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NEUROSCIENZE AFFETTIVE E
COGNITIVE
Lezione 3: Tecniche neurofisiologiche
Elettroencefalografia e
Magnetoecefalografia
Alessio Avenanti – Ottobre 2014 – Dip. di Psicologia, Università di Bologna
Elettroencefalografia
• Tecnica neurofisiologica non invasiva
• Permette di registrare dallo scalpo (mediante elettrodi) le oscillazioni dell’attività elettrica di ampie popolazioni di neuroni
Elettroencefalografia
• Tecnica neurofisiologica non invasiva
• Permette di registrare dallo scalpo (mediante elettrodi) le oscillazioni dell’attività elettrica di ampie popolazioni di neuroni
• Tecnica: almeno 2 elettrodi, uno (o più) attivi e uno indifferente (o di riferimento, o di referenza). Si arriva a montaggi di oltre 200 elettrodi.
• Si misura sempre la differenza di potenziale tra i due elettrodi (siano entrambi attivi o attivo-indifferente)
• Collocazione degli elettrodi: sistema 10-20
Elettroencefalografia
Sistema internazionale 10-20:posizione degli elettrodi
Sistema 10-20
- all’ area cerebrale sottostante(F = frontale, P = parietale, C = ‘centrale’ per il vertice, T = temporale, O = occipitale)
- alla linea mediana(numero pari per elett. destri, dispari per elett. sinistri, z per elett. mediani).
Ad es, F3 indica un elettrodo frontale sinistro, Cz un elettrodo centrale mediano.
Tutti gli elettrodi sono collegati ad un comune elettrodo di riferimento (ad es, posto sull’orecchio o sulla guancia). Infatti, ciascun elettrodo registra la differenza di potenziale tra il sito cerebrale sottostante e l’ elettrodo di riferimento.
Gli elettrodi vengono posizionati secondo il sistema di riferimento internazionale 10-20.
Ciascun elettrodo e’ definito rispetto:
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Genesi del segnale EEG• L’EEG permette la registrazione delle variazioni di potenziale
elettrico generate da ampie popolazioni di neuroni.
• Misura il flusso di corrente extracellulare generato dalla sommaspazio-temporale di potenziali post-sinaptici (eccitatori e inibitori).
• I potenziali post-sinaptici contribuiscono alla genesi del segnale EEG in misura maggiore dei potenziali d’azione poiché sono più lenti e quindi possono sommarsi più efficacemente.
• Genesi del flusso di corrente: soprattutto III e V strato della corteccia cerebrale (cellule piramidali)
• Le cellule piramidali del III e V strato sono coinvolte nella genesi del segnale a causa della disposizione dei dentriti che è perpendicolare (radiale) alla superficie della corteccia cerebrale. Questa disposizione ordinata permette la sommazione spazio-temporale dei potenziali post-sinaptici
Genesi del segnale EEG
assonedendrite basele
soma
ramo del dendrite apicale
I strato
II strato
III strato
Corteccia Cerebrale (giro o circonvoluzione)
Per definizione tra due punti a
diverso potenziale elettrico in un
mezzo conduttivo (il cervello)
fluisce una corrente elettrica.
input sinaptici eccitatori
Genesi del segnale EEG
linee del flusso di corrente extracellularePotenziali post-sinaptici: ioni
positivi entrano nella cellula (corrente transmembranosa).
esternamente alla cellula, aumenta il numero di cariche negative.
Questa negatività esterna crea un flusso di corrente extracellulare
Modello a Singolo Dipolo
Dipolo = separazione di cariche elettriche positive e negative
ATTIVITÀ SPONTANEA (RITMI)
ATTIVITÀ EVOCATA (POTENZIALI EVOCATI)
Elettroencefalografia
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Ritmi EEG
Passando dallo stato di
veglia a quello di sonno e
coma, le onde EEG
diventano progressivamente
più ampie e meno frequenti.
Ritmi EEG
Caratterizzati da Ampiezza
(voltaggio) e Frequenza
Alpha 8-13 Hz
Beta 13-30 Hz
Theta 4-7 Hz
Delta < 4 Hz
FREQUENZA AMPIEZZA
1-5 μV
5-15 μV
10-50 μV
50 μV
Ritmi EEG
Gamma > 40 Hz < 1 μV
Ritmi EEGAnalisi quantitativa: l’analisi di frequenza (o analisi spettrale)
Si parte dal segnale EEG registrato su diversi canali:
Segnale caratterizzato da ampiezza e frequenza.
Quanto è presente un certo ritmo (ad es. alpha) all’interno del segnale?
Ritmi EEGAnalisi quantitativa: l’analisi di frequenza (o analisi spettrale)
Si divide il tracciato EEG in epoche (finestre temporali) di una certa durata fissa.
Si applica un algoritmo matematico al segnale EEG presente all’interno dell’epoca (Trasformata di Fourier)
La funzione di una variabile (il voltaggio in funzione del tempo) viene espressa come una serie di armoniche di onde sinusoidali con diverse frequenze. Mediante l’algoritmo si calcola quanto sono presenti queste frequenze nel segnale.
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Ritmi EEGAnalisi quantitativa: l’analisi di frequenza (o analisi spettrale)
Dalla Trasformata di Fourier si stima lo Spettro di Potenza
Lo Spettro di Potenza è una misura della potenza media contenuta nel segnale in corrispondenza di ciascuna delle frequenze contenute nel segnale stesso
Alla fine si ottiene una misura della potenza media per una banda di frequenze (ad es.alpha)
A partire dallo spettro di potenza calcolato per ciascun elettrodo, è possibile creare delle mappe funzionali dei ritmi EEG.
In sostanza si rappresenta graficamente la potenza media di un certo ritmo (o banda di frequenza). Nell’esempio un ritmo theta (banda: 3,5-5 Hz). I diversi colori rappresentano diversi valori di potenza del ritmo theta.
Si può calcolare una mappa per ciascuna condizione sperimentale che prevede il paradigma e calcolare delle mappe statistiche di contrasto tra due condizioni (come nella PET o fMRI).
Visualizzazione della potenza media di una banda di frequenza sotto forma di mappa della distribuzione spaziale dell’attività EEG
ATTIVITÀ SPONTANEA (RITMI)
ATTIVITÀ EVOCATA (POTENZIALI EVOCATI)
Elettroencefalografia Potenziali Evocati (PE)
Potenziali Evento-Correlati
(ERP, Event-Related Potentials)
I PE rappresentano modificazioni del segnale EEG che
fanno seguito ad un evento (ad es uno stimolo visivo).
Rappresentano la RISPOSTA EEG MEDIA CORRELATA
NEL TEMPO ALL’EVENTO.
I PE riflettono l’attività sincrona (nel tempo) di un ampio
numero di neuroni che rispondono alla presentazione
dello stimolo e sono coinvolti nella sua elaborazione
(stimulus information processing).
Stimolo
visivo
Mentoniera
Cuffia con
elettrodi Schermo di protezione
Tasti per la risposta
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Sistema 10-20
Sistemi ad alta densità di
elettrodi (64 -128 - 256).
Potenziali Evocati (PE)
Potenziali Evento-Correlati
(ERP, Event-Related Potentials)
I PE rappresentano l’attività media EEG che si registra in
concomitanza alla stimolazione e al compito cognitivo
somministrato al soggetto.
Il singolo PE indotto da uno stimolo è un segnale molto
piccolo (dell’ordine di pochi μV), mascherato dall’attività
globale del cervello (ritmi EEG, dell’ordine di decine di μV)
e deve essere estratto dal rumore di fondo per risultare
visibile.
Questa operazione di estrazione avviene grazie ad un
processo detto di AVERAGING (average = media).
Potenziali Evocati (Event-Related Potentials o ERP)
Variazione specifica del segnale EEG in seguito ad uno
stimolo (o ad un evento).
Tecnica di soppressione statistica del rumore di fondo. Migliora il rapporto Segnale/Rumore. Consiste nel:
1) Registrare numerose volte (anche + di 1000 ripetizioni) l’attività EEG dopo la presentazione dello stimolo;
2) Eseguire la media aritmetica (averaging) delle diverse ripetizioni.
Poiché l’EEG di fondo varia in modo casuale, esso tende a zero nella media.
Il segnale ERP, che è time-locked allo stimolo, emerge dal rumore di fondo all’aumentare delle ripetizioni.
Tecnica dell’ Averaging
Teoria dell’ Averaging
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EEG: variazioni del potenziale elettrico registrate sullo
scalpo, la cui ampiezza varia da -100 a + 100 mV, e la cui
frequenza raggiunge i 40 Hz (Hz = numero di cicli al
secondo) o più.
ERP: risposte cerebrali (misurate come variazione del
segnale EEG) di pochi mV ‘legate nel tempo’ (time-locked)
allo stimolo.
La registrazione degli ERP comincia circa 100 ms prima e
terminano circa 1000 msec o più dopo la presentazione di
uno stimolo.
Gli ERP registrati dallo scalpo rappresentano l’attività
neurale all’interno del cervello.
Tale attività riflette i processi nervosi sensoriali, motori
e/o cognitivi, correlati allo stimolo.
- Processi sensoriali evocati dallo stimolo fisico (precoci);
- Processi cognitivi (più tardivi) che dipendono dal compito in
cui il soggetto è impegnato (ad es. prestare attenzione ad una
posizione spaziale).
- Processi legati alla preparazione ed esecuzione motoria;
Gli ERP riflettono processi 1) “evocati” e 2) “invocati”:
ERP precoci (elaborazione + sensoriale)
ERP tardivi (elaborazione + cognitiva)
msec
msec
msec
Gli ERP sono definiti dalla:
- Polarità dell’ onda (+ o -);
- Latenza temporale (misurata dall’inizio dello stimolo);
- Distribuzione sullo scalpo (F, P, O, T).
- Ampiezza (misurata in Volt);
Le onde componenti il segnale ERP sono
contraddistinte da:
- una lettera N o P, che ne indica la polarità
(N se il picco e’ rivolto in alto, P in basso);
- un numero, che ne indica la latenza.
Ad esempio, l’onda P3 o P300 rappresenta un’onda
a polarità positiva (picco rivolto in basso) e latenza
di circa 300 msec.
Gli ERP registrati sullo scalpo sono correlati in modo complesso alle
strutture nervose sottostanti (una deflessione registrata da un elettrodo
parietale sinistro, non necessariamente è riconducibile all’ attività di
neuroni nel lobo parietale sinistro).
Tuttavia, esistono modelli matematici che tentano di correlare ERP
registrati in superficie (scalpo) e sedi di attivazione all’ interno del
cervello, producendo delle mappe di attivazione come quelle mostrate in
figura.
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Confronto con altre tecniche di visualizzazione
funzionale
- elevata capacità di risoluzione temporale;
- scarsa risoluzione spaziale:
ERP riflettono la somma dell’attività elettrica di numerosi
neuroni che rispondono in modo sincrono dopo lo
stimolo.
I neuroni che rispondono allo stimolo con attività sincrona
possono essere localizzati in più di una regione
cerebrale.
La distribuzione di ERP osservata in superficie può
essere dovuta ad un infinito numero di combinazioni di
aree attive entro il cervello.
Vantaggi e Svantaggi degli ERP
Vantaggi:
- Ottima risoluzione temporale (accuratezza circa 1 msec)
- Basso costo e semplicita’ della tecnica
- Molte componenti ‘periferiche’ e ‘centrali’ degli ERP sono
note (P300, N400)
- Poco invasivi
Svantaggi:
- Risoluzione spaziale molto povera
- Necessità di numerose prove per estrarre i potenziali
- Numerosi artefatti, soprattutto dovuti ai movimeneti oculari
(ammiccamento) e allo stato di tensione dellla mandibola
MAGNETO-ENCEFALOGRAFIA
Magnetoencefalografia
Magnetoencefalografia
Ad ogni campo elettrico corrisponde un campo magnetico con linee di flusso perpendicolari al campo elettrico
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Correnti ioniche intracraniche
V
MEGEEG
Campi magnetici e correnti elettriche registrate da MEG e EEG
Magnetoencefalografia
Dallo scalpo è possibile registrare i campi magnetici associati alle correnti ioniche parallele alla superficie cranica
Magnetoencefalografia
Il campo magnetico associato al flusso di correnti ioniche intracraniche è molto debole
(dell’ordine di decine di femto-Tesla circa 1 milione di volte più piccolo del campo magnetico terrestre).
È possibile registrarlo solo grazie ad un sistema di detettori (SQUIDs) molto sofisticato.
Magnetoencefalografia MagnetoencefalografiaUno SQUID (Superconduttore ad interferenza quantica)consiste in una spirale superconduttiva immersa nell’elio liquido ad una temperatura di circa -269°(ridottissima resistenza elettrica).
Lo SQUID rileva il campo magnetico indotto dalle correnti elettriche cerebrali e lo trasforma in un segnale elettrico (con voltaggio).
È il sistema più sensibile ai campi magnetici mai inventato.
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• Analizzando la distribuzione dei campi magnetici è possibilestimare la localizzazione della sorgente grazie ad un modellomatematico e sovrapporla ad una MRI
• Alta risoluzione sia spaziale (2 - 3mm) sia temporale (<1ms).
• La MEG permette una stima della sorgente, dell’orientamento edell’intensità dell’attività elettrica intracerebrale.
• Il vantaggio rispetto all’EEG è quello di consentire, oltre ad unamaggiore risoluzione spaziale, l’estrazione di segnali relativamentenon distorti dagli strati tessutali che si frappongono tra ilgeneratore intracerebrale e la superficie dello scalpo (per esempio,fluidi cerebrospinali, meningi, ossa craniche). Grazie allalocalizzazione dei generatori dell’attività cerebrale, la MEGpermette la costruzione di mappe funzionali del cervello,parzialmente paragonabili a quelle ottenute con la PET ma con unamigliore risoluzione temporale.
Magnetoencefalografia
Localizzazione di generatori
Campi evocati
Vantaggi e Svantaggi di EEG e MEG
Vantaggi:- Misurano direttamente l’attività dei neuroni- Ottima risoluzione temporale (accuratezza circa 1 msec)- Metodi non-invasivi- Non necessario metodo sottrattivo tra condizioni (vedi fMRI e PET)- EEG: basso costo, ampia conoscenza di alcune componenti
Svantaggi:- Modesta risoluzione spaziale (soffrono della non-unicità del “problema inverso”: localizzare anatomicamente un generatore di attività)- Necessità di numerose prove per estrarre i potenziali- Sensibile ad artefatti- MEG: Alto costo (ma minore di fMRI)