Potenziali Evocati risposte registrate a livello del sistema nervoso centrale e/o periferico in seguito ad una stimolazione esterna Tali risposte possono essere ottenute dalle strutture sensoriali del cervello (sensitive, visive ed uditive) dopo stimolazione delle corrispondenti afferenze (fibre nervose somatosensoriali, nervo ottico, nervo acustico) o, per quanto riguarda i Potenziali Evocati Motori (PEM), dal muscolo dopo stimolazione della corteccia motoria

Perché i PE nell’era delle neuroimmagini? MRI+FDG-PET

Difficoltà nello studio funzionale del troncoencefalo e del midollo Vantaggi Svantaggi Possibilità di individuare aree cerebrali molto piccole, attive in maniera fisiologica e/o patologica (RISOLUZIONE SPAZIALE) Difficoltà nello stabilire l’attivazione sequenziale delle strutture cerebrali (RISOLUZIONE TEMPORALE) Difficoltà nel definire qualitativamente le modificazioni nell’attività di una certa area cerebrale (inibizione? eccitazione?) Difficoltà nello studio funzionale del troncoencefalo e del midollo Neuroimmagini

Walsh & Cowey, Nature Rev Neurosci 2000 x x

Potenziali Evocati Svantaggi Vantaggi Limitata risoluzione spaziale, anche utilizzando un numero elevato di elettrodi di registrazione e metodiche di decomposizione del segnale e analisi dipolare Elevata risoluzione temporale Possibilità di interpretare le modificazioni del segnale elettrico cerebrale in senso inibitorio o eccitatorio Possibilità di studio funzionale del troncoencefalo e del midollo Potenziali Evocati

Utilità dei Potenziali Evocati: routine clinica (diagnosi, follow-up) Concetti di base per l’utilizzo clinico routinario: - analisi del segnale e nomenclatura - generatori dei PE - tipi di PE 2) monitoraggio intraoperatorio (chirurgia vertebrale –SEP e MEP, chirurgia dell’angolo ponto-cerebellare – BAERs) 3) Utilizzo per la ricerca

PROBLEMA: L’ampiezza dei potenziali evocati è più piccola del segnale elettrico generato da altre sorgenti e accessibile da parte degli elettrodi registranti EEG Corrente di rete EKG Potenziali muscolari Ecc…

Averaging: SOLUZIONE: è la media di intervalli EEGgrafici dopo singoli stimoli. In tale media, solo il segnale con un rapporto di tempo costante con lo stimolo viene esaltato, mentre tutto il “rumore di fondo”, indipendente dallo stimolo, verrà progressivamente attenuato

AVERAGING

AVERAGING Consente di mettere in evidenza anche componenti evocate meno “stabili”

“Signal to Noise is Proportional to the Square Root of the Number of Averages” Chiappa

Come si generano i Potenziali Evocati? Dendrite post-synaptic potential 10-100 ms duration Good summation Ionic currents Axon action potential 1 ms duration Bad summation

EEG Gli spostamenti delle cariche ioniche causate dagli EPSP-IPSP generano dei potenziali extracellulari definiti “Field potentials” la cui registrazione all’esterno dello scalpo costitutisce l’EEG e le sue modificazioni. 14 14

Il sistema Internazionale "10-20" Also note that the smaller the number, the closer the position is to the midline. Nasion - point between the forehead and nose. Inion - Bump at back of skull 15

L’attività elettrica extracellulare, principale responsabile del segnale registrato dalla superficie del cuoio capelluto, dipende in gran parte dai potenziali postsinaptici eccitatori e inibitori

Evento elettrico in superficie Evento elettrico in profondità Come i PSPs si traducono nel segnale EEG? Sinapsi eccitatoria Sinapsi inibitoria Evento elettrico in superficie Evento elettrico in profondità

EPSP in superficie: registrazione dallo scalpo di un potenziale negativo EPSP in profondità: registrazione dallo scalpo di un potenziale positivo IPSP in superficie: registrazione dallo scalpo di un potenziale positivo IPSP in profondità: registrazione dallo scalpo di un potenziale negativo

E’ molto importante considerare che il segnale registrato sulla superficie dello scalpo deriva dalla somma di più differenze di potenziale (dipoli) uguali per segno, verso e direzione generati da più neuroni disposti parallelamente

In rapporto al flusso di cariche che si verifica attivamente e passivamente nella terminazione dendritica questa può esser vista come un DIPOLO (Una unità elementare di generatore di carica con polarità negativa e positiva posta a i due estremi in cui la corrente va in maniera simmetrica dal polo positivo a quello negativo). Più esattamente il dipolo è costituito da una sorgente source (+) e da u o scariuco sink (-). L’organizzaione in parallelo della maggior parte dei neuroni corticali e la loro attivazione sincrona in virtù delle loro interconnessioni fanno si che si determini uno strato corticale in cui i vari sinks sono localizzati (con le loro cariche negative) superficialmente e le loro sources (con cariche positive) più profondamnete rispetto al dipolo. In base alla disposizione di tale dipolo rispetto alla superficie corticale si distinguerà un dipolo vertcale (o radiele) se orientato verticalemnte un dipolo orizzontale (tangenziale) se localizzato in un solco od in una scissura interemisferica di un dipolo obliquo 20 20

Potenziali Far e Near Field Corteccia Talamo Midollo Nervo-plesso

Nel caso dei Potenziali Evocati, i “far-fields” si generano quando vi è un cambiamento nelle caratteristiche del mezzo (cambiamento di volume, di densità) In realtà tutte le risposte post-sinaptiche evocate che registriamo dal sistema nervoso centrale sono dei “far-fields”

Potenziali Near Field

E’ possibile risalire dai potenziali registrati in superficie ai loro generatori profondi? Problema inverso

Problema inverso: Dato un numero limitato di elettrodi di registrazione le soluzioni sono infinite Esistono dei programmi di modellizzazione dipolare che permetto di formulare delle ipotesi La congruenza fra l’ipotesi e la traccia registrata è espressa dalla varianza residua

Orizzontale o tangenziale disposizione del dipolo - - - - + + + - - + + + Obliquo Verticale o radiale Orizzontale o tangenziale - +

Limiti della modellizzazione dipolare: Un bassa varianza residua non garantisce la correttezza del modello E’ sempre necessario formulare un’ipotesi iniziale sul numero e sulla localizzazione dei dipoli La risoluzione spaziale non è inferiore a ~9 mm anche utilizzando molti elettrodi registranti e proiettando i risultati sulla RM individuale

Vantaggi della modellizzazione dipolare: Consente di separare le attività di generatori diversi, ma molto vicini nello spazio e nel tempo Consente di paragonare le attività di singoli generatori in condizioni diverse

Il semplice studio topografico dei Potenziali Evocati può dare informazioni sui loro generatori L’accuratezza di una mappa topografica dipende: dal numero di elettrodi, dalla metodica di interpolazione (interpolazione lineare, spline)

Potenziali Esogeni ed Endogeni I Potenziali Evocati Esogeni sono interamente dipendenti dalle caratteristiche fisiche del segnale afferente (frequenza, intensità, durata) e non sono soggetti a modificazioni collegate allo stato cognitivo (per esempio di “attenzione”) del soggetto stimolato Sono Potenziali Evocati Esogeni i BAERs, i PES a breve latenza evocati dal midollo spinale (N13), dal troncoencefalo (P14) e dalla corteccia somatosensoriale (N20)

Potenziali Esogeni ed Endogeni I Potenziali Evocati Endogeni sono interamente dipendenti da fattori cognitivi soggettivi e possono anche non essere evocabili in determinate condizioni del soggetto stimolato, nonostante l’integrità anatomica delle vie afferenti Sono Potenziali Evocati Endogeni la P300, la CNV

Potenziali Esogeni ed Endogeni Alcuni PE, generalmente definiti a media latenza, sono evocati dallo stimolo afferente e dipendono dalle sue caratteristiche fisiche, ma vengono largamente influenzati dallo stato di vigilanza e di attenzione del soggetto Appartengono a tale categoria i potenziali evocati somatosensoriali P40 e N60

Controlli (sensibilità, filtri) Elettromiografo Controlli (sensibilità, filtri) Testina paziente amplificatori interfaccia Conversione A/D Si distinguono amplificatori di corrente (connessi con un sistema scrivente a galvanometro) e di tensione (connessi con una rappresentazione sul monitor del segnale). elaborazione acquisizione 33

Acquisizione: l’amplificatore differenziale L’amplificatore differenziale è un dispositivo elettronico che amplifica la differenza tra i due segnali presenti ai suoi ingressi permette di eliminare componenti uguali per ampiezza e fase dei segnali di ingresso, la cui differenza algebrica è praticamente nulla

Acquisizione: l’amplificatore differenziale Elevato guadagno (rapporto tra segnale in ingresso e segnale in uscita) per amplificare il basso segnale di ingresso (10000 volte) CMRR (common mode rejection ratio): rapp. di reiezione di modo comune indica la capacità dell’amplificatore di reiettare/attenuare le componenti uguali dei segnali in ingresso e di amplificarne le differenze (100 dB). un alto CMRR è importante nelle applicazioni in cui l’informazione rilevante è contenuta nella differenza di potenziale tra due segnali Amplificazione (10000 Volte) della Differenza di Potenziale tra due punti mediante Amplificatore Differenziale CMRR = Indice di Reiezione dei Rumori Comuni ai due Ingressi; vale circa 1000000, minimo 100 dB @ 50 Hz

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)

CONVERSIONE A/D campionamento Il tempo di campionamento (Tc), o frequenza di campionamento (Fc) determinano la risoluzione del segnale (traccia) sull’ASSE ORIZZONTALE

campionamento segnale analogico tempo

campionamento tempo Fc

campionamento segnale analogico tempo Fc

campionamento segnale analogico tempo Fc

CONVERSIONE A/D campionamento Il tempo di campionamento (Tc), o frequenza di campionamento (Fc) determinano la risoluzione del segnale (traccia) sull’ASSE ORIZZONTALE Più corto è il Tc o più alta è la Fc più sono i punti della traccia intercettati, più fedele è la riproduzione del segnale digitale

CONVERSIONE A/D campionamento Il teorema di Nyquist (teorema del campionamento o di Shannon) stabilisce le condizioni necessarie e sufficienti per la corretta conversione A/D di un segnale: la frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio della frequenza più elevata nel segnale (Frequenza di Nyquist).

CONVERSIONE A/D campionamento Quando questa condizione è rispettata la forma d’onda originale può essere ricostruita con l’accuratezza desiderata usando opportune formule di interpolazione a partire dall’informazione memorizzata in forma numerica. Al contrario se la frequenza di campionamento è troppo bassa rispetto alla frequenza massima del segnale da convertire la forma d’onda numerica risulterà distorta In particolare le frequenze superiori alla metà di quella del campionamento (Fc/2) appariranno come frequenze più basse (ALIASING). Questo errore non può essere corretto successivamente.

Digitalizzazione EMG: Valori Tipici Tipo Segnale Ampiezza VIN Risoluzione Banda FC Intervallo EMG ad Ago 0.1 – 20 mV 25600 V 0.39 V/digit 2 – 10000 Hz 32768 Hz Continuo VCM 50 msec. VCS 1-100 V 3200 V 48.8 nV/digit 5 – 2000 Hz 8192 Hz Singola Fibra 0.5 – 10 mV 25600  V 500 – 5000 Hz 5 msec. P300 10-40 V 1600 V 24.4 nV/digit 0.16-100 Hz 256 Hz 800 msec. PES 2-10 V 3-2000 Hz 100 msec. PEV 5-20 V 1-200 Hz 512 Hz 250 msec. PEATC 0.2 – 1 V 800 V 12.2 nV/digit 3 – 3000 Hz 16384 Hz 15 msec. Calcoli effettuati con Quantizzazione a 16 bit Valori ricavati da: “Recommendation for the Practice of Clinical Neurophysiology: Guidelines of the International Federation of Clinical Neurophysiology”: 2nd revised and enlarged edition. Supplement 52 to Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. Edited by G. DEUSCHL and A. EISEN - Elsevier 45

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)

CONVERSIONE A/D quantizzazione Determina la risoluzione del segnale (traccia) sull’ASSE VERTICALE L’EEG viene trasformato in una sequenza di numeri interi misurandone l’ampiezza ad intervalli di tempo equidistanti (Fc) convertendo la tensione misurata in un numero intero

CONVERSIONE A/D quantizzazione L’unità di misura è rappresentata dal numero di bit La precisione con cui vogliamo misurare un oggetto

quantizzazione Il numero di linee è espresso dai bit e si esprime come potenza di 2 (2nbit) se sono 8 linee sarà espresso come 23

Aumentando i bit si aumentano il numero di linee quantizzazione Aumentando i bit si aumentano il numero di linee

CONVERSIONE A/D quantizzazione Il numero di bit (2n) utilizzato dal convertitore A/D determina la risoluzione del segnale (traccia) sull’asse verticale Il valore minimo di ampiezza rappresentabile sullo schermo è dato dal segnale in ingresso diviso la risoluzione 3 bit corrispondono a 8 livelli (23) 16 bit corrispondono a 65.536 livelli (216)