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

Potenziali Evocati risposte registrate a livello del sistema nervoso centrale e/o periferico in seguito ad una stimolazione esterna

MRI+FDG-PET

Perché i PE nell’era delle neuroimmagini?

Vantaggi Svantaggi

NeuroimmaginiNeuroimmagini

Possibilità di individuare aree cerebrali molto piccole, attive in

maniera fisiologica e/o patologica

(RISOLUZIONE SPAZIALE)

1) Difficoltà nello stabilire l’attivazione

sequenziale delle strutture cerebrali (RISOLUZIONE TEMPORALE)

2) Difficoltà nel definire qualitativamente le

modificazioni nell’attività di una

certa area cerebrale (inibizione? eccitazione?)

3) Difficoltà nello studio funzionale del

troncoencefalo e del midollo

Walsh & Cowey, Nature Rev Neurosci 2000

xx

Potenziali Evocati

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

1) Elevata risoluzione temporale

2) Possibilità di interpretare le

modificazioni del segnale elettrico

cerebrale in senso inibitorio o eccitatorio

3) Possibilità di studio funzionale del

troncoencefalo e del midollo

Utilità dei Potenziali Evocati:

1) 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

1. EEG2. Corrente di rete3. EKG4. Potenziali muscolari5. Ecc…

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

AVERAGING

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

Number of averages

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

Chiappa

Come si generano i Potenziali Evocati?

Dendrite post-synaptic potential10-100 ms duration

Axon action potential 1 ms duration

Good summation

Bad summation

Ionic currents

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.

EEG

Il sistema Internazionale "10-20"

L’attività elettrica extracellulare, principale responsabile del segnale

registrato dalla superficie del cuoio capelluto, dipende in

gran parte dai potenziali postsinaptici eccitatori e

inibitori

Come i PSPs si traducono nel segnale EEG?

Sinapsi eccitatoria Sinapsi inibitoria

Evento elettrico in superficie

Evento elettrico in profondità

1) EPSP in superficie: registrazione dallo scalpo di un potenziale negativo

2) EPSP in profondità: registrazione dallo scalpo di un potenziale positivo

3) IPSP in superficie: registrazione dallo scalpo di un potenziale positivo

4) 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

Nervo-plesso

Midollo

Talamo

Corteccia

Potenziali Far e Near Field

-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

+ +

- -

+ +

+- -

+- -

Verticale o radiale

Orizzontale o tangenziale

Obliquo

0

-

+

disposizione del dipolo

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:1) dal numero di elettrodi,2) 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

Elettromiografo

amplificatori

Testina paziente

interfaccia

Conversione A/D

acquisizione elaborazione

Controlli (sensibilità, filtri)

• 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

Acquisizione: l’amplificatore differenziale

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)

Il tempo di campionamento (Tc), o

frequenza di campionamento (Fc)

determinano la risoluzione del segnale

(traccia) sull’ASSE ORIZZONTALE

CONVERSIONE A/D campionamento

campionamento

tempo

segnale analogico

campionamento

Fc

tempo

tempo

segnale analogico

campionamento

Fc

tempo

segnale analogico

campionamento

Fc

• 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.

CONVERSIONE A/D campionamento

Digitalizzazione EMG: Valori Tipici

Tipo SegnaleTipo Segnale AmpiezzaAmpiezza VVININ RisoluzioneRisoluzione Banda Banda FFCC IntervalloIntervallo

EMG ad AgoEMG ad Ago 0.1 – 20 0.1 – 20 mVmV 25600 25600 VV 0.39 0.39 V/digitV/digit 2 – 10000 2 – 10000 HzHz 32768 Hz32768 Hz ContinuoContinuo

VCMVCM 0.1 – 20 0.1 – 20 mVmV 25600 25600 VV 0.39 0.39 V/digitV/digit 2 – 10000 2 – 10000 HzHz 32768 Hz32768 Hz 50 msec.50 msec.

VCSVCS 1-100 1-100 VV 3200 3200 VV 48.8 48.8 nV/digitnV/digit 5 – 2000 5 – 2000 HzHz 8192 Hz8192 Hz 50 msec.50 msec.

Singola FibraSingola Fibra 0.5 – 10 0.5 – 10 mVmV 25600 25600 V V 0.39 0.39 V/digitV/digit 500 – 5000 500 – 5000 HzHz 32768 Hz32768 Hz 5 msec.5 msec.

P300P300 10-40 10-40 VV 1600 1600 VV 24.4 24.4 nV/digitnV/digit 0.16-100 0.16-100 HzHz 256 Hz256 Hz 800 msec.800 msec.

PESPES 2-10 2-10 VV 1600 1600 VV 24.4 24.4 nV/digitnV/digit 3-2000 3-2000 HzHz 8192 Hz8192 Hz 100 msec.100 msec.

PEVPEV 5-20 5-20 VV 1600 1600 VV 24.4 24.4 nV/digitnV/digit 1-200 1-200 HzHz 512 Hz512 Hz 250 msec.250 msec.

PEATCPEATC 0.2 – 1 0.2 – 1 VV 800 800 VV 12.2 12.2 nV/digitnV/digit 3 – 3000 3 – 3000 HzHz 16384 Hz16384 Hz 15 msec.15 msec.

Calcoli effettuati con Quantizzazione a 16 bitCalcoli effettuati con Quantizzazione a 16 bit

Valori ricavati da:Valori ricavati da:

““Recommendation for the Practice of Clinical Neurophysiology: Guidelines of the International Federation of Recommendation for the Practice of Clinical Neurophysiology: Guidelines of the International Federation of Clinical Neurophysiology”: 2nd revised and enlarged edition. Clinical Neurophysiology”: 2nd revised and enlarged edition.

Supplement 52 to Electroencephalography and Clinical Neurophysiology.Supplement 52 to Electroencephalography and Clinical Neurophysiology.

Edited by G. DEUSCHL and A. EISEN - ElsevierEdited by G. DEUSCHL and A. EISEN - Elsevier

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)

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

CONVERSIONE A/D quantizzazione

La precisione con cui vogliamo misurare un oggetto

L’unità di misura è

rappresentata dal

numero di bit

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

quantizzazione

Aumentando i bit si aumentano il numero di linee

• 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)

CONVERSIONE A/D quantizzazione