49
metodi 1: elettrofisiologia single cell recording EEG, ERPs magnetoencefalografia 1

single cell recording EEG, ERPs magnetoencefalografia · short-term memory (STM) and working memory (WM) 42. STM visiva può mantenere solo rappresentazioni di tre o quattro elementi

Embed Size (px)

Citation preview

metodi 1: elettrofisiologia

single cell recording EEG, ERPs

magnetoencefalografia

1

2

mondo esterno

cervello/neuroni

percepiscono

comprendonoagiscono

3

rappresentazione mentale?il mondo esterno

rappresentazione mentalesistema nervoso centrale

4

rappresentazione mentale

produzione

comprensione

semantica

rappresentazione neurale

LINGUAGGIO

courtesy of Arash Fazl (CNS . Boston University)

5

world

retina

6

uno dei metodi principali della psicologia cognitiva è la misurazione dei tempi di risposta (RT)

RT vanno molto bene per verificare i modelli cognitivi e per investigare le rappresentazioni mentali

? come investigare le rappresentazioni neurali?

? quali sono i metodi più appropriati?

il modo più diretto per misurare l’attività del cervello è la registrazione di singole cellule, altri metodi sono gli ERPs, fMRI, PET, TMS

registrazione di singole celluleminuscoli elettrodi misurano il potenziale d’azione (spike) nell’assone o all’esterno della membrana

esempio: campi recettivi visivi della corteccia visiva primaria

7

electrode

receptive field

oscilloscope

spotlight

8

campo recettivo di una cellula sempliceHubel and Wiesel

1981 Nobel Prize in Physiology or Medicine, for their discoveries concerning information processing in the primary visual cortex

https://www.youtube.com/watch?v=8VdFf3egwfg

mirror neuronsmonkey area F5 - single cell recording

9

azione

osservazione

Giacomo Rizzolatti Il meccanismo specchio: un meccanismo per conoscere gli altri

https://www.youtube.com/watch?v=RcSK0KZi6CM

10

Giacomo Rizzolatti, la scoperta dei neuroni specchiohttps://www.youtube.com/watch?v=nsJHMrhTZiA

11

organizzazione delle rappresentazioni neurali

rappresentazioni locali

corrispondenza uno a uno tra l’informazione dello stimolo/evento e il neurone

più sensibile alle lesioni

neuroni per la detezione dei contorni in V1

rappresentazioni distribuite

l’informazione è suddivisa in una più ampia popolazione di neuroni

più resistente alle lesioni

neuroni per il rilevamento delle facce nella corteccia temporale

12

elettroencefalografia (EEG)cosa viene misurato?

modificazioni elettriche in gruppi di neuroni come viene misurato?

differenze tra due elettrodi nello scalpo che tipo di variazioni possono essere misurate?

correlate al sonno; alcuni disordini neurologici come vengono misurate queste modificazioni?

Frequenza, Ampiezza, Forma (onde specifiche)

13

onde EEG

14

beta 13-30 Hz lobo parietale, frontale

alfa 8-13 Hz lobo occipitale

theta 4-8 Hz bambini, sonno adulti

delta 0.5-4 Hz infanti, sonno adulti

spikes 3 Hz epilessia, piccolo male

0

100µV

15

EEG - stadi del sonno

elettrodo e cuffia EEG/ERP

16

il sistema internazionale 10-20per il posizionamento degli elettrodi sullo scalpo

17

American Electroencephalography Societyinternational 10-20 system + intermediate 10% electrode positions

18

ERP event related potentials“Potenziali elettrici associati a specifici eventi di tipo sensoriale, percettivo, cognitivo, o motorio”

dall'EEG agli ERP…

Medie sincronizzate di finestre di tracciato EEG di tante rove corrispondenti allo stesso evento

attenuazione del rapporto segnale/rumore; ciò che rimane è “relato all’evento”

EEG = 20-50 µv / ERP = 1-10 µv

19

20

cane

stimolo partecipante strumentazione

amplificator PC

elettrodi

markers dello stimolo

stanza silente e schermata

oddball paradigm80 % stimoli X e 20% di stimoli O

21

stimulus response

x premi pulsante Ax premi pulsante Ao premi pulsante Bo premi pulsante Bx premi pulsante Ax premi pulsante A... …...

EEG registrato da elettrodo Pz

22

markers

epoching e averaging ERPs

23

0 200 400 600 800 ms

20 µV

N1

N1

P1

P1

N2

N2

P2

P2

P3

P3

Media di 20 stimoli O

Media di 80 stimoli X

segmenti EEG (epoche) secondo i codici marker

X

X

X

X

O

O

-4.0

0

+4.0

µV

500 1000 msec0

24

P1

N1

P2 P3

N400

componente esogena

componente endogena

25

componenti esogenecomponenti visive

C1 generata nell’area V1 - molto sensibile alle modificazioni di contrasto e frequenza spaziale

P1, N1 attenzione spaziale, processi discriminativi

N170 facce

26

componenti esogenecomponenti uditive

ABRs (Auditory Brainstem Responses) molto precoci 10 ms (VIII° nervo cranico, lemnisco laterale e collicolo inferiore)

dignosticare patologie uditive negli infanti

MMN (mismatch negativity) 160 - 220 ms. nella linea mediana centrale serie di stimoli identici con occasionali stimoli differenti

processo automatico di confronto tra lo stimolo e la traccia mnestica

27

componenti endogeneP3

P3a frontale e P3b parietale (più comune)

elicitata da stimoli bersaglio infrequenti ma “attesi”

segue la categorizzazione dello stimolo

non c’è accordo sul significato preciso di P3

ampiezza modulata dallo sforzo del compito -> allocazione di risorse?

28

componenti endogeneN400

localizzazione parietale (linguaggio) e frontale (stimoli visivi)

Kutas & Hillyard (1980) paradigma di lettura delle parole

accesso alle conoscenze semantiche

il

gatto

mangia

il

calzino topo

-4 µV +4 µV

29

30

dove nascono i potenziali?non sono potenziali d’azione, ma potenziali post sinaptici eccitatori o inibitori

comportamento di massa di neuroni corticali

non tutte le cellule contribuiscono alla stessa maniera

riflettono l’attività di neuroni vicini all’elettrodo

le strutture profonde non contribuiscono

origins of EEG signalBaillet et al., IEEE Sig. Proc. Mag., 2001

31

Pyramidal Cell Assembly

ScalpSkull

CSF

Cortex

Excitatory Post-Synaptic Potentials

Pyramidal Cell Assembly

Neural Activation

CNRS UPR640 - USC - LANL

PrimaryCurrent

SecondaryCurrents

studio sull’elaborazione delle facce con ERPs

[Rousselet et al. 2004; Bentin & Deouell, 2000; Sweinberger, 1996]

32

modello di riconoscimento

delle facce33

modello di riconoscimento

delle facce34

codifica percettiva

riconoscim. della faccia (familiarità)

riconoscim. persona (nome)

N170

N250

P400-600

stimoli [Rousselet, Macé, Fabre-Thorpe, Journal of Vision (2004) 4, 13-21]35

compito: faccia umana

compito: faccia animale

target non target

human faces animal faces neutral non-target

human facesanimal faces neutral non-target

facce umane e di animali in contesti naturali[Rousselet, Macé, Fabre-Thorpe, 2004] A: le facce erano il target B: le facce NON erano il target presentazione tachistoscopica (23ms) N170 localizzata nelle aree temporo-occipitali destre (T6) N170 non influenzata da volti famosi, animali. Ridotta con volti degradati.

36

human facesanimal faces

A

B

facce umane e di animali in contesti naturali[Rousselet, Macé, Fabre-Thorpe, 2004] A: le facce erano il target B: le facce NON erano il target presentazione tachistoscopica (23ms) N170 localizzata nelle aree temporo-occipitali destre (T6) N170 non influenzata da volti famosi, animali. Ridotta con volti degradati.

37

human facesanimal facesneutral objects

A

B

dritte vs. rovesciate[Rousselet, Macé, Fabre-Thorpe, Journal of Vision

(2004) 4, 13-21]

38

upright target human facesinverted target human faces

200

4

2

0

-2100 300 400

-6

-4 upright target animal faceinverted target animal faces

200

4

2

0

-2100 300 400

-6

-4

upright neutral non-targetsinverted neutral non-targets

200

4

2

0

-2100 300 400

-6

-4

It's not only in the eyes: Nonlinear relationship between face orientation and N170 amplitude irrespective of eye presence

[Magnuski M, Gola M (2013) International Journal of Psychophysiology]

39

40

It's not only in the eyes: Nonlinear relationship between face orientation and N170 amplitude irrespective of eye presence

[Magnuski M, Gola M (2013) International Journal of Psychophysiology]

It's not only in the eyes: Nonlinear relationship between face orientation and N170 amplitude irrespective of eye presence

[Magnuski M, Gola M (2013) International Journal of Psychophysiology]

41

short-term memory (STM) and working memory (WM)

42

STM visiva può mantenere solo rappresentazioni di tre o quattro elementi contemporaneamente

nel 2004 non era ancora stato scoperto un indice neurofisiologico di questo limite di capacità di immagazzinamento

SCOPO: trovare nell’uomo evidenze elettrofisiologie di attività cerebrale che riflettano la codifica e il mantenimento di informazioni in STM visiva

43

stimoli & paradigmaesperimento 1

44

same2 items

2 items+

2 distractors

4 items

same

different

risultatiesperimento 1

45

emisfero contralaterale

emisfero ipsilaterale

grande-media di elettrodi laterali,

occipitali e parietali posteriori CDA

contralateral delay activity

-200 ms

100 ms

0 ms

1,000 ms2,000 ms

(900 ms)

46

esperimento 1risultati

generatori degli ERPsidealmente, si vorrebbe identificare con precisione la localizzazione della sogente neurale che ha generato gli ERPs ("inverse solution").

è impossibile calcolare con precisione assoluta la soluzione inversa, perché ogni distribuzione sullo scalpo può, in principio, essere generata da un infinito numero di sorgenti nel del cervello.

comunque, i ricercatori hanno sviluppato degli strumenti potenti che forniscono una buona stima della posizione di queste sorgenti, dati alcuni ragionevoli assunti (modello del dipolo).

47

loretafornisce una stima della distribuzione della corrente nel cervello

limiti: incertezza spaziale

48

magnetoencefalografiatecnica di visualizzazione in vivo utilizzata per misurare il campo magnetico prodotto dall’attività elettrice dal cervello

il vantaggio della MEG rispetto al EEG è alta risoluzione spaziale e temporale, e l’assenza di un riferimento

dato che i campi magnetici nel cervello sono molto deboli e difficili da rilevare, la MEG usa lo stato dell’arte delle tecnologia (molto costoso)

MEG viene utilizzata per studiare processi cognitivi come il linguaggio o l’udito nel feto umano.

49