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10/28/2014
NEUROSCIENZE AFFETTIVE E
COGNITIVE
Elettroencefalografia
Lezione 3: Tecniche neurofisiologiche
Elettroencefalografia e
Magnetoecefalografia
Alessio Avenanti – Ottobre 2014 – Dip. di Psicologia, Università di Bologna
Elettroencefalografia
Elettroencefalografia
• Tecnica neurofisiologica non invasiva
• Tecnica neurofisiologica non invasiva
• Permette di registrare dallo scalpo (mediante elettrodi)
le oscillazioni dell’attività elettrica di ampie popolazioni di neuroni
• 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
Sistema 10-20
Gli elettrodi vengono posizionati
secondo il sistema di riferimento
internazionale 10-20.
Ciascun elettrodo e’
definito rispetto:
- 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).
Sistema internazionale 10-20:
posizione degli elettrodi
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.
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Genesi del segnale EEG
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 somma
spazio-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
Corteccia Cerebrale (giro o circonvoluzione)
Per definizione tra due punti a
diverso potenziale elettrico in un
mezzo conduttivo (il cervello)
fluisce una corrente elettrica.
I strato
ramo del
dendrite
apicale
soma
linee del flusso
di corrente
extracellulare
esternamente alla cellula,
aumenta il numero di
cariche negative.
II strato
III strato
Potenziali post-sinaptici: ioni
positivi entrano nella cellula
(corrente transmembranosa).
input
sinaptici
eccitatori
assone
dendrite
basele
Modello a Singolo Dipolo
Questa negatività esterna
crea un flusso di corrente
extracellulare
Elettroencefalografia
ATTIVITÀ SPONTANEA (RITMI)
ATTIVITÀ EVOCATA (POTENZIALI EVOCATI)
Dipolo = separazione di cariche elettriche positive e negative
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Ritmi EEG
Ritmi EEG
Caratterizzati da Ampiezza
(voltaggio) e Frequenza
Passando dallo stato di
veglia a quello di sonno e
coma, le onde EEG
diventano progressivamente
più ampie e meno frequenti.
FREQUENZA
Ritmi EEG
AMPIEZZA
Gamma > 40 Hz
< 1 μV
Beta 13-30 Hz
1-5 μV
Alpha 8-13 Hz
5-15 μV
Theta 4-7 Hz
10-50 μV
Delta < 4 Hz
50 μV
Ritmi EEG
Ritmi EEG
Analisi quantitativa: l’analisi di frequenza (o analisi spettrale)
Analisi 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?
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 EEG
Visualizzazione della potenza media di una
banda di frequenza sotto forma di mappa
della distribuzione spaziale dell’attività EEG
Analisi quantitativa: l’analisi di frequenza (o analisi spettrale)
A partire dallo spettro di potenza
calcolato per ciascun elettrodo, è
possibile creare delle mappe funzionali
dei ritmi EEG.
Dalla Trasformata di Fourier si
stima lo Spettro di Potenza
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.
Lo Spettro di Potenza è una
misura della potenza media
contenuta nel segnale in
corrispondenza di ciascuna delle
frequenze contenute nel segnale
stesso
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).
Alla fine si ottiene una misura
della potenza media per una
banda di frequenze (ad es.alpha)
Elettroencefalografia
ATTIVITÀ SPONTANEA (RITMI)
ATTIVITÀ EVOCATA (POTENZIALI EVOCATI)
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).
Cuffia con
elettrodi
Schermo di protezione
Stimolo
visivo
Mentoniera
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)
Tecnica dell’ Averaging
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.
Variazione specifica del segnale EEG in seguito ad uno
stimolo (o ad un evento).
Il segnale ERP, che è time-locked allo
stimolo, emerge dal rumore di fondo
all’aumentare delle ripetizioni.
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.
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.
Gli ERP riflettono processi 1) “evocati” e 2) “invocati”:
ERP: risposte cerebrali (misurate come variazione del
segnale EEG) di pochi mV ‘legate nel tempo’ (time-locked)
allo stimolo.
- Processi sensoriali evocati dallo stimolo fisico (precoci);
La registrazione degli ERP comincia circa 100 ms prima e
terminano circa 1000 msec o più dopo la presentazione di
uno stimolo.
- 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;
ERP precoci
ERP tardivi
(elaborazione + sensoriale)
(elaborazione + cognitiva)
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);
msec
msec
msec
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);
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.
- 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.
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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
Magnetoencefalografia
MAGNETO-ENCEFALOGRAFIA
Magnetoencefalografia
Ad ogni campo elettrico corrisponde un campo magnetico
con linee di flusso perpendicolari al campo elettrico
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Campi magnetici e correnti elettriche registrate
da MEG e EEG
MEG
EEG
V
Correnti ioniche
intracraniche
Magnetoencefalografia
Magnetoencefalografia
Il campo magnetico associato al
flusso di correnti ioniche
intracraniche è molto debole
(dell’ordine di decine di femtoTesla circa 1 milione di volte più
piccolo del campo magnetico
terrestre).
Dallo scalpo è possibile registrare i campi magnetici associati
alle correnti ioniche parallele alla superficie cranica
Magnetoencefalografia
È possibile registrarlo solo
grazie ad un sistema di
detettori (SQUIDs) molto
sofisticato.
Magnetoencefalografia
Uno 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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Magnetoencefalografia
• Analizzando la distribuzione dei campi magnetici è possibile
stimare la localizzazione della sorgente grazie ad un modello
matematico e sovrapporla ad una MRI
• Alta risoluzione sia spaziale (2 - 3mm) sia temporale (<1ms).
• La MEG permette una stima della sorgente, dell’orientamento e
dell’intensità dell’attività elettrica intracerebrale.
• Il vantaggio rispetto all’EEG è quello di consentire, oltre ad una
maggiore risoluzione spaziale, l’estrazione di segnali relativamente
non distorti dagli strati tessutali che si frappongono tra il
generatore intracerebrale e la superficie dello scalpo (per esempio,
fluidi cerebrospinali, meningi, ossa craniche). Grazie alla
localizzazione dei generatori dell’attività cerebrale, la MEG
permette la costruzione di mappe funzionali del cervello,
parzialmente paragonabili a quelle ottenute con la PET ma con una
migliore risoluzione temporale.
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)
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