Prof. Giacomo Rizzolatti

Prof. Giacomo Rizzolatti
Full Professor of Human Physiology
Department of Neurosciences
Università degli Studi di Parma
Dott. Ing. Pietro Avanzini
Department of Neurosciences
Università degli Studi di Parma
Dott.ssa Maddalena Fabbri Destro
Department of Neurosciences
Università degli Studi di Parma
Effetto della stimolazione tramite struttura ergonomica a risonanza
propriocettiva Keope GPR sul tracciato elettroencefalografico
Per Elettroencefalografia (EEG) si intende la registrazione, attraverso l’applicazione di
elettrodi sulla superficie cranica, dell'attività elettrica della corteccia cerebrale. Il tracciato
EEG, formato da onde di varia frequenza e ampiezza, consente di stabilire se il soggetto è in
condizioni di veglia o di sonno e, nell’ambito della veglia, di valutare il suo stato attenzionale e
il suo grado di rilassamento motorio .
Nel presente studio la registrazione EEG è stata utilizzata per valutare come la
stimolazione propriocettiva e uditiva, somministrata attraverso l’utilizzo della struttura
ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR (http://www.keopeworld.com/),
modulasse i ritmi cerebrali tipici della fase di veglia rilassata. La letteratura scientifica
identifica i ritmi compresi nella banda di frequenza 8-13 cicli al secondo (Hz) come quelli
maggiormente rappresentativi dello stato di rilassamento, e a seconda della loro topografia
(ovvero da quali elettrodi questa attività è registrata), questi sono identificati con nomi
diversi, indicando uno stato di rilassamento di specifiche regioni corticali. Ad esempio, la
presenza di un ritmo tra gli 8 ed i 13 Hz registrato dagli elettrodi posteriori (alfa occipitale)
indica una condizione di riposo delle regioni corticali visive. Infatti, il ritmo alfa è molto
rappresentato quando il soggetto ha gli occhi chiusi, mentre riduce notevolmente il suo power
(desincronizzazione) quando il soggetto apre gli occhi e guarda l’ambiente circostante. Nella
stessa banda di frequenza del ritmo alfa, ma registrato dagli elettrodi centrali, si trova il ritmo
µ, indicatore dell’attività del sistema motorio. Questo ritmo non è sensibile all’apertura e
chiusura degli occhi, ma reagisce quando il soggetto esegue dei movimenti, tipicamente
l’apertura e chiusura della mano.
In condizioni di riposo, l’ampiezza e la continua manifestazione del ritmo µ
rappresentano un indicatore del grado di rilassamento fisico e motorio del soggetto. La sua
quantificazione è stata quindi utilizzata per valutare se una stimolazione tramite struttura
Effetto della stimolazione tramite struttura ergonomica a risonanza
propriocettiva Keope GPR sul tracciato elettroencefalografico
ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR era in grado di aumentare lo stato di
rilassamento in individui adulti.
Lo studio, coordinato dal Prof. Giacomo Rizzolatti, è stato condotto nel laboratorio di
Elettroencefalografia (EEG-lab) del Dipartimento di Neuroscienze dell’Università di Parma.
Procedura sperimentale
Per lo studio sono stati reclutati 12 soggetti adulti (6 maschi e 6 femmine, età media 27.3±3.5
anni), naïve rispetto ai risultati attesi.
Per la registrazione del segnale elettroencefalografico è stato utilizzato un sistema
registrazione EEG (NetAmps300, EGI, Electrical Geodesics Inc., Eugene, OR, USA) equipaggiato
con cuffie a 128 elettrodi ad alta densità (HydroCel Geodesic Sensor Nets).
Prima dell’inizio della registrazione EEG i soggetti sono stati fatti accomodare sulla struttura
ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR, in modo da prendere confidenza con
l’apparecchiatura e da consentire la calibrazione della strumentazione da parte degli
operatori in base alle reali misure antropometriche del soggetto. Una volta identificata una
configurazione confortevole, i soggetti sono stati fatti sedere sulla poltrona di laboratorio
solitamente utilizzata per le sessioni di registrazione EEG. Qui è stata effettuata la fase di
preparazione alla registrazione EEG (misurazione circonferenza cranica e scelta della cuffia
da utilizzare, posizionamento della cuffia, misurazione e sistemazione delle impedenze di tutti
gli elettrodi registranti).
Non appena terminata la fase di preparazione, iniziava la sessione sperimentale,
rappresentata in Figura 1, e suddivisa nelle seguenti fasi:
- a) Registrazione basale: in questa fase ai soggetti era chiesto di rilassarsi, e durante la
condizione di riposo venivano sottoposti alle classiche prove di attivazione EEG, durante le
quali veniva loro chiesto di chiudere e aprire gli occhi, e di muovere la mano destra e poi
quella sinistra. Questi due test (stimolazione visiva e stimolazione motoria) sono state usati
allo scopo di valutare, per ogni singolo soggetto, la reattività dei ritmi fisiologici,
discriminando in particolare il ritmo alfa visivo dal ritmo µ motorio;
- b) Rest-1: terminata la registrazione basale, ogni soggetto è stato sottoposto a 10 minuti di
registrazione EEG in cui gli è stato chiesto di rilassarsi per permettere la registrazione dei
classici ritmi cerebrali tipici della fase di rilassamento (rimo alfa e ritmo µ). Questa fase,
precedente la sessione di stimolazione tramite Keope GPR, è stata successivamente
utilizzata come riferimento dell’EEG a riposo del singolo soggetto;
- c) Stimolazione Keope GPR: Al termine della Fase Rest-1, la cuffia EEG è stata staccata
dall’amplificatore e i soggetti sono stati fatti accomodare sulla struttura ergonomica a
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Effetto della stimolazione tramite struttura ergonomica a risonanza
propriocettiva Keope GPR sul tracciato elettroencefalografico
risonanza propriocettiva Keope per la sessione di modulazione meccanica propriocettiva e
uditiva. Come da accordi, a tutti è stato somministrato interamente il Programma 1.
Durante questa fase non era possibile proseguire la registrazione del segnale EEG per
ragioni di natura tecnica. Infatti, la vibrazione e le sollecitazioni intrinseche all’utilizzo della
struttura ergonomica a risonanza propriocettiva Keope GPR generavano sul tracciato EEG
un artefatto sub-continuo che rendeva non utilizzabile l’EEG;
- d) Rest-2: terminato il Programma 1, i soggetti sono stati fatti accomodare nuovamente
sulla poltrona per la registrazione, è stata riconnessa la cuffia, sono state controllate le
impedenze dei 128 elettrodi e, esattamente come durante la fase Rest-1, sono stati
registrati 10 minuti in condizioni di rilassamento.
Figura 1: rappresentazione schematica del disegno sperimentale
Analisi dei dati
Utilizzando i software NetStation 4.5 (EGI, Electrical Geodesics Inc., Eugene, OR, USA) e
BrainVision Analyzer 2.1 (Brain Products, Gilching, Germany), il tracciato EEG di ogni soggetto
è stato analizzato in base ai seguenti passi:
1.
Filtraggio: al segnale è stato applicato un filtro passa-banda tra 2 e 30Hz;
2.
ICA: Tipicamente, il segnale EEG risulta mescolato con segnali di natura fisiologica ma non
cerebrale, come l’attività muscolare dei muscoli facciali e temporali, l’attività relativa al
movimento degli occhi o all’attività cardiaca. Al fine di identificare e rimuovere tali
segnali, al tracciato di ogni singolo soggetto è stata applicata una Independent Component
Analysis (ICA), in grado di identificare e separare attività indipendenti tra loro. Le
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propriocettiva Keope GPR sul tracciato elettroencefalografico
componenti relative alle attività sopracitate sono state rimosse, mentre a partire da tutte
le componenti neurofisiologiche il segnale EEG è stato ricostruito.
3.
Segmentazione e rimozione degli artefatti: successivamente, il segnale è stato suddiviso
nelle due condizioni di studio (Rest-1 e Rest-2). Ogni blocco è stato inoltre segmentato in
brevi tracciati consecutivi e adiacenti di 10 secondi. Tali segmenti sono stati visivamente
ispezionati in modo da rimuovere quelli caratterizzati dalla presenza di artefatti in grado
di compromettere le successive quantificazioni. In media, il 15% circa dei segmenti è
stato rimosso;
4.
Re-referencing: il segnale di ogni elettrodo, nativamente acquisito in referenza fisica
posta al vertice (Cz), è stato riferito ad un valore virtuale risultante dalla media dei
segnali provenienti da tutti gli elettrodi (AVG) in modo da ridurre l’influenza dell’artefatto
comune;
5.
Fast Fourier Transformation- FFT: per ogni segmento di tracciato è stata applicata
l’analisi di Fourier (FFT), in modo da caratterizzare quanto ogni singola frequenza fosse
rappresentata in un dato canale in quell’intervallo temporale (10s). In questo modo è
stato possibile stimare la frequenza dei ritmi maggiormente espressi passando da una
rappresentazione temporale a una nel dominio delle frequenze;
6.
Calcolo della potenza spettrale media per condizione: una volta separati i ritmi e
determinate le frequenze, abbiamo calcolato la potenza spettrale media espressa in banda
8-13 Hz per entrambe le condizioni (Rest-1 e Rest-2) per ogni canale, ottenendo così due
mappe (pre- e post- Keope GPR) di distribuzione del ritmo 8-13Hz per ogni soggetto. Sulla
base delle caratteristiche tipiche del segnale elettroencefalografico (distribuzione
topografica e reattività), abbiamo valutato le modulazioni indotte dal programma 1 sui
ritmi alfa e µ;
7.
Confronto statistico: a livello di popolazione è stato condotto un confronto statistico (ttest, p<0.01), a livello di ogni singolo elettrodo, tra la potenza spettrale misurata nelle due
condizioni sperimentali. Date le premesse dello studio, un particolare interesse è stato
rivolto agli elettrodi in grado di evidenziare un aumento della potenza in banda 8-13Hz a
seguito della modulazione meccanica tramite struttura ergonomica a risonanza
propriocettiva Keope GPR.
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Effetto della stimolazione tramite struttura ergonomica a risonanza
propriocettiva Keope GPR sul tracciato elettroencefalografico
Risultati
I risultati dell’analisi statistica condotta sulla potenza spettrale in banda 8-13 Hz sono
mostrati in Figura 2. In particolare, la principale differenza significativa tra le condizioni Rest1 e Rest-2 a livello di scalpo è prevalentemente localizzata sulla regione centro-parietale, con
un’evidente maggior coinvolgimento dell’emisfero destro. In figura, gli elettrodi con un effetto
maggiormente significativo (p<0.01) sono riportati in rosso, mentre quelli indicati in una
tonalità più attenuata evidenziano un effetto meno accentuato. Oltre alle aree centro-parietali
dell’emisfero destro, è presente anche se con minore intensità una sincronizzazione in banda
8-13 Hz delle aree frontali di sinistra.
Figura 2: il pannello di sinistra mostra la distribuzione topografica degli elettrodi che
evidenziano una significativa iper-sincronizzazione in banda 8-13 Hz nel Rest-2 rispetto al
Rest-1. Il pannello di destra mostra la potenza spettrale per i due elettrodi centrali (evidenziati
con il cerchio blu) per Rest-1 (profilo colorato in base alle bande di frequenza, 8-13 Hz in
verde) e Rest-2 (profilo in rosso). Si noti come l’aumento di potenza in questi due elettrodi è
concentrato nella banda 8-13 Hz.
Data la localizzazione degli elettrodi significativi mostrata in figura, possiamo concludere che
il ritmo maggiormente influenzato dalla modulazione meccanica propriocettiva e uditiva
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Effetto della stimolazione tramite struttura ergonomica a risonanza
propriocettiva Keope GPR sul tracciato elettroencefalografico
ottenuta attraverso l’utilizzo della struttura ergonomica a risonanza propriocettiva Keope
GPR è il ritmo µ, prevalentemente registrato dagli elettrodi 92, 93 e 104. Particolarmente
significativo è il coinvolgimento degli elettrodi 92 e 104, in quanto essi corrispondono agli
elettrodi P4 e C4 nella nomenclatura tradizionale, ovvero gli elettrodi di elezione per la
registrazione di attività generate rispettivamente dalle regioni parietali e motorie
dell’emisfero destro.
Infine, per ogni singolo soggetto è stata studiata la reattività dei ritmi cerebrali durante
la fase di registrazione basale. La Figura 3 riporta un esempio di desincronizzazione (linee
blu) del ritmo alfa all’apertura degli occhi (regioni occipitali bilaterali, pannello inferiore) e al
movimento della mano destra e della mano sinistra (regioni centrali, attivazione solo
controlaterale all’arto in movimento). Da notare che l’elettrodo attivo durante il movimento
della mano sinistra (E104) è lo stesso sul quale si registra un aumento di sincronizzazione del
ritmo
µ a seguito della modulazione meccanica con struttura ergonomica a risonanza
propriocettiva Keope GPR.
A)
B)
C)
Figura 3: reattività dei ritmi cerebrali durante la registrazione basale. Al centro il template con
evidenziati gli elettrodi C3 (centrale sinistro, in verde), C4 (centrale destro, in arancione), O1 e
O2 (occipitale sinistro, in grigio e occipitale destro, in viola). I pannelli tempo-frequenza
riportano la reattività dei ritmi in banda 8-13 Hz alle prove di attivazione EEG: in A è mostrata
la desincronizzazione del ritmo µ sulle regioni centrali di sinistra (elettrodo C3) durante il
movimento della mano controlaterale. In B è mostrata la risposta degli elettrodi centrali al
movimento della mano sinistra, con una evidente desincronizzazione del ritmo µ sulle regioni
centrali di destra. Nel pannello C è invece mostrata la risposta bilaterale del ritmo alfa
occipitale all’apertura degli occhi.
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Effetto della stimolazione tramite struttura ergonomica a risonanza
propriocettiva Keope GPR sul tracciato elettroencefalografico
Conclusioni
I risultati dello studio evidenziano che dopo una seduta con la struttura ergonomica a
risonanza propriocettiva Keope GPR compare una maggiore sincronizzazione del ritmo µ
registrato dalle regioni centro parietali. L’aumento di sincronizzazione può essere considerato
come un indice di aumento del rilassamento del sistema motorio successivo alla modulazione
meccanica di Keope GPR.
Il legame tra la modulazione meccanica di Keope e il livello di rilassamento delle aree
motorie potrebbe essere ulteriormente approfondito mediante un approccio multivariato che
valuti a livello periferico la variazione dell’attività muscolare pre e post stimolazione
(registrazione elettromiografica dei muscoli). Una volta appurata la presenza di un
defaticamento muscolare post Keope GPR, identificati i gruppi muscolari coinvolti e valutata
la correzione tra l’entità del defaticamento e la relativa sincronizzazione del ritmo µ, sarà
possibile ottenere una maggiore caratterizzazione degli effetti della stimolazione.
Un altro aspetto meritevole di approfondimento riguarda i diversi programmi di
modulazione meccanica della struttura ergonomica a risonanza propriocettiva. Nel nostro
studio è stato utilizzato solo il Programma 1mentre altri studi hanno dimostrato una
maggiore efficacia a seguito dell’utilizzo del Programma 2. Per una migliore completezza dei
risultati, la possibilità di comparare l’effetto su variabili elettrofisiologiche con diversi
programmi di stimolazione, fornirebbe una visione di insieme che attualmente non è
pienamente disponibile dai soli dati del presente studio.
In conclusione, future indagini sui diversi programmi utilizzabili con Keope e una
combinazione di tecniche di registrazione differenti (ad esempio elettromiografia ed
elettroencefalografia) potrebbero fornire ulteriori dati a sostegno del beneficio psicofisico che
l’utilizzo della modulazione meccanica con la struttura ergonomica a risonanza propriocettiva
Keope GPR induce nei soggetti.
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