dello stimolo. Sono le più interessanti per le neuroscienze cognitive

64 ERP N1: Aumento della componente N1 circa 100 ms dopo la comparsa dello stimolo nella corteccia visiva extrastriata quando lo stimolo è atteso, in confronto a quando non e atteso. Le componenti ERP precoci (50 msec, *) non mostrano alcun effetto, suggerendo nessuna modulazione attentiva nella corteccia visiva primaria Stimolo non atteso Stimolo atteso

65 ERP P2: legata a diversi task cognitivi, inclusi quelli di attenzione selettiva e memoria a breve termine. È presente anche in stimoli uditivi insieme alla N1, ma meno localizzata e risulta sensibile ai parametri fisici dello stimolo, ad esempio stimolo acustico acuto o grave.

66 ERP N2: è caratterizzata da una forte variabilità tra soggetti e ha varie interpretazioni psicologiche, tra cui la discriminazione dello stimolo. Il picco N170 fa parte del complesso N2 ed è associato al riconoscimento dei volti umani.

67 ERP P300: è un potenziale positivo che per definizione compare solamente in seguito a stimoli target ed ha distribuzione caratteristica sulle derivazioni posteriori(centro-parieto-occipitali) mediane. Non riflette una specifica funzione cognitiva, ma è espressione globale dei molteplici processi cerebrali implicati nel mantenimento della memoria di lavoro

68 ERP La P300 èuna componente ERP endogena che compare in risposta a stimoli rilevanti ma rari. Il classico paradigma per evidenziare la P300 è il paradigma oddball, compito in cui il soggetto è istruito a rispondere al più raro di una serie di stimoli. L ampiezza della P300 è maggiore quanto è minore la probabilità di comparsa dello stimolo. Inoltre, la sua latenza è funzione del tempo necessario per analizzare lo stimolo. La P300 rifletterebbe il cambiamento o l aggiornamento del modello interno con cui il soggetto svolge il compito e interagisce con gli stimoli esterni.

69 ERP

70 ERP P300: La latenza della P300 esprime il tempo impiegato dal soggetto per completare il pieno riconoscimento dello stimolo atteso. L ampiezza, invece, è funzione inversa della probabilità di comparsa (sia oggettiva che soggettiva) dello stimolo significativo e della quantità di informazione da esso trasmessa al soggetto.

71 ERP I potenziali evocati esaminano l'integrità delle vie di conduzione nervosa periferiche e centrali. La forma e la latenza del potenziale possono rivelare alterazioni delle vie afferenti e permettono di evidenziare un difetto sensoriale, quantificandone anche l entità. Tale metodica risulta ad esempio utile per lo studio delle lesioni sistemiche afferenti del sistema nervoso, causate da patologie croniche degenerative.