2.1 Scala spaziale
Per comprendere a pieno i segnali bioelettromagnetici, conviene prima di tutto considerare la scala spaziale in cui essi si collocano. Immaginiamo di essere i primi a osservare Domenico, un pianeta appena scoperto all'interno del nostro sistema solare, e di essere su una sonda spaziale con solo dei cannocchiali di varie grandezze. Con un binocolo a bassa risoluzione riusciremo a capire se esistono oceani, continenti, calotte polari e, in linea di massima, avremo un'idea generale del pianeta pur non sapendo la struttura delle rocce, la qualità delle acqua e così via. A questo punto potremmo prendere il cannocchiale più potente che abbiamo con noi per iniziare a scrutare i dettagli del pianeta. Potremmo scoprire le varie forme di vita eventualmente presenti, il tipo di sabbia delle spiagge e potremmo addirittura scoprire che su Domenico si nasconde un clone di Emilio Fede. Bene, un elettrodo è come un cannocchiale: la risoluzione spaziale dipende dalla dimensione del nostro elettrodo. Più è piccolo, più riusciamo a cogliere i dettagli dell'attività elettrica, a discapito di una visione globale che si ottiene con elettrodi di grosse dimensioni (qualche mm). Difatti, con un elettrodo di 1 mm si può registrare l'attività di una modesta popolazione di neuroni, mentre con un elettrodo di qualche mm, come sono quelli normalmente utilizzati, si colgono gli aspetti più generali dell'attività elettrica o magnetica del cervello. In particolare, la risoluzione spaziale ottenibile mediante elettrodi EEG e sensori MEG si aggira intorno al cm quadrato, che corrisponde all'attività media di circa 10 milioni di neuroni corticali. La qualità e la precisione dei segnali EEG e MEG dipenderanno quindi dal numero di neuroni che si possono "vedere" e ovviamente dalla distanza dai generatori (distanza della sonda dal pianeta).

2.2 Da cosa dipendono il segnale EEG e MEG
2.2.1 Sincronizzazione dell'attività corticale
L'EEG è una misura del flusso di corrente extracellulare che viene generato dalla somma delle attività di un elevato numero di neuroni. I potenziali di superficie sono principalmente il risultato dell'attività dei neuroni corticali piramidali disposti in corrispondenza dell'area corticale sottostante l'elettrodo. L'EEG rileva la differenza di potenziale elettrico tra un elettrodo attivo, posto al di sopra della sede dove si svolge l'attività neurale, e un elettrodo indifferente, collocato ad una certa distanza dal primo. Un EEG misura quindi la differenza di potenziale tra aree dello scalpo ed è proporzionale alla corrente che scorre nella corteccia cerebrale durante l'eccitazione sinaptica dei dendriti di molti neuroni piramidali, che giacciono proprio sotto al cranio. Ma il contributo elettrico di ciascun neurone corticale è straordinariamente piccolo ed il segnale deve attraversare diversi strati di tessuto non neurale, incluse le meningi, i liquidi che si trovano tra le meningi, le ossa del cranio e la pelle, prima di raggiungere gli elettrodi. Di conseguenza, sono necessari migliaia di neuroni attivati contemporaneamente per generare un segnale EEG abbastanza grande da poter essere rilevato. Questo ha un interessante conseguenza sull'ampiezza del segnale EEG. Esso, infatti, dipende in grande misura da quanto è sincronizzata l'attività dei neuroni implicati. Difatti, se ciascuna cellula riceve la stessa quantità di eccitazione, ma in tempi diversi, i segnali sommati risultano esigui ed irregolari. Se tutte le cellule ricevono, invece, la stessa eccitazione contemporaneamente, i singoli segnali possono sommarsi, dando origine ad un campo elettrico più intenso. In questo caso il numero di cellule attivate e la quantità totale di attivazione possono rimanere invariate, ciò che cambia è solo la sincronizzazione dell'attività. (Se l'eccitazione sincrona di questo gruppo di cellule è ripetuta molte volte, l'EEG risultante sarà costituito da onde grandi e ritmiche).

La MEG è complementare all'EEG, e misura variazioni del campo magnetico prodotto dalle correnti intracellulari dei neuroni piramidali corticali. Visto che i campi magnetici prodotti dal cervello sono estremamente piccoli (circa 1 miliardesimo del campo magnetico della terra, da 50 a 900 fT), la MEG si basa su sensori ultrasensibili chiamati SQUID (Superconducting QUantum Interference Device), che, per poter essere sensibili a campi così piccoli, si basano su tecnologie superconduttrici. I magnetometri e i gradiometri (sensori MEG) trasformano le variazioni di flusso magnetico in un segnale registrabile: il segnale MEG. Come per l'EEG, l'ampiezza del segnale dipende dalla distanza alla quale si effettuano le misurazioni, dal numero di neuroni eccitati e soprattutto dal livello di sincronia dell'attivita dei diversi neuroni.

2.2.2 Orientamento dell'area corticale attiva

Distribuzione spaziale dei segnali EEG e MEG: L'ampiezza dei campi elettrici e magneti registrati sulla superficie del cuoio capelluto dipende dall'orientamento dell'area corticale attiva.	Distribuzione 2D del campo elettrico prodotto da due aree corticali con orientamento radiale e tangente.	Distribuzione 2D del campo magnetico prodotto da due aree corticali con orientamento radiale e tangente.

2.3 Tratti generali dei segnali EEG e MEG

L'EEG e la MEG hanno una natura oscillatoria. Ampiezze : EEG da 20 a 100 mV; MEG da 50 a 900 fT.Frequenze : da 1 a 70 Hz.	Gran parte dei tracciati EEG e MEG sembrano altamente casuali e, non essendo spesso riconducibili a particolari stati mentali, vengono semplicemente considerati come attività spontanea o di fondo.

2.4 Attività cerebrale di fondo (spontanea)

Un EEG normale. Il soggetto è in uno stato di veglia rilassata; i siti di registrazione sono indicati sulla sinistra. I primi secondi di registrazione mostrano una normale attività alfa, che è più accentuata nella regione occipitale. A circa metà della registrazione il soggetto ha aperto gli occhi, sopprimendo il ritmo alfa. L'apertura degli occhi è segnalata dagli ampi artefatti nella traccia superiore (frecce), generati dal battito delle ciglia.

2.5 Variazione spontanee dell'attività cerebrale
I tracciati EEG e MEG, come anticipato, presentano un'attività di fondo generalizzata. Sono sempre presenti piccole fluttuazioni di voltaggio e flusso magnetico, solitamente di poche decine di microvolt (mV) o femtoTesla (fT), del tutto spontanee. Questa attività spontanea può essere rivelatrice di diversi stati mentali (attenzione, concentrazione etc.), di diversi livelli di coscienza (sonno, livelli del coma etc.) o di alcuni disturbi patologici (epilessia, tumori cerebrali etc.). Questa attività è intrinseca alla materia cerebrale e il suo andamento è un'importante indice di integrità delle strutture e della loro funzionalità.

Vari stati mentali e livelli di coscienza sono riconducibili a variazioni a particolari bande di frequenza

In generale, i ritmi ad alta frequenza e bassa ampiezza sono associati a stati di vigilanza e di veglia, o agli stadi del sonno in cui si sogna. I ritmi a bassa frequenza e grande ampiezza sono associati a stati del sonno in cui non si sogna, o a uno stato patologico (coma), poiché quando la corteccia è fortemente impegnata nell'elaborazione delle informazioni, siano esse generate da input sensoriali o da processi interni, il livello di attività dei neuroni corticali è relativamente alto, ma anche relativamente non sincronizzato su ampie zone della corteccia. In altre parole, ciascun neurone, o gruppo di neuroni molto piccoli, è fortemente implicato in aspetti leggermente differenti di un compito cognitivo complesso; esso, infatti, scarica rapidamente, ma non troppo simultaneamente alla maggior parte dei suoi vicini. Questo porta ad una bassa sincronia, così che l'ampiezza dell'EEG è bassa, e le onde beta sono dominanti. Al contrario, durante il sonno profondo, i neuroni corticali non sono implicati nell'elaborazione delle informazioni, ed un grosso numero di essi è ritmicamente eccitato da un input comune, lento e fasico. In questo caso la sincronia è alta, così che l'ampiezza dell'EEG risulta anch'essa alta.

2.6 Variazioni dell'attività cerebrale prodotte da eventi
2.6.1 Variazioni della potenza del segnale e riallineamento della fase

Risposte evocate Si definiscono potenziale elettrico o campo magnetico evocato (EP -evoked potential- o EF -evoked field-) quelle variazioni nei segnali EEG e MEG che sono associate ad uno stimolo sensoriale. Sono più generalmente chiamate potenziali o campi evento-correlati (ERP event-related potential, o ERF event-related fields) generati da un evento (stimolo sensoriale, atto motorio o evento endogeno). Gli ERP/F sono il risultato di una aggiustamento della fase dei ritmi cerebrali rispetto all'evento e di un aumento della potenza del segnale. Hanno una stretta relazione temporale con l'evento. Risposte indotte Si definiscono risposte "indotte" quelle variazioni della potenza dei ritmi cerebrali, la cui fase non si riallinea con l'evento. Le variazioni della potenza media sono, invece, temporalmente collegate all'evento. Le risposte "indotte" spesso riguardano ristrette bande di frequenza. Le risposte "indotte" non possono essere calcolate usando gli stessi metodi utilizzati per calcolare i potenziali evocati.

Un evento è uno stimolo sensoriale (visivo, acustico, ecc.) o un processo endogeno (atto motorio). Un evento esterno crea due tipi di variazioni a livello cerebrale riscontrabili nei tracciati EEG e MEG come: - Variazione della potenza del segnale correlabile con l'evento. - Riallinemento della fase del segnale rispetto all'evento.

2.6.2 Risposte "evocate"

Esempio di potenziale evocato somatosensoriale (SEP).	Esempio di potenziale evocato motorio (MEP) e sue componenti.

Il potenziale evocato (PE) o più propriamente il potenziale evento-correlato (ERP, event-related potential) consiste in una variazione specifica dell'EEG e della MEG conseguente ad una stimolazione di una via sensoriale o ad un evento motorio.

2.6.3 Risposte "indotte"

Esempio di variazione della potenza media nelle bande di frequenza alfa e beta durante e dopo un atto motorio.

2.6.4 Significato funzionale delle variazioni prodotte da eventi
Gli ERP (sia dovuti da stimoli esterni che ad atti motori) sono costituiti da oscillazioni del potenziale elettrico o del flusso magnetico (secondo la tecnica sperimentale utilizzata) e da forme d'onda caratterizzate da una serie di deflessioni positive o negative. Queste deflessioni vengono normalmente definite componenti. La polarità delle componenti ERP dipende dalla posizione dell'elettrodo EEG o sensore MEG all'interno della distribuzione del campo elettrico e magnetico superficiale. A sua volta la distribuzione dei campi superficiali dipende dall'area corticale attivata e dal suo orientamento rispetto al cuoio capelluto.

Ciascuna delle componenti ERP viene normalmente considerata come la presenza di PPS (eccitatori o inibitori) sincroni in un gruppo di neuroni corticali piuttosto grande da poter generare campi sufficientemente ampi da poter essere registrati in superficie. La sede delle componenti (occipitali, centrali, temporali, ecc.) quindi permette di identificare quale area corticale è attiva in seguito ad un particolare stimolo. Le componenti ERP vengono quindi interpretate come la manifestazione dell'attività nervosa associata agli stadi specifici della trasmissione e dell'elaborazione dell'informazione all'interno del sistema nervoso. Nel prossimo capitolo introdurremo i metodi per l'analisi dei tracciati e degli ERP e queste definizioni verranno chiarite. Ad esempio, la presentazione di uno stimolo visivo come un flash lumino ha come conseguenza l'attivazione dell'area visiva a latenze corrispondenti alla velocità con la quale il segnale passa dall'occhio alla corteccia. L'attivazione della corteccia visiva si manifesterà con la presenza di una componente occipitale a circa 70 ms dopo lo stimolo. Seguono a latenze più lunghe altre componenti che corrispondo all'attivazione delle aree secondarie del sistema visivo. Ancora, il movimento di un dito della mano è riscontrabile da una componente nei pressi dell'area motoria e premotoria seguita da un'altra componente corrispondente all'attivazione dovuta alle riafferenze somestesiche che convogliano le informazioni riguardo la posizione del dito e l'esecuzione del movimento.

Le funzioni dei ritmi centrali sono ancora in fase di studio. La variazione dei ritmi cerebrali sono correlate ad un grande numero di comportamenti umani e eventi esterni, e lentamente alcune ipotesi sul significato dei ritmi macroscopici stanno nascendo. Un'ipotesi sui ritmi relativi al sonno è che essi siano lo stratagemma cui è ricorso il cervello per disconnettere la corteccia dalle afferenze sensoriali (chiusura all'informazione esterna). Quando siamo svegli, il talamo permette alle informazioni sensoriali di arrivare sino alla corteccia, o di passare attraverso essa. Quando dormiamo, i neuroni talamici producono uno stato ritmico autogenerato che impedisce alle informazioni sensoriali organizzate di giungere sino alla corteccia. Se questa intuizione ha senso, non spiega comunque il motivo per cui i ritmi si rendano necessari. Perché più semplicemente, non inibiscono il talamo in modo stabile permettendo alla corteccia di riposare in pace?

È stata recentemente proposta una funzione dei ritmi veloci nella corteccia sveglia. Nel cervello sveglio, sia il sistema sensoriale che quello motorio generano spesso scariche di neuroni sincronicamente attivi, che danno origine ad oscillazioni dell'EEG in un intervallo di 30-80 Hz. Può essere che, attraverso la sincronizzazione momentanea delle veloci oscillazioni generate dalle diverse regioni della corteccia, il cervello leghi assieme le varie componenti neurali in una singola costruzione percettiva.

Per ora le funzioni dei ritmi della corteccia cerebrale sono in larga misura un mistero. Questi ritmi possono essere prodotti interessanti ma non importanti della tendenza dei circuiti cerebrali ad essere fortemente interconnessi con varie forme di feedback eccitatori. Quando qualcosa eccita se stesso, ciò porta spesso ad instabilità o a oscillazioni. I circuiti di ritorno sono essenziali alla corteccia. Le oscillazioni possono essere una sfortunata ma inevitabile e indesiderata conseguenza, che viene tollerata solo per necessità. Comunque sia, anche in assenza di una funzione specifica, i ritmi dell'EEG ci forniscono un'utile finestra sugli stati funzionali del cervello.

3. Analisi dei segnali cerebrali