Modificazioni del segnale EEG in un compito di memoria visiva con distrattori visivi ‘deboli’ e ‘forti’

La valutazione del segnale elettroencefalografico acquisito durante compiti di Working Memory è utile per indagare regioni e meccanismi cerebrali alla base della capacità di immagazzinare le informazioni provenienti dall’ambiente rilevanti per il task da svolgere e di inibire stimoli irrilevanti/distraenti. In questo lavoro di Tesi è stato condotto uno studio su 13 volontari che hanno svolto un compito di memoria di lavoro visiva, consistente di prove ripetute (trial) ognuna composta di diverse fasi: Encoding (memorizzazione del memory set), Retention (mantenimento in memoria) in cui si mostra un distrattore, che può essere weak (poco interferente) o strong (maggiormente interferente). Ciascun trial termina con la comparsa della Probe, a cui il soggetto deve rispondere indicando se apparteneva o meno al memory set. Durante il task è stato acquisito il segnale EEG da 64 elettrodi, ed analizzato per indagare i potenziali evocati (ERPs) e la sincronizzazione/desincronizzazione in banda alpha (8-12 Hz) e theta (4-8 Hz) correlata agli stimoli visivi; è stata svolta anche un’analisi preliminare ricostruendo l’attività delle sorgenti corticali dal segnale EEG. Dalle analisi emerge che gli ERPs sono visibili principalmente nelle fasi di Encoding e Distractor, e nelle regioni fronto-centrali e parieto-occipitali, e che nella fase di Distractor sono maggiori per distrattore weak rispetto a strong. Si conferma la natura inibitoria del ritmo alpha e il ruolo del ritmo theta nei processi cognitivi; infatti la potenza in banda alpha aumenta nella fase pre-distrattore (sia weak che strong) e la potenza in banda theta è sostenuta durante l’intero task. Non si osservano differenze in banda alpha e theta tra i due distrattori nella fase pre-distrattore, mentre si osserva una modulazione durante la presentazione del distrattore.

Effetto di distrattori acustici rispetto a distrattori visivi in un compito di memoria visiva: analisi del segnale EEG

Studi recenti hanno evidenziato cambiamenti nei ritmi alpha (8-12 Hz) e theta (4-8 Hz) in vari processi modulatori top-down e di controllo cognitivo come la memoria di lavoro (WM, working memory) e la soppressione di distrattori. I compiti di WM richiedono attenzione interna sostenuta per dare priorità alle informazioni rilevanti a discapito di quelle interferenti che distraggono dall’obiettivo. I meccanismi di attenzione in tali compiti sono associati ad aumento di potenza alpha, che riflette la funzione inibitoria di tale ritmo, in regioni che elaborano informazioni distraenti, e ad aumento di potenza theta, soprattutto in regioni frontali, che riflette funzioni di controllo cognitivo per raggiungere l’obiettivo pur in presenza di interferenze. Questo lavoro è volto ad indagare gli effetti di distrattori acustici rispetto a distrattori visivi in un compito di visual WM. A tale scopo sono stati acquisiti ed elaborati i segnali EEG di 12 soggetti volontari mentre eseguivano un compito di visual WM, in cui la fase di retention (mantenimento in memoria delle informazioni codificate) veniva interrotta con la presentazione di distrattori di due modalità sensoriali differenti (visiva e acustica), per valutare le variazioni dell’attività cerebrale in termini di ritmi alpha e theta e le regioni coinvolte. Si è osservato un aumento maggiore di potenza alpha (principalmente posteriore) in presenza del distrattore acustico rispetto al visivo sia nella fase pre-distrattore che nella fase distrattore, statisticamente significativo nella fase distrattore. Si è osservato un aumento maggiore di potenza theta (principalmente frontale) in presenza del distrattore acustico rispetto al visivo in tutte le fasi del task, statisticamente significativo nella fase iniziale di retention e nella fase del distrattore. I risultati potrebbero indicare una maggiore necessità di controllo cognitivo e di protezione da stimoli interferenti in caso di distrattore acustico rispetto al visivo.

The effects of hypocalcemia on spatial alternans and ventricular fibrillation studied with the optical mapping technique

The heart is a wonderful but complex organ: it uses electrochemical mechanisms in order to produce mechanical energy to pump the blood throughout the body and allow the life of humans and animals. This organ can be subject to several diseases and sudden cardiac death (SCD) is the most catastrophic manifestation of these diseases, responsible for the death of a large number of people throughout the world. It is estimated that 325000 Americans annually die for SCD. SCD most commonly occurs as a result of reentrant tachyarrhythmias (ventricular tachycardia (VT) and ventricular fibrillation (VF)) and the identification of those patients at higher risk for the development of SCD has been a difficult clinical challenge. Nowadays, a particular electrocardiogram (ECG) abnormality, “T-wave alternans” (TWA), is considered a precursor of lethal cardiac arrhythmias and sudden death, a sensitive indicator of risk for SCD. TWA is defined as a beat-to-beat alternation in the shape, amplitude, or timing of the T-wave on the ECG, indicative of the underlying repolarization of cardiac cells [5]. In other words TWA is the macroscopic effect of subcellular and celluar mechanisms involving ionic kinetics and the consequent depolarization and repolarization of the myocytes. Experimental activities have shown that TWA on the ECG is a manifestation of an underlying alternation of long and short action potential durations (APDs), the so called APD-alternans, of cardiac myocytes in the myocardium. Understanding the mechanism of APDs-alternans is the first step for preventing them to occur. In order to investigate these mechanisms it’s very important to understand that the biological systems are complex systems and their macroscopic properties arise from the nonlinear interactions among the parts. The whole is greater than the sum of the parts, and it cannot be understood only by studying the single parts. In this sense the heart is a complex nonlinear system and its way of working follows nonlinear dynamics; alternans also, they are a manifestation of a phenomenon typical in nonlinear dynamical systems, called “period-dubling bifurcation”. Over the past decade, it has been demonstrated that electrical alternans in cardiac tissue is an important marker for the development of ventricular fibrillation and a significant predictor for mortality. It has been observed that acute exposure to low concentration of calcium does not decrease the magnitude of alternans and sustained ventricular Fibrillation (VF) is still easily induced under these condition. However with prolonged exposure to low concentration of calcium, alternans disappears, but VF is still inducible. This work is based on this observation and tries to make it clearer. The aim of this thesis is investigate the effect of hypocalcemia spatial alternans and VF doing experiments with canine hearts and perfusing them with a solution with physiological ionic concentration and with a solution with low calcium concentration (hypocalcemia); in order to investigate the so called memory effect, the experimental activity was modified during the way. The experiments were performed with the optical mapping technique, using voltage-sensitive dye, and a custom made Java code was used in post-processing. Finding the Nolasco and Dahlen’s criterion [8] inadequate for the prediction of alternans, and takin into account the experimental results, another criterion, which consider the memory effect, has been implemented. The implementation of this criterion could be the first step in the creation of a method, AP-based, discriminating who is at risk if developing VF. This work is divided into four chapters: the first is a brief presentation of the physiology of the heart; the second is a review of the major theories and discovers in the study of cardiac dynamics; the third chapter presents an overview on the experimental activity and the optical mapping technique; the forth chapter contains the presentation of the results and the conclusions.