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Università degli studi di Roma

“La Sapienza”

Facoltà di Ingegneria delle Telecomunicazioni

“Studio e caratterizzazione del riflesso sudomotorio

mediante imaging termica”

Laureanda Silvia Carducci

Relatore Correlatore Prof. Roberto Cusani Dr. Arcangelo Merla

2

A tutti coloro che, credendo in me,

mi hanno aiutato a giungere fin qui.

3

Sentiti ringraziamenti al Prof. Roberto Cusani ed al Dr. Arcangelo Merla,

senza l’aiuto dei quali non avrei potuto svolgere questo lavoro al meglio.

4

INDICE

Introduzione 7

Capitolo I

Fisiologia della risposta cutanea galvanica e termica 11

1.1 Il sistema nervoso autonomo 11

1.1.1 Il sistema limbico. 12

1.1.2 Anatomia funzionale del sistema nervoso simpatico. 14

1.1.3 Caratteristiche fondamentali delle funzioni del 15

sistema nervoso simpatico.

1.1.4 Meccanismi di produzione, trasporto e rimozione 16

dei trasmettitori simpatici.

1.1.4.1 Sintesi dell’acetilcolina. 16

1.1.4.2 Sintesi della noradrenalina e dell’adrenalina. 17

1.1.5 La funzione della midollare del surrene. 18

1.2 Anatomia e fisiologia della pelle 23

1.3 Fisiologia del segnale GSR 26

1.3.1 Ghiandole sudoripare e meccanismi base nella

produzione del sudore 27

1.3.1.1 Ghiandole eccrine 27

1.3.1.2 Ghiandole apocrine 28

1.3.1.3 Meccanismi di secrezione del sudore 29

1.3.2 Innervazione delle ghiandole sudoripare 30

1.3.3 Aspetti neurologici della risposta elettrodermica 31

1.3.4 Meccanismi elettro fisiologici delle risposte elettrodermiche 33

1.3.5 Genesi della risposta elettrodermica. 34

1.4 Fisiologia del segnale termico TSR 35

1.4.1 Fisica della dispersione termica a livello cutaneo 37

5

Capitolo II

Materiali e metodi 42

2.1 Descrizione del paradigma sperimentale 42

2.2 Acquisizione del segnale galvanico 45

2.2.1 Strumentazione 46

2.2.1.1 ML116 GSR Amp 46

2.2.1.2 Elettrodi 47

2.2.1.3 unità di controllo Powerlab 48

2.2.2 Metodologia di acquisizione 49

2.2.3 Registrazione 49

2.2.4 Risposta ad uno stimolo emotigeno 50

2.3 Acquisizione del segnale termico 50

2.3.1 La radiazione infrarossa 52

2.3.2 Misure di temperatura 55

2.3.3 L’imaging funzionale infrarosso. 57

2.3.4 Strumentazione.

2.3.4.1 Sensori e Criocooler 58

2.3.4.2 Ottica 61

2.3.4.3 Termocamera ed unità di controllo 61

2.3.4.4 Visualizzazione dei dati infrarosso 62

2.3.5 Gestione software della termocamera: il programma Infra 1.4 64

2.3.6 Calibrazione del corpo nero 64

2.3.7 Standardizzazione delle misure IRFI 65

Capitolo III

Analisi dei dati 67

3.1 Wavelet

3.1.1 Analisi tempo frequenza 67

3.1.2 La Trasformata Wavelet Continua: CWT 72

3.1.3 Dalla CWT discreta alla DWT 78

3.1.4 Analisi multirisoluzione 80

6

3.1.5 Analisi e sintesi 80

3.1.6 Analisi multirisoluzione come implementazione di filtri 81

3.2 Analisi dei segnali 88

3.3 Analisi del GSR 89

3.3.1 Analisi wavelet del GSR 91

3.3.2 Implementazione di una wavelet madre adattata al GSR 95

3.4 Analisi del TSR 113

3.4.1 Utilizzo delle wavelet per l’estrazione della struttura del segnale 114

3.5 Elaborazione dei dati 127

3.6 Modellizzazione del GSR e del TSR 130

Capitolo IV

Risultati 132

Capitolo V

Discussione 139

Conclusioni 143

Bibliografia 144

Ringraziamenti 146

7

Introduzione

Tra i segnali biologici di interesse biomedico comunemente studiati ed utilizzati (ECG,

EEG, EMG, EOG, frequenza respiratoria, etc)(1) ve ne è uno di particolare interesse,

per le possibili e potenziali implicazioni psicometriche ad esso associate,

comunemente noto in letteratura come Galvanic Skin Response (GSR) o risposta

cutanea galvanica. Questo segnale, rilevabile con opportuni sensori posti sul palmo

delle mani o sulle dita, si origina dalla variazione di impedenza cutanea, legata alla

quantità di sudore prodotto dalle ghiandole sudoripare. Poiché, come vedremo, la

sudorazione cutanea rappresenta un indicatore attendibile di possibili stati di stress

mentale ed emozionale del soggetto in esame, la registrazione del GSR viene utilizzata

per monitorare eventuali risposte e reazioni psicologiche, indotte o spontanee, negli

individui. La relativa semplicità del rilevamento del segnale e la presenza nel suo

tracciato di caratteristiche qualitative immediatamente riconducibili agli stimoli hanno

reso il GSR un segnale ampiamente utilizzato in un’ampia varietà di studi e di

condizioni sperimentali.

Una delle applicazioni probabilmente più conosciute, ed al tempo stesso più

controversa, dell’analisi qualitativa del GSR è il suo utilizzo, in associazione con la

registrazione di altri parametri fisiologici, nella macchina della verità. Fra le altre

applicazioni, si ricorda l’utilizzo del GSR negli studi mirati a valutare l’impatto

emozionale di suoni o luci (si veda, ad esempio, “Investigation into the effects of

music and meditation on galvanic skin response”, 2000, N.N. Sudheesh, K.P. Joseph),

il livello di stress individuale (si veda, ad esempio, in relazione all’attività lavorativa,

“Stima dell’ individualità psico- fisiologica di operatori di call center durante l’attività

lavorativa”, 2001, R. Piacentini, P. Sirabella, A. Colosimo, P. Montanari, F. Davide.),

(1) ECG: elettrocardiogramma.

EEG: elettroencefalogramma.

EMG: elettromiografia.

EOG: elettro-oculografia.

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Questa tesi affronta proprio tale problema, sia da un punto di vista qualitativo,

considerando la natura biologica dei due segnali ed il loro legame funzionale, che

quantitativo, attraverso l’analisi dei due segnali, basata sulla decomposizione tramite le

funzioni Wavelets. Lo studio è stato condotto su dati sperimentali raccolti presso il

Laboratorio di Imaging Funzionale Infrarosso e Teletermografia Digitale dell’ITAB –

Istituto Tecnologie Avanzate Biomediche, della Fondazione “Università G.

D’Annunzio” di Chieti.

La scelta di ricorrere alle Wavelets si basa sulla natura non stazionaria dei segnali in

esame, cui un approccio “classico” quale, ad esempio, tramite Trasformata di Fourieur

può risultare insoddisfacente o addirittura inapplicabile. D’altro canto, le Wavelets si

stanno rivelando uno strumento estremamente potente nell’analisi dei segnali alle loro

diverse frequenze e nella ricostruzione nel dominio temporale delle componenti dello

stesso, legate esclusivamente alle frequenze d’interesse. Questa caratteristica consente,

di fatto, di mantenere sia l’ informazione in frequenza che temporale,

simultaneamente.

La tesi si sviluppa in cinque capitoli: il primo affronterà la fisiologia dei due segnali e

sarà orientato ad evidenziare le strutture di controllo del SNS ed i meccanismi

fisiologici ad esso sottoposti, che generano i due segnali in esame; il secondo, i metodi

di registrazione del GSR e del segnale termico ed il protocollo sperimentale utilizzato;

il terzo conterrà inizialmente una breve trattazione sulla teoria delle Wavelets, a cui

seguirà l’ analisi dei dati; il quarto i risultati sperimentali ottenuti; il quinto la

discussione e l’interpretazione dei dati; cui seguiranno le conclusioni.

11

Capitolo primo

Fisiologia della risposta cutanea galvanica e termica

1.1 Sistema nervoso autonomo

Il sistema nervoso autonomo rappresenta la parte del sistema nervoso deputata al

controllo delle attività viscerali dell’organismo tra cui ci sono la pressione arteriosa, la

motilità e l’attività secretoria dell’ apparato gastroenterico, la sudorazione, la

temperatura corporea.

Una caratteristica importante del sistema nervoso autonomo è la rapidità e l’intensità

con cui può modificare la funzionalità viscerale; ad esempio in soli 3-5 secondi può far

aumentare fino a due volte la frequenza cardiaca, in soli 10-15 secondi può far

raddoppiare il livello della pressione arteriosa o, all’ opposto, in 4-5 secondi può

determinarne una tale diminuzione fino a produrre una crisi vagale. Inoltre, in pochi

secondi può indurre sudorazione. Molte di queste modificazioni sono strettamente

correlate allo stato emozionale del soggetto.

Il sistema nervoso autonomo è attivato principalmente da centri situati nel midollo

spinale, nel tronco cerebrale e nell’ ipotalamo. Inoltre alcune porzioni della corteccia

cerebrale, specialmente quella limbica, possono trasmettere impulsi ai centri inferiori

ed in tal modo possono influenzare le caratteristiche del controllo autonomo.

Il sistema nervoso autonomo opera spesso mediante riflessi viscerali, per cui i segnali

afferenti in arrivo ai gangli autonomi, ai centri spinali, tronco encefalici o ipotalamici

trasmettono in via riflessa appropriati comandi al fine di regolarne l’attività. I segnali

afferenti provenienti dal sistema nervoso autonomo sono trasmessi all’organismo

attraverso due principali sezioni, il sistema nervoso simpatico e quello parasimpatico.

12

1.1.1 Il sistema limbico

Un ruolo centrale nel sistema nervoso centrale è giocato dal sistema limbico. Il termine

“limbico” significa “ai confini” e venne originariamente introdotto per designare

alcune strutture nervose localizzate ai bordi delle regioni basali del cervello. Il

significato di questa espressione si è però esteso fino ad indicare l’intero complesso

dei circuiti neuronali che controllano il comportamento emotivo e le pulsioni

motivazionali.

Una parte rilevante del sistema limbico è costituita dall’ipotalamo e dalle strutture ad

esso correlate. Oltre a svolgere un ruolo consistente nel controllo del comportamento,

queste aree regolano anche numerose condizioni interne all’organismo, come la

temperatura, i meccanismi della fame e della sete, il peso corporeo. Queste funzioni

interne vengono designate nel loro complesso come funzioni vegetative ed il loro

controllo è strettamente collegato al comportamento individuale.

Fig. 1.1 : Il sistema limbico (tratto da Guyton & Hall, EDIS, 2005).

La figura 1.1 illustra le componenti anatomiche del sistema limbico, costituito da un

complesso di strutture tra loro strettamente connesse, situate alla base del cervello. Nel

mezzo di queste strutture si trova l’ipotalamo, che, dal punto di vista fisiologico,

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rappresenta uno degli elementi centrali dell’intero sistema. La figura rappresenta

quindi, schematicamente, la posizione chiave occupata dall’ipotalamo, ed evidenzia

anche le altre componenti sottocorticali del sistema limbico, poste intorno ad esso.

Intorno alle strutture limbiche sottocorticali si trova la corteccia limbica, che funziona

da via di comunicazione bidirezionale e da elemento di associazione tra la

neocorteccia e le strutture limbiche sottocorticali.

Molte delle funzioni comportamentali svolte dall’ipotalamo e da altre strutture

appartenenti al sistema limbico si attuano attraverso la mediazione dei nuclei reticolari

tronco-encefalici e di nuclei ad essi associati.

La stimolazione della porzione eccitatoria della formazione reticolare esalta il grado di

eccitabilità corticale e spinale, infatti, ogni volta che la corteccia cerebrale viene

attivata, sia per effetto di processi mentali che di attività motorie, segnali discendenti

vengono inviati alle aree eccitatorie tronco-encefaliche, le quali a loro volta rinforzano

di rimando il grado di eccitazione corticale. Ciò serve a mantenere o ad esaltare il

livello di eccitazione della corteccia cerebrale, secondo un meccanismo generale di

feedback positivo, per cui una qualunque attività cerebrale una volta iniziata promuove

un ulteriore aumento di attività e di vigilanza mentale.

La maggior parte dei segnali ipotalamici per il controllo del sistema nervoso autonomo

vengono trasmessi attraverso nuclei situati nel tronco encefalico.

14

1.1.2 Anatomia funzionale del sistema nervoso simpatico

Fig. 1.2 : Sistema nervoso simpatico (tratto da Guyton & Hall, EDIS, 2005).

La figura 1.2 mostra l’organizzazione generale della componente periferica del sistema

nervoso simpatico, e mostra una delle due catene di gangli paravertebrali simpatici

presenti ai lati della colonna vertebrale, due gangli (o plessi) prevertebrali (il celiaco e

l’ipogastrico) ed i nervi che collegano i gangli con i vari organi interni. Le fibre

passano dapprima nella catena simpatica e da qui raggiungono i tessuti e gli organi cui

sono destinate. La via simpatica è formata da due neuroni, un neurone pregangliare ed

un neurone postgangliare. Il corpo cellulare del neurone pregangliare si trova nel

midollo spinale ed il suo assone passa dal midollo al nervo spinale corrispondente e da

qui ad uno dei gangli della catena simpatica. I neuroni postgangliari con cui fanno

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sinapsi i neuroni pregangliari possono trovarsi sia in un ganglio della catena simpatica

che in uno dei gangli prevertebrali.

Particolarmente importanti sono quelle fibre pregangliari simpatiche che, senza dar

luogo a sinapsi, passano dalle cellule del midollo spinale alle catene simpatiche ed ai

nervi splancnici, per raggiungere attraverso di essi la ghiandola midollare del surrene.

Qui le loro terminazioni entrano in contatto diretto con speciali cellule neuronali

modificate, le quali secernono adrenalina e noradrenalina nel sangue circolante. Queste

cellule derivano embriologicamente dal tessuto nervoso e sono assimilabili a neuroni

postgangliari, infatti esse presentano rudimentali prolungamenti nervosi, attraverso i

quali avviene la secrezione di tali ormoni.

1.1.3 Caratteristiche fondamentali delle funzioni del sistema nervoso

simpatico

I neuroni postgangliari simpatici secernono acetilcolina o noradrenalina. Quindi le

terminazioni simpatiche utilizzano come neurotrasmettitori l’acetilcolina o la

noradrenalina. Le fibre che secernono acetilcolina sono dette colinergiche, mentre

quelle che secernono noradrenalina sono dette adrenergiche. Tutti i neuroni

pregangliari sono colinergici, quindi applicando acetilcolina o altra sostanza

acetilcolinosimile sui gangli del sistema nervoso autonomo tutti i neuroni postgangliari

simpatici vengono eccitati.

La maggior parte dei neuroni postgangliari simpatici sono adrenergici, ad eccezione

delle fibre simpatiche, destinate alle ghiandole sudoripare, ai muscoli piloerettori e ad

alcuni vasi sanguigni, che sono colinergiche.

Questi ormoni agiscono, a loro volta, sui vari organi effettori determinando i rispettivi

effetti simpatici. Spesso la noradrenalina viene definita come trasmettitore (o

mediatore) del sistema simpatico, a causa della predominanza di fibre postgangliari

adrenergiche. Come verrà meglio evidenziato in seguito, le fibre colinergiche dirette

alle ghiandole sudoripare rivestono un ruolo estremamente importante nella genesi del

riflesso sudomotorio.

16

1.1.4 Meccanismi di produzione, trasporto e rimozione dei trasmettitori

simpatici

In questa sezione vengono brevemente descritti i meccanismi di genesi e di rimozione

dei principali trasmettitori simpatici: acetilcolina, adrenalina e noradrenalina.

1.1.4.1 Sintesi dell’acetilcolina

L’ acetilcolina viene prodotta nei terminali colinergici (assoplasma) ed immagazzinata

in alta concentrazioni in vescicole fino a che non viene liberata. La reazione chimica di

base relativa alla sintesi è:

Acetil-CoA + Colina Acetilcolina

Fig. 1.3 : Struttura molecolare dell’acetilcolina (tratto da Guyton & Hall, EDIS, 2005).

L’acetilcolina, una volta secreta dalle terminazioni colinergiche, rimane attiva nel

tessuto per alcuni secondi, per essere poi in massima parte scissa in ione acetato e

colina, ad opera dell’enzima acetilcolinesterasi, presente nel tessuto connettivo locale.

La colina così formatasi viene poi trasportata di nuovo all’interno del terminale, dove

viene riutilizzata per sintetizzare nuova acetilcolina.

Colina-acetil-transferasi

17

decarbossilazione

1.1.4.2 Sintesi della noradrenalina e dell’adrenalina

La sintesi della noradrenalina inizia nell’assoplasma della terminazione nervosa delle

fibre adrenergiche, ma si completa all’interno delle vescicole secretorie. I passaggi

fondamentali sono:

1. tirosina DOPA

2. DOPA dopamina

3. trasporto della dopamina all’interno delle vescicole

4. dopamina noradrenalina

Nella midollare del surrene questo processo prosegue ulteriormente attraverso la

trasformazione di circa l’80% della noradrenalina in adrenalina:

5. noradrenalina adrenalina

Dopo la liberazione dai terminali nervosi, la noradrenalina viene rimossa dal sito di

secrezione in tre modi diversi:

1. Riassorbimento all’interno della terminazione adrenergica stessa mediante un

sistema di meccanismo di trasporto attivo, responsabile della rimozione del 50-

80% del trasmettitore secreto.

2. allontanamento per diffusione nei liquidi circostanti e successivamente nel

sangue, modalità responsabile della rimozione della maggior parte della

noradrenalina restante.

3. distruzione enzimatica di una piccola parte.

Solitamente la noradrenalina, liberata direttamente in un tessuto dalle terminazioni

adrenergiche, rimane attiva per pochi secondi, il che sta ad indicare che la sua

rimozione, per riassorbimento e per diffusione, è un evento rapido. La noradrenalina e

idrossilazione

Idrossilazione

metilazione

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l’adrenalina secrete nel sangue dalla midollare del surrene, invece, rimangono attive

finché non diffondono in tessuti dove vengono distrutte per via enzimatica, tramite

catecol-O-metiltransegerasi, e ciò avviene specialmente a livello epatico. Di

conseguenza, quando vengono secrete nel sangue, sia la noradrenalina che

l’adrenalina si mantengono molto attive per 10-30 secondi, dopo di che la loro attività

degrada in un tempo compreso tra 1 e pochi minuti.

L’acetilcolina attiva due differenti tipi di recettori, denominati rispettivamente

muscarinici e nicotinici. I recettori muscarinici si trovano in tutte le cellule effettrici

che vengono attivate da neuroni postgangliari colinergici del simpatico. I recettori

nicotinici si trovano, invece, nelle sinapsi tra i neuroni pre e postgangliari del

simpatico.

I principali recettori adrenergici sono i recettori alfa e beta. La noradrenalina eccita

principalmente i recettori alfa, sebbene possa eccitare in minor misura anche i recettori

beta. L’adrenalina, invece, eccita entrambi i tipi di recettori all’incirca nella stessa

misura, quindi gli effetti della noradrenalina e dell’ adrenalina sui diversi organi

effettori dipendono in larga misura dalla tipologia dei recettori presenti negli organi

stessi.

Inoltre, la stimolazione dei nervi simpatici su diverse funzioni viscerali dell’organismo

provoca effetti eccitatori in alcuni organi, ma inibitori in altri.

1.1.5 La funzione della midollare del surrene

La stimolazione delle fibre simpatiche dirette alla midollare del surrene provoca la

liberazione in circolo di grandi quantità di adrenalina e noradrenalina, che con la

circolazione vengono trasportate a tutti i tessuti dell’organismo. Mediamente la

secrezione della midollare del surrene è costituita per circa l’80% da adrenalina e per il

20% da noradrenalina, ma il rapporto tra questi due ormoni può anche variare a

seconda delle condizioni fisiologhe.

Le azioni sui diverse organi dell’ adrenalina e della noradrenalina circolanti sono

pressappoco uguali a quelle prodotte dalla stimolazione simpatica diretta, eccetto che

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gli effetti si prolungano per un tempo 5-10 volte maggiore, poiché la rimozione di

questi ormoni dal sangue avviene piuttosto lentamente.

La noradrenalina circolante induce costrizione di quasi tutti i vasi sanguigni

dell’organismo, aumento dell’attività cardiaca, inibizione della motilità e della

secrezione del tubo digerente e dilatazione della pupilla.

L’adrenalina ha effetti pressoché uguali a quelli della noradrenalina, differenziandosi

da essa per i seguenti aspetti. In primo luogo, per via della sua maggiore attività sui

recettori beta, l’ adrenalina esercita sul cuore un’azione più intensa rispetto a quella

della noradrenalina. In secondo luogo, a livello muscolare essa provoca soltanto una

vasocostrizione lieve, se confrontata a quella molto più intensa prodotta dalla

noradrenalina. Dal momento che i vasi muscolari rappresentano la porzione maggiore

dell’intero letto vascolare dell’organismo, questa differenza nell’effetto vasocostrittore

è particolarmente importante, in quanto, se da un lato la noradrenalina induce un forte

aumento globale delle resistenze periferiche e perciò fa innalzare di molto la pressione

arteriosa, dall’altro l’adrenalina ha un effetto ipertensivo minore, ma fa aumentare

assai di più la gittata cardiaca, a causa dei suoi effetti eccitatori sul cuore.

Una terza differenza tra le azioni dell’adrenalina e della noradrenalina riguarda gli

effetti sul metabolismo dei tessuti, che nel caso dell’adrenalina secreta dal surrene

provoca un aumento del metabolismo che può spesso raggiungere il 100%, esaltando

così l’attività e l’eccitabilità di tutto l’organismo.

Riassumendo, la stimolazione della midollare del surrene induce la liberazione di

ormoni che hanno sull’organismo effetti pressoché identici a quelli della stimolazione

simpatica diretta, salvo che essi si prolungano notevolmente (fino 1-2 minuti) dopo la

cessazione dello stimolo.

Le uniche differenze significative sono dovute agli effetti beta dell’adrenalina, la

quale determina aumento del metabolismo e della gittata cardiaca in misura maggiore

di quanto non faccia la stimolazione simpatica diretta, in cui viene rilasciata soltanto

noradrenalina.

La liberazione di adrenalina e noradrenalina da parte della midollare del surrene è

quasi sempre associata anche alla stimolazione diretta dei vari organi per attivazione

generalizzata del simpatico. In tal modo, gli organi vengono stimolati

20

simultaneamente attraverso un doppio meccanismo, e cioè direttamente, ad opera delle

fibre simpatiche ed indirettamente, mediante gli ormoni della midollare surrenale. In

effetti, le due modalità di stimolazione si integrano a vicenda ed in genere l’una può

sostituire l’altra.

Un altro aspetto importante della funzione della midollare surrenale è la capacità di

stimolare, mediante adrenalina e noradrenalina, strutture dell’organismo che non sono

normalmente provviste di innervazione simpatica diretta. Questi ormoni ad esempio,

ed in particolar modo l’adrenalina, sono in grado di stimolare il metabolismo di tutte le

cellule corporee, anche se solo una piccola porzione di esse possiede un’innervazione

simpatica diretta.

Per quanto riguarda le frequenze di attivazione del sistema simpatico una frequenza di

attivazione di un impulso al secondo è in genere sufficiente a mantenere il normale

effetto simpatico ed una completa attivazione può aversi già con frequenze comprese

tra 10-20 impulsi al secondo.

Una caratteristica fondamentale da considerare del sistema simpatico è la sua costante

attivazione, che implica un livello basale continuamente presente noto come tono

simpatico. L’importanza del tono sta nel fatto che esso consente ai diversi settori del

sistema nervoso autonomo di aumentare o ridurre l’attività dell’organo interessato,

semplicemente mediante una modificazione del tono basale. Un esempio molto

importante riguardante l’azione del tono simpatico è il mantenimento di un grado di

vaso costrizione, corrispondente normalmente a circa la metà del loro diametro

massimo, in quasi tutti i vasi sanguigni dell’organismo. Aumentando il grado di

attivazione simpatica, i vasi possono essere ulteriormente costretti, mentre inibendo il

normale tono simpatico essi possono essere dilatati. Se non esistesse un tono simpatico

di base il sistema simpatico potrebbe provocare soltanto vaso costrizione e mai vaso

dilatazione.

Il tono simpatico è condizionato dall’attività secretoria della midollare del surrene.

L’attività secretoria basale della midollare del surrene è normalmente di circa 0.2

µg/minuto per l’adrenalina e di circa 0.05 µg/minuto per la noradrenalina. Tali

quantità sono considerevoli e risultano sufficienti a mantenere una pressione

21

sanguigna di poco inferiore a quella normale, anche dopo rimozione completa

dell’innervazione simpatica diretta di tutto l’apparato cardiovascolare. È evidente,

pertanto, che il tono globale del sistema nervoso simpatico è sostenuto in gran parte

dalla secrezione basale di adrenalina e noradrenalina, ed in grado minore

dall’attività diretta del simpatico.

In molti casi l’attivazione del simpatico causa una “scarica di massa” che può

coinvolgere l’intero sistema come un complesso unitario. Spesso ciò si verifica in

seguito ad attivazione ipotalamica indotta da paura, terrore o dolore intenso. La

risposta è una reazione generalizzata a tutto l’organismo che prende il nome di

reazione di stress o di allarme.

Altre volte l’attivazione interessa settori circoscritti del sistema simpatico e questo

avviene in particolare nel caso di riflessi che coinvolgono il midollo ma non i centri

soprassiali. Esempi molto importanti di questo comportamento sono:

1. il processo di termoregolazione, in cui il sistema simpatico regola la

sudorazione e il flusso ematico cutaneo, senza influenzare altri organi innervati

dal sistema stesso.

2. l’attività muscolare, in cui vengono attivate fibre simpatiche colinergiche

vasodilatatrici, dirette ai muscoli scheletrici.

3. i “riflessi locali”, mediati da fibre sensitive afferenti che, attraverso i nervi

simpatici, raggiungono i gangli ed il midollo spinale e operano su aree

circoscritte. Ad esempio, il riscaldamento di un’area cutanea limitata provoca

vasodilatazione ed intensa sudorazione localmente circoscritte, mentre il

raffreddamento induce localmente effetti opposti.

Nel caso di una “scarica di massa “ l’attivazione simultanea di gran parte delle

componenti del sistema nervoso simpatico potenzia la capacità del corpo di sostenere

un’ attività fisica intensa attraverso vari meccanismi. Questi sono:

1. aumento della pressione arteriosa.

2. aumento del flusso sanguigno a carico dei muscoli in attività e contemporanea

riduzione del flusso a carico di altri organi, quali il tubo digerente, i reni, la

cute, non impegnati nell’ attività fisica.

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3. aumento del metabolismo cellulare basale dell’intero organismo.

4. aumento della glicemia.

5. aumento della glicolisi muscolare ed epatica.

6. aumento della forza muscolare.

7. aumento dell’attività mentale.

8. aumento della velocità di coagulazione del sangue.

L’interazione di tutti questi effetti permette al soggetto prestazione fisiche molto più

intense e prolungate di quelle che normalmente sarebbe in grado di sostenere. Poiché

di solito è uno stress mentale o fisico quello che eccita il sistema simpatico, si ritiene

che la finalità del simpatico sia quella di provvedere all’ attivazione di emergenza dell’

organismo in condizioni di stress (reazione da stress).

Il sistema simpatico viene attivato intensamente anche da diversi stati emozionali. Ad

esempio nello stato di rabbia o ira, evocato principalmente in seguito ad attivazione di

centri ipotalamici, la trasmissione di segnali attraverso la formazione reticolare tronco-

encefalica al midollo spinale produce una scarica di massa del sistema simpatico che

produce gli effetti sopra elencati. Come citato, questa reazione è detta reazione di

allarme del simpatico o anche reazione di attacco o fuga, poiché in questo stato il

soggetto decide immediatamente se restare e combattere o scappare. In entrambi i casi

le reazioni simpatiche permettono risposte estremamente rapide e vigorose.

23

1.2 Anatomia e fisiologia della pelle

Sia il GSR che il TSR sono segnali dovuti a variazioni di grandezze nel tempo, legate

alle strutture cutanee. Appare quindi importante richiamare brevemente la descrizione

di tali strutture, in quanto strettamente connesse alla genesi dei segnali considerati.

La pelle è l’organo più esteso del corpo umano e permette di interfacciarsi col mondo

esterno. La sua struttura è in grado di soddisfare a numerose funzioni, quali: la difesa

da agenti esterni ( chimici, meccanici, assalti termici, alcuni tipi di radiazioni ed

infezioni); autoriparazione del tessuto in seguito a ferite; termoregolazione;

regolazione della pressione sanguigna; traspirazione; perspirazione; percezione (tocco

con meccanorecettori, calore con termorecettori, pressione con barorecettori, dolore

con nocirecettori); mantenimento del bilancio complessivo dell’acqua corporea.

Riguardo al mantenimento della temperatura corporea il corpo umano deve poter far

fronte a due diverse situazioni: la prima è un abbassamento della temperatura

dell’ambiente esterno, la seconda un innalzamento della temperatura dell’ambiente

esterno. In entrambi i casi la regolazione dello scambio di calore con l’esterno

coinvolge due meccanismi: la quantità di flusso sanguigno presente nei vasi più

superficiali e la quantità di sudore presente sulla pelle. Infatti, in generale,ad una

maggiore quantità di sangue e di sudore corrisponde una maggiore dissipazione del

calore e viceversa.

Inoltre, la pelle si comporta come una barriera selettiva, che impedisce l’ ingresso di

sostanze esterne e facilita il passaggio di alcune sostanze dal sistema circolatorio

all’esterno.

Le proprietà meccaniche ed elastiche della pelle sono quasi completamente

determinate dalla quantità d’acqua che contiene, di cui una sorgente è il flusso

sanguigno mediante una fitta rete capillare che giunge fino alla superficie del derma.

Lo spessore della pelle varia rispetto alle zone considerate od ai traumi subiti,

comunque in media è dell’ordine di 0.07-0.15mm, fatta eccezione per i palmi delle

mani e le piante dei piedi che raggiungono e possono superare 1mm di spessore. La

pelle si compone di tre strati principali, avente ognuno caratteristiche peculiari:

24

epidermide, derma, ipoderma o strato sottocutaneo. I tre strati hanno funzioni, spessore

e resistenza differenti.

Fig. 1.4 : Struttura degli strati cutanei

In particolare:

� Epidermide si compone di cinque strati che sono, dall’esterno all’interno:

• Stratum Corneum: svolge un ruolo fondamentale nei fenomeni

elettrodermici quali il GSR ed è composto e continuamente rigenerato

dall’immissione di cheratinociti morti, ossia cellelule cutanee prive di

nucleo ormai essiccate. In genere questo strato è secco, ma diventa

umido in presenza di sudore.

• Stratum Lucidum: è presente solo in zone in cui la pelle è molto spessa.

• Stratum Granulosum: produce cheratina.

• Stratum Spinosum: è composto di cheratociti.

• Stratum Germinativum: è lo strato più profondo dell’epidermide.

25

� Derma è lo strato intermedio della pelle. Contiene vasi sanguigni, vasi linfatici,

bulbi piliferi e ghiandole sudoripare. Questo strato è tenuto insieme da una

proteina chiamata collagene, che, inoltre, conferisce resistenza ed elasticità alla

pelle. Nel derma si trovano i recettori specifici per il tatto ed il dolore. Anche il

derma svolge un ruolo importante nei fenomeni legati al GSR.

� Ipoderma (o sottocute) è lo strato più profondo della pelle, è formato da una

rete di collagene e cellule grasse. Aiuta nel mantenimento del calore corporeo e

nello stesso tempo costituisce una prima difesa da ferite e traumi, assorbendo

gli urti, per gli organi interni. Il suo ruolo nel GSR è meno importante rispetto

agli altri due strati.

La pelle viene irrorata dai sistemi linfatici e sanguigno; infatti nell’ipoderma si trovano

i vasi da cui si ramificano prima vasi più piccoli, che giungono fino alle ghiandole

sudoripare ed ai bulbi piliferi, e poi una rete di capillari sotto-papillari. La maggior

parte della linfa fluisce attraverso i dotti ipodermici. Il sangue, la linfa, i fluidi

interstiziali contribuiscono attraverso il loro contenuto ionico alla conducibilità

elettrica negli strati interni della pelle.

26

1.3 Fisiologia del segnale GSR

Il termine Galvanic Skin Response (GSR) si riferisce ai cambiamenti nel tempo delle

proprietà elettriche della pelle, che si verificano in risposta a diversi tipi di

stimolazione. Le proprietà elettriche della pelle si misurano attraverso la sua:

conduttanza (skin conductance: SC), resistenza (skin resistance: SR), potenziale (skin

potential: SP), impedenza (skin impedance: SZ), ammettenza (skin admittance: SY).

Tali cambiamenti possono essere osservati su diverse parti del corpo, ma quelli di

maggiore interesse per fini biomedici si registrano sui palmi delle mani e sono dovuti

quasi esclusivamente alle variazioni del contenuto in ioni dei vari strati della pelle,

causati dalla sudorazione e quindi dipendenti dall’attività delle ghiandole sudoripare.

Poiché l’intero apparato secretorio delle ghiandole esocrine è completamente innervato

dal sistema nervoso autonomo simpatico, dall’analisi dei cambiamenti nel tempo delle

proprietà elettriche della pelle si possono ottenere informazioni dirette sull’attività di

tale sistema.

In letteratura il GSR viene diviso in 2 componenti: un segnale di fondo cha cambia

lentamente nel tempo, detto componente tonica o di livello L, un segnale che cambia

velocemente nel tempo, e che modula il precedente, detto componente fasica o di

risposta R. Entrambe queste componenti sono originate a livello periferico e sono

mediate direttamente dal sistema nervoso centrale (CNS). Esse portano differenti

informazioni. Infatti si suppone che la componente tonica sia legata ad un’attivazione

cerebrale ad ampio spettro, e sia quindi direttamente connessa all’ azione di

noradrenalina ed adrenalina prodotte dalla midollare del surrene, in pratica, essa è

legata a quello che in precedenza è stato indicato come “tono simpatico”. La

componente fasica è invece legata a risposte immediate agli stimoli delle ghiandole

sudoripare e dipende dall’ azione dell’ acetilcolina prodotta e smaltita in loco. Quindi

il sistema simpatico agisce tramite un doppio controllo sulle caratteristiche di questo

segnale. Si suppone inoltre che le due componenti siano legate insieme da alcune

interazioni non lineari a livello periferico. Infatti si ritiene che, anche se l’innervazione

delle ghiandole è colinergica, l’innervazione dei capillari che le irrorarono è

adrenergica, quindi una modificazione nel flusso ematico per vasocostrizione può

influenzare la produzione di sudore.

27

1.3.1 Ghiandole sudoripare e meccanismi base nella produzione del

sudore

Ogni persona possiede in media 2.6 milioni di cellule sudoripare distribuite sull’intero

corpo, fatta eccezione per le labbra, i canali dell’orecchio interno, i capezzoli e gli

organi genitali esterni. La densità media per cm2 è variabile, infatti mediamente in un

adulto si hanno: 233 ghiandole/cm2 sui palmi delle mani, 620 ghiandole/cm2 sulle

piante dei piedi, 360 ghiandole/cm2 sulla fronte, 120 ghiandole/cm2 sulle cosce. Il

numero totale di ghiandole sudoripare non cambia nel corso della vita, ma cambia la

loro densità superficiale man mano che l’individuo cresce.

Le ghiandole sudoripare si dividono in due grandi categorie: apocrine ed eccrine, le

quali differiscono nel modo di secernere il sudore.

1.3.1.1 Ghiandole eccrine

Queste ghiandole si trovano pressoché sull’intera superficie del corpo, in particolare

sui palmi, sulle piante e sulla fronte. Il sudore è prodotto attraverso meccanismi

osmotici che verranno analizzati in dettaglio nella sezione successiva. Dopo la

produzione di sudore il processo secretorio prevede il passaggio del fluido dalle cellule

al dotto, attraverso un membrana che li mette in comunicazione. La produzione di

fluido avviene in modo continuativo, anche se non sempre è associato ad una

espulsione di sudore.

In figura 1.5 è riportato lo schema di una ghiandola sudoripara eccrina.

Strutturalmente le ghiandole sono formate da un tubulo non ramificato, che prima si

avvolge su se stesso e poi prosegue come dotto fino alla superficie dell’epidermide.

Passando dal derma all’epidermide il dotto assume la forma di una bobina a spirale.

La parte secretoria si trova tra l’ipoderma ed il derma. Da questa sezione, il dotto

prosegue attraverso il derma con un percorso ondulato e termina a spirale nell’

epidermide.

28

Fig. 1.5: Ghiandola sudoripara eccrina

Sia la parte secretoria che il dotto sono formati da un doppio strato di cellule: “cellule

basali“(esterne) e “cellule luminali” (interne). Questi strati circondano la parte cava

del dotto che ha un diametro di 5-10 µm. Nella parte finale (epidermica) del dotto c’è

un solo strato. L’intero dotto ed una piccola parte tra il derma e la parte secretoria sono

ricoperti da uno strato di cellule miofiteliali, che ricordano le cellule di muscolo liscio,

e avvolgono il dotto a spirale. Lo strato miofiteliale è molto importante per i

meccanismi che favoriscono il passaggio del sudore nel dotto. È infatti la sua

contrazione a forzare le secrezioni ghiandolari nel dotto.

1.3.1.2 Ghiandole apocrine

Queste ghiandole si trovano in zone localizzate del corpo: sulle ascelle e nell’area ano-

genitale, quindi non svolgono un ruolo importante nell’attività legata al GSR.

Il processo secretorio prevede una interruzione della secrezione delle cellule ed una

liberazione del loro contenuto nel lumen della ghiandola attraverso un processo

necrobiotico.

In genere hanno origine in prossimità dei bulbi piliferi.

Le ghiandole apocrine, al contrario di quelle eccrine, non funzionano nei neonati.

Le ghiandole di interesse rispetto alle attività legate al GSR sono quelle eccrine.

29

1.3.1.3 Meccanismi di secrezione del sudore

Quando le ghiandole sudoripare vengono stimolate dalle terminazioni nervose, tutte le

cellule secernono un fluido ottenuto filtrando il plasma, il quale è chiamato secrezione

primaria (o precursore del sudore). Esso è simile al plasma, ma non contiene proteine e

acidi grassi. Infatti contiene prevalentemente acqua e ioni (alta concentrazione di Na+ e

Cl- , bassa concentrazione di K+ ) e risulta ipertonica rispetto al sangue. Questo fluido

contiene approssimativamente: Na+,alla concentrazione di circa 147-151 mM; Cl- , a

circa 123-124 mM; K+, a circa 5 mM; bicarbonato, a 10-15 mM; ed anche anione

lattico a 15-20 mM, come pure piccole quantità di altri ioni, urea e vitamine.

Il precursore del sudore si muove dalla parte secretoria attraverso il dotto e verso la

superficie della pelle sotto l’azione combinata della pressione idrostatica e delle

contrazioni ritmiche, a frequenza di circa 12-21 Hz, dello strato miofiteliale che

circonda il dotto. Queste contrazioni sono indotte dall’azione delle fibre nervose

colinergiche del sistema simpatico.

Quando il fluido raggiunge la parte dermale del dotto, la sua composizione subisce

diverse modificazioni, soprattutto in relazione al tasso di sudorazione. Nel caso di

limitata produzione di sudore ( stato di riposo o temperatura esterna bassa), le cellule

appartenenti allo strato dritto del dotto hanno il tempo di riassorbire la maggior parte

del sodio e del cloro presenti nel fluido, mentre l’acqua è riassorbita per osmosi.

Pertanto questo sudore è significativamente differente da quello della secrezione

primaria. Ciò è confermato dalla concentrazione ionica presente nella secrezione: il

sodio passa da 147-151 mM a 10-140 mM e il cloro da 123-124 mM a 10-30 mM,

mentre la concentrazione del potassio aumenta. Nel caso di elevata produzione di

sudore (temperatura esterna alta, intensa attività fisica o intense emozioni), le cellule

del dotto non hanno il tempo di riassorbire gli ioni della secrezione primaria ed il

sudore raggiunge la superficie della pelle.

Questi meccanismi sono importanti per capire gli aspetti fisiologici delle risposte

elettrodermiche.

30

1.3.2 Innervazioni delle ghiandole sudoripare

Le fibre nervose presenti nella pelle, e che innervano le ghiandole sudoripare,

appartengono al sistema nervoso simpatico.

Le ghiandole sudoripare sono altamente vascolarizzate e densamente innervate da una

fitta rete di terminazioni nervose, che sono sia di tipo colinergico che adrenergico. La

parte secretoria delle ghiandole eccrine è innervata solo dal sistema simpatico

colinergico che raggiunge anche il derma. Ciò significa che le ghiandole eccrine hanno

sinapsi post-ganglioniche colinergiche, hanno cioè l’acetilcolina come trasmettitore

sinaptico. A tal proposito si ricorda che questo trasmettitore è prodotto ed utilizzato in

loco.

Come per l’intero sistema simpatico, anche per la sudorazione non si ipotizza

l’esistenza di una innervazione che ne inibisca la produzione, poiché in assenza di

stimoli per la produzione, il sudore evapora tanto velocemente che un’ ulteriore

inibizione non potrebbe incidere significativamente sulla quantità. Ciò è importante ai

fini della durata del segnale termico associato alla sudorazione.

Poiché la sudorazione si verifica in risposta ad esigenze e stimoli differenti , essa deve

assolvere a funzioni estremamente diverse tra loro, quali la termoregolazione, la

sudorazione “emozionale” ( o riflesso sudomotorio), o ad altro tipo di sudorazione

fisiologica, quale la perspiratio insensibilis necessario al bilancio idrico. Questo porta

ad una variabilità ed ad una specificità delle funzioni e dei comportamenti delle

ghiandole in relazione alla regione considerata. È da sottolineare il fatto che un diverso

comportamento non è legato a differenze strutturali e anatomiche delle ghiandole, ma

solo alla regione di appartenenza.

Le ghiandole eccrine si suddividono in tre gruppi in relazione ai diversi comportamenti

corrispondenti alle regioni anatomiche cui appartengono:

1. Le ghiandole eccrine dei palmi delle mani e delle piante dei piedi. Rispondono

sostanzialmente a stimoli emozionali, quali dolore, paura ed ansia, mediati

direttamente dalle strutture cerebrali coinvolte nel processamento delle

emozioni; oppure a particolari stimolazioni fisiologiche, quali movimenti e

31

respirazione profonda. Si attivano per termoregolazione solo a fronte di un

innalzamento della temperatura esterna superiore ai 30° C.

2. Le ghiandole eccrine del volto, delle ascelle e degli avambracci. Occupano una

posizione intermedia tra la termoregolazione e la sudorazione emozionale,

rispondendo in modo più moderato a stimoli psichici e termici.

3. Le ghiandole eccrine delle altre zone del corpo. Assolvono pressoché

esclusivamente alla funzione di termoregolazione.

Questa distinzione non è, ovviamente, assoluta, in quanto nei fenomeni biologici non

esistono soglie nette di attivazione di un determinato meccanismo.

È importante sottolineare che ai fini delle indagini psicometriche termografiche, il

volto rappresenta un sito di elezione, poiché essendo esposto all’imaging termico, è

registrabile molto più semplicemente delle mani.

1.3.3 Aspetti neurologici della risposta elettrodermica

Il sudore svolge, dunque, un ruolo prevalentemente di termoregolazione, a parte i

palmi, la piante ed il volto. Le ghiandole in queste ultime zone sono attivate in risposta

a stimoli emozionali quali, ad esempio, la paura, il piacere, l’agitazione; a stimoli

fisiologici quali brevi inspirazioni profonde, movimenti e tatto; a stress mentale. Le

ricerche condotte sulle ghiandole sudoripare e la loro innervazione indicano il

coinvolgimento di diversi centri nervosi, localizzati in diversi strati del sistema

nervoso centrale, in parte tra loro indipendenti. Tuttavia il percorso seguito da questi

meccanismi è ancora poco chiaro, infatti molte delle conoscenze acquisite derivano da

studi condotti sugli effetti delle lesioni e delle stimolazioni sugli animali.

Negli ultimi anni, grazie allo sviluppo di tecniche non invasive per l’imaging

cerebrale, si sono potuti studiare anche i centri nervosi umani coinvolti nel GSR.

L’ ipotalamo è l’ area del cervello che regola direttamente la secrezione del sudore;

infatti è il principale centro di termoregolazione, quindi si suppone giochi un ruolo

importante anche nella stimolazione del GSR. Le sue funzioni sono influenzate da

diverse strutture cerebrali, facenti parte del sistema limbico; inoltre, poiché l’ area

32

corticale interagisce con il sistema limbico, anch’essa può influenzare l’ipotalamo e, di

riflesso, il GSR. Questa affermazione è confermata dalla diminuzione o dalla

scomparsa della conduttanza della pelle, in risposta ad uno stimolo emozionale in

soggetti con lesioni laterali-frontali, rispetto a lesioni in altre zone corticali.

Quindi il riflesso sudomotorio sembra rimanere sotto il completo controllo del sistema

limbico e delle strutture cerebrali ad esso associate. Le strutture limbiche

maggiormente coinvolte nel controllo delle funzione ipotalamiche, legate al riflesso

sudomotorio, sono l’amigdala e l’ippocampo.

La figura 1.6 mostra uno schema delle strutture cerebrali coinvolte.

Fig.1.6 : Strutture limbiche coinvolte nel controllo delle funzioni

ipotalamiche relative al riflesso sudomotorio.

In particolare l’amigdala svolge una funzione eccitatoria, mentre l’ippocampo svolge

una funzione inibitoria.

È l’amigdala, in particolare, a giocare un ruolo chiave nella sudorazione in seguito ad

uno stimolo emozionale; questo perché è la struttura cerebrale coinvolta nelle

“memoria” legata ai modelli comportamentali (comportamenti legati alle emozioni,

33

comportamenti sociali, funzioni endocrine e autonome). Una conferma di tale

affermazione è data dagli studi condotti nel 1965 da Bagshaw sulle scimmie a cui era

stata praticata l’ amigdalectomia. L’attivazione del GSR non si esaurisce con l’attività

limbico-ipotalamica, ma si verifica anche in conseguenza di fenomeni quali respiri

profondi e movimenti. Questo suggerisce la presenza di almeno altre due sorgenti: i

gangli promotori basali e il sistema reticolare.

La prima è formata da aree corticali premotrici, le cui fibre per la trasmissione di

impulsi muscolo scheletrici si trovano in connessioni vicine alle fibre che controllano

la secrezione del sudore. Infatti quando queste aree corticali sono naturalmente o

elettricamente stimolate, o rimosse, si può osservare una intensa sudorazione.

La formazione reticolare è una rete di nuclei e fibre nella parte interna del cervello,

svolge un ruolo molto importante in diversi fenomeni, quali la stimolazione della

corteccia atta a mantenere lo stato d’ allerta, il processamento degli stimoli sensoriali,

la regolazione dei riflessi spinali. Questa può sia causare che influenzare e modulare il

GSR.

1.3.4 Meccanismi elettrofisiologici delle risposte elettrodermiche

Le proprietà elettriche sia dell’ intera pelle che di aree localizzate sono determinate da

diversi fattori. Quando si applica una differenza di potenziale alla pelle è possibile

osservare un flusso di corrente che la attraversa; questa è dovuta alla circolazione di

ioni liberi presenti nelle strutture cutanee. Infatti il sangue, il sudore nei dotti e il fluido

interstiziale che hanno una differente conduttività a causa della loro diversa

concentrazione ionica. Il derma e lo strato sottocutaneo, essendo irrorati dal flusso

sanguigno, dal sistema linfatico, dai fluidi interstiziali, si comportano anch’ essi come

buoni conduttori. D’altra parte lo strato corneo mostra una relativa impermeabilità

all’acqua e agisce, quindi, come una barriera per la diffusione degli ioni. Questa

barriera è però attraversata dai dotti delle ghiandole sudoripare, le quali permettono la

diffusione sia del sudore che degli ioni. I cambiamenti lenti dovuti a questo

meccanismo sono stati ipotizzati come i responsabili della “componente tonica” del

segnale elettrodermico. Oltre alle proprietà resistive, la pelle ha anche proprietà

34

capacitive. Esse derivano dall’attività delle membrane cellulari, che possono mostrare

caratteristiche simili ai condensatori. Infatti le membrane possono immagazzinare

energia elettrica e diventare generatori di potenziale. Le membrane che si comportano

come condensatori polarizzati sono presumibilmente localizzate principalmente nella

parte secretoria delle ghiandole sudoripare, nella zona di transizione tra il derma e

l’epidermide e nell’epidermide. In conclusione, la pelle può essere interpretata come

una rete elettrica formata da circuiti RC in serie e parallelo. È’ possibile supporre che

gli elementi capacitivi possano essere caricati molto velocemente, ma una volta

completata la carica non possa scorrere altra corrente e quindi non possa influenzare

ulteriormente la risposta elettrodermica.

1.3.5 Genesi della risposta elettrodermica.

La figura 1.6 mostra la sequenza di eventi che si verificano durante la risposta

elettrodermica nel dotto epidermico di una ghiandola sudoripara.

Fig.1.7 : Sequenza di eventi durante la risposta elettrodermica.

a) all’inizio della risposta, se lo strato superficiale dello strato corneo è ben

idratato, il poro sudoriparo e la parte distale del dotto sudoriparo sono chiusi

sotto l’effetto della pressione esercitata dallo strato corneo circostante (circa

20mmHg). Infatti la conduttanza non aumenta.

35

b) Se il sudore riempie il dotto, si verifica una maggiore conduttività del dotto

stesso e di conseguenza si misura un aumento di conduttanza nello strato corneo

(composto da cellule morte ormai essiccate).

c) Se il tasso di secrezione è abbastanza alto, può generare una pressione

intraduttale maggiore di quella dello strato corneo. In questo caso ci sarà una

apertura del poro del dotto, che viene attraversato dal sudore. Quando la

porzione terminale del dotto si apre, la conduttanza aumenta nuovamente. Il

sudore sarà spinto fuori attraverso il poro ma continuerà anche a premere

lateralmente nello strato corneo. L’aumento di idratazione (lateralmente nello

strato corneo e assialmente attraverso il dotto) è il fattore più importante che

contribuisce ad un aumento veloce della conduttanza e si suppone essere

responsabile della “componente fasica” del segnale elettrodermico.

d) Quando il sudore lascia il dotto la pressione intraduttale diminuisce, a meno che

il tasso di secrezione sia tale da compensare il volume perduto. Se questa

diventa minore di quella esterna, il poro e la parte terminale del dotto si

chiudono nuovamente, causando una rapida diminuzione della conduttanza.

1.4 Fisiologia del segnale termico A differenza del GSR, che viene studiato ed utilizzato da diversi anni, e per il quale

esiste anche una modellizzazione matematica della forma d’onda, non esiste un

analogo per la risposta termica simpatica. Ciò dipende probabilmente anche dalla

molteplicità di processi e sorgenti che lo generano e modulano. In questa sezione verrà

descritta la fisiologia del segnale termico, ovvero le strutture fisiologiche che

determinano, in senso lato, la temperatura cutanea superficiale.

La temperatura corporea si distingue in: temperatura del “nucleo centrale” (o

temperatura interna) e temperatura superficiale della pelle ( o temperatura cutanea). In

quanto omeotermo, l’uomo mantiene la propria temperatura interna stabile entro limiti

relativamente stretti (37 +/- 0.2 °C), anche in presenza di significative variazioni della

temperatura ambientale. La temperatura cutanea può invece variare più

36

significativamente in relazione alla temperatura ambientale, all’attività fisica intensa o

in risposta a stimoli emozionali.

Lo scambio termico con l’esterno è un meccanismo che mira a mantenere costante la

temperatura interna, mantenendo in equilibrio il bilancio termico corporeo tra

produzione di calore e perdita di calore. Il calore è uno dei principali prodotti del

metabolismo corporeo ed è proporzionale ad esso. L’entità del metabolismo corporeo è

funzione: del grado di attività metabolica basale di tutte le cellule dell’organismo;

dell’incremento del metabolismo indotto dall’attività muscolare, dalla tiroxina (o altri

ormoni), dall’adrenalina, dalla noradrenalina e dall’attivazione del sistema simpatico.

La maggior parte del calore è prodotto negli organi profondi, in particolare nel fegato,

nel cervello, nel cuore e nei muscoli scheletrici durante l’attività fisica. Il calore viene

poi trasferito dal nucleo centrale alla pelle e da questa disperso nell’ambiente

circostante. L’entità della dispersione dipende da due fattori: la velocità di conduzione

del calore dalle sorgenti corporee fino alla pelle; la velocità di trasferimento del calore

dalla pelle all’ambiente circostante. La conduzione del calore dal nucleo centrale alla

pelle, attraverso uno strato isolante formato da tessuto adiposo sottocutaneo, si realizza

grazie ai vasi sanguigni che lo penetrano e si distribuiscono nella porzione di tessuto a

diretto contatto con la cute.

Fig. 1.8 : Circolazione cutanea (tratto da Guyton & Hall, EDIS, 2005)

Particolarmente importante è il plesso venoso cutaneo il cui flusso può presentare

variazioni estremamente ampie: da appena sopra lo zero fino al 30% della gittata

cardiaca. Infatti, quando il flusso è elevato, il trasferimento di calore si attua molto

37

facilmente; quando il flusso è ridotto la conduzione di calore risulta meno rilevante. È

importante sottolineare che la conduzione aumenta di circa 8 volte dallo stato di

vasocostrizione completa a quello di completa di vasodilatazione.

La conduzione di calore alla cute mediante il sangue è regolata dal grado di

vasocostrizione delle arteriole e delle anastomosi arterovenose, attraverso cui il sangue

affluisce al plesso venoso cutaneo. Il grado di vaso costrizione è controllato quasi

esclusivamente dal sistema nervoso simpatico.

1.4.1 Fisica della dispersione termica a livello cutaneo

Fig. 9 : Meccanismi di termodispersione (tratto da Guyton & Hall, EDIS, 2005)

I meccanismi di dispersione termica a livello cutaneo sono essenzialmente tre:

1. Irraggiamento

Una persona, esposta alla temperatura ambientale di circa 23 °C ed in

condizioni di moderata ventilazione, irraggia circa il 60% del calore

complessivamente eliminato. L’irraggiamento avviene attraverso emissione

infrarossa. La maggior parte dei raggi infrarossi emessi dal corpo umano ha

una lunghezza d’onda compresa tra 3 e 15 µm.

2. Conduzione

38

Di solito il corpo perde solo piccole quantità (circa il 3%) di calore per

conduzione diretta dalla sua superficie ad altri oggetti con cui si trova a

contatto. La perdita di calore per conduzione all’aria costituisce invece circa

il 15% di tali perdite.

3. Evaporazione

Quando evapora acqua dalla superficie corporea, da questa vengono sottratte

0,5 Calorie per ogni grammo di liquido evaporato. Anche in assenza di

sudorazione, il corpo umano cede acqua e liquidi attraverso la perspiratio

insensibilis (perspirazione) dalla superficie cutanea e dai polmoni, in

quantità compresa tra 450 e 600 ml al giorno. A ciò è associata una continua

perdita di calore pari a 12-16 Calorie per ora. La perspirazione non può

essere controllata ai fini della termoregolazione, poiché avviene

indipendentemente dalla temperatura corporea. La perdita di calore per

evaporazione del sudore può, invece, essere controllata mediante la

regolazione della sudorazione da parte del sistema nervoso autonomo. I

meccanismi di controllo delle ghiandole sudoripare da parte del SNA,

effettuato attraverso il sistema nervoso simpatico e i meccanismi di

secrezione del sudore, sono stati ampiamente discussi nella sezione

riguardante il GSR. Le ghiandole sudoripare possono essere stimolate

dall’adrenalina o dalla noradrenalina circolanti nel sangue, anche in assenza

di specifica innervazione adrenergica in quasi tutto l’organismo. Ciò è

importante durante l’attività fisica, quando questi ormoni vengono secreti

dalla midollare surrenale e l’organismo ha bisogno di eliminare il calore in

eccedenza prodotto dall’attività muscolare.

La temperatura del corpo è regolata quasi esclusivamente da meccanismi nervosi a

feedback, che operano quasi tutti attraverso centri termoregolatori situati

nell’ipotalamo, il quale si trova sotto il controllo del sistema nervoso autonomo.

Il segnale termico utilizzato in questa tesi proviene da alcune regioni del viso. Questa

scelta è dovuta innanzi tutto all’esposizione di tali zone all’imaging termico, alla

distribuzione sul volto delle ghiandole sudoripare ed alla verifica sperimentale della

39

presenza di risposta simpatica termica sul volto stesso. In particolare è stata

considerata la zona frontale. Tale scelta è stata effettuata in base a diverse

considerazioni. In primo luogo è stato osservato che durante la misurazione non si

verificavano fenomeni di saturazione del segnale. In secondo luogo è una zona in cui

artefatti dovuti al movimento sono meno rilevanti rispetto, ad esempio, alla zona orale,

dove si possono verificare eventi che “deformano” la zona in esame, come la chiusura

e l’apertura della bocca. In terzo luogo sono meno consistenti gli artefatti dovuti alla

respirazione, che, causando moti convettivi sul derma, possono alterare la misura.

Fig.1.10: Immagine termica in scala di grigio di uno dei soggetti partecipanti

all’esperimento. La colorbar riporta il range di temperatura usata per la

visualizzazione della distribuzione di temperatura sul volto del soggetto.

Nell’immagine si apprezza la presenza di due grandi vasi superficiali nella

regione frontale.

Nella zona frontale di interesse, il segnale termico è prodotto fondamentalmente dallo

strato cutaneo, dallo strato muscolare sottostante e dai vasi ematici superficiali.

40

Nello strato cutaneo sono presenti le ghiandole sudoripare da una parte e i piccoli vasi

e capillari sanguigni che irrorano le ghiandole, il derma e l’ipoderma dall’altra.

Ghiandole e capillari sono sotto il controllo del sistema simpatico, le prime per via

colinergica, gli altri per via adrenergica.

Le ghiandole sudoripare eccrine in questa zona assolvono a funzioni sia di

termoregolazione che di risposta sudomotoria. Volendo studiare solo l’ ultimo tipo di

comportamento, si dovrà tenere il soggetto in condizioni sperimentali controllate.

Le piccole vene e capillari ivi presenti rispondono anch’esse a stimolazioni

emozionali. L’attivazione del sistema simpatico, in questo caso, produce una

vasocostrizione dovuta alla necessità di preparare il corpo ad un’ intensa attività fisica,

e quindi di deviare un maggior afflusso sanguigno nel sistema muscolo-scheletrico.

La presenza simultanea di risposta sudomotoria e vasocostrizione periferica è alla base

della cosiddetta sudorazione a freddo.

Nello strato muscolare sono presenti muscoli mimici che permettono movimenti

espressivi, come ad esempio il corrugamento della fronte negli stati di attenzione e di

allerta. Quando ciò avviene, si verifica un aumento dell’attività muscolare, che causa

un aumento dell’attività metabolica cellulare, accompagnata da un maggior consumo

della molecola ATP (adenosintrifosfato). Questa molecola contiene legami fosforici ad

alto potere energetico, quando i muscoli si contraggono tali legami vengono scissi per

ricavarne energia. Ogni legame contiene circa 12 Kcal/mole di ATP in condizioni

fisiologiche, ma non più del 30% dell’energia prodotta viene effettivamente utilizzata,

il resto si trasforma in calore che deve essere disperso a livello cutaneo, aumentando la

temperatura locale.