L'elettroencefalogramma

L'elettroencefalogramma

L'elettroencefalografia (EEG) è la registrazione dell'attività elettrica dell'encefalo. La tecnica è stata inventata nel 1929 da Hans Berger, il quale scoprì che vi era una differenza di potenziale elettrico tra aghi infissi nello scalpo oppure tra due piccoli dischi di metallo (elettrodi) quando essi sono posti a contatto sulla cute sgrassata del cuoio capelluto. La tecnica fu in seguito perfezionata da Herbert Jasper. La rappresentazione grafica della registrazione è l'elettroencefalogramma. L'elettroencefalografia viene registrata dall'elettroencefalografo che può essere un apparecchio analogico oppure digitale e fornisce una traccia registrata su carta termica o millimetrata, su monitor con registrazione su Hard Disk, CD o DVD, per una visione successiva. Gli elettrodi vengono applicati sullo scalpo secondo il posizionamento standard chiamato 'sistema internazionale 10-20'. 10% oppure 20% si riferisce al 100% della distanza tra due punti di reperimento cranici 'inion' (prominenza alla base dell'osso occipitale) e 'nasion' (attaccatura superiore del naso), questa distanza di solito va da 30 a 36 cm. con grande variabilità interpersonale.
Vengono collocati 19 elettrodi, lungo cinque linee: 1) P1: longitudinale esterna e 2) P2: long. interna di destra, 3) centrale, 4) P1: longitudinale esterna e 5) P2: long. interna di sinistra.
La linea trasversa T4-C4-Cz-C3-T3 (risultante delle precedenti) viene denominata montaggio P3, ed anch'essa deve seguire la regola del 10-20%.
             Gli elettrodi fronto-polari sono collocati al 10% (3-4 cm) della distanza I-N, sopra le sopracciglia, i frontali vengono collocati sulla stessa linea dei fronto-polari, più sopra del 20%, poi vengono i centrali (+ 20%), infine i parietali (+ 20%) e gli occipitali (+ 20%), con questi si arriva al 90% della distanza nasion-inion, ad una distanza del 10% dall' inion.
Alla posizione che ogni elettrodo occupa sullo scalpo fa riferimento una sigla. Le sigle che individuano la posizione di un elettrodo sono formate da una/due lettere, che permettono di identificare la regione della corteccia esplorata (Fp: frontopolare; F: frontale; C: centrale; P: parietale; T: temporale; O: occipitale) e da un numero (o una z) che identifica l'emisfero (numeri dispari: sinistra; numeri pari: destra; z: linea mediana).

Onde cerebrali

Il ritmo di base é il ritmo alfa ('ritmo di Berger') con una frequenza di 8-12 Hz (cicli/sec) di ampiezza media sui 40-50 microVolt, che viene registrato ad occhi chiusi in un soggetto sveglio, soprattutto tra gli elettrodi occipitali e quelli parietali rispetto ai centrali e temporali posteriori (EEG sincronizzato).
            Se si invita il soggetto ad aprire gli occhi, l'attività alfa scompare ed è sostituita da un'attività di basso voltaggio più rapida di tipo beta (desincronizzazione). La differenza di potenziale tra le cellule nervose del cervello viene quindi misurata come differenza in voltaggio. Al fine di valutare questa differenza di potenziale le onde generate vengono valutate per la loro differenza in ampiezza (ed espresse in microVolt) ed in frequenza (ovvero in cicli per secondo o Hz). Le onde alfa sono caratteristiche in condizioni di veglia e di riposo mentale, ma non nel sonno, dove sono assenti (fatta eccezione per lo stadio Rem). Quando un soggetto è sottoposto ad un'attività cerebrale maggiore, si registra la presenza delle onde beta. Queste sono dominanti in un soggetto ad occhi aperti, ma anche in stati di allerta e nel sonno REM.
Le onde theta sono dominanti nel neonato e possono rappresentare tensioni emotive. Infine, le onde delta sono predominanti nell'infanzia, nell'anestesia generale ed in alcune malattie cerebrali.
Nei diversi stadi di sonno sono presenti principalmente onde theta e onde delta (caratteristiche del sonno ad onde lente), a cui si aggiungono squarci di attività alfa e, raramente, di attività beta.

Origine dell'EEG

I neuroni corticali sono organizzati in modo da formare ammassi colonnari ad orientamento perpendicolare alla superficie della corteccia cerebrale, di cui costituiscono le unità funzionali elementari. L'EEG è l'espressione dei processi sinaptici (potenziali elettrici pre- e post-sinaptici), di potenziali dendritici e probabilmente anche di potenziali della neuroglia (cellule di sostegno). I potenziali rilevabili tramite EEG sono quelli associati a correnti all'interno dell'encefalo che fluiscono perpendicolarmente rispetto allo scalpo. Una tecnica complementare all'EEG è la magnetoencefalografia (MEG), che permette di misurare le correnti che fluiscono parallelamente allo scalpo. È utilizzato nei casi di disturbi convulsivi come l'epilessia (registrazione di onde anomale come punte, punte-onda) o per segnalare la presenza di alterazioni che possono indurre il neurologo a chiedere una TAC oppure una RM per scoprire ascessi, calcificazioni, cisti, ematomi, emorragie, infiammazioni oppure tumori del cervello benigni o maligni. Viene anche usato nella definizione di morte cerebrale, caratterizzata dal tracciato dell' EEG piatto, che deve comunque essere confermata anche con altri sistemi, come valutazione dei riflessi del tronco-encefalico oppure con l'eco-doppler.

Le onde elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche sono generate da campi elettrici e magnetici variabili, secondo quanto previsto dalla teoria di Maxwell, e viaggiano nello spazio, anche vuoto alla velocità di circa 300.000 km/s. Sono onde elettromagnetiche la luce; le onde radio, sulle quali viaggiano la maggior parte delle informazioni che le moderne tecnologie portano nelle nostre case; le microonde; che vengono utilizzate per usi domestici ma anche per molte applicazioni tecnologiche; i raggi X, usati in medicina diagnostica; le radiazioni ultraviolette, provenienti dal Sole o prodotte da speciali lampade. Tutte queste onde, seppure così diverse fra loro, sono generate da cariche in movimento, di diversa origine e di diverse dimensioni.

Le proprietà

Le onde elettromagnetiche sono una combinazione di campi elettrici e campi magnetici variabili, che si propagano nello spazio con le caratteristiche del moto ondulatorio. A seguito della scoperta dell'induzione elettromagnetica da parte di H.C. Oersted e M. Faraday - secondo cui un filo percorso da corrente induce un campo magnetico e un magnete in movimento in un solenoide (dispositivo formato da un conduttore avvolto a spirale attorno a un isolante) induce una corrente elettrica - il fisico inglese J.C. Maxwell formulò la teoria del campo elettromagnetico in base alla quale, anche in assenza di conduttori, un campo elettrico variabile induce un campo magnetico e, viceversa, un campo magnetico variabile induce un campo elettrico.

La variazione del flusso di uno dei due campi genera linee di forza dell'altro e in entrambi i casi queste linee di forza sono chiuse e perpendicolari a quelle dell'altro campo. Queste scoperte indussero Maxwell a stabilire che il campo elettromagnetico si propaga nello spazio sotto forma di onde, le onde elettromagnetiche il cui comportamento è regolato da un sistema di equazioni che portano il suo nome: le equazioni di Maxwell. Le sua ipotesi furono confermate dieci anni dopo la sua morte dal fisico tedesco H. Hertz, che ideò un dispositivo per produrre e rilevare le onde elettromagnetiche.

Da Hertz deriva il termine onde hertziane, con cui vengono spesso indicate le onde elettromagnetiche. Poiché il campo elettrico e il campo magnetico oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda, le onde elettromagnetiche sono onde trasversali. Inoltre, a differenza dalle onde meccaniche (prodotte, per esempio, da una corda vibrante), le onde elettromagnetiche non hanno bisogno di un mezzo materiale nel quale propagarsi: i campi elettrico e magnetico si generano infatti per mutua induzione anche nel vuoto.

Velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche

Sulla base di calcoli teorici, Maxwell concluse anche che la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto fosse 300.000 km/s, pari cioè alla velocità della luce nel vuoto (valore già noto a quei tempi); questa circostanza lo indusse a pensare che la luce fosse un particolare tipo di onda elettromagnetica. Oggi sappiamo che l'intuizione di Maxwell era esatta e che le onde elettromagnetiche, oltre a quelle luminose, comprendono un'ampia gamma di tipi di onde che differiscono tra loro per la lunghezza d'onda λ o, ciò che è lo stesso, per la frequenza ν, dove λ e ν sono legate dalla relazione ν = v/λ uguale a quella che vale per tutte le onde in generale, dove v è la velocità di propagazione.

La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche dipende dal mezzo nel quale si propagano: nel vuoto vale 2,9979∙10⁸ m/s,mentre nell'aria diminuisce dell'1% circa e nel vetro si riduce a circa 1∙10⁸m/s. Come gli altri tipi di onde, anche quelle elettromagnetiche sono soggette ai fenomeni tipici, come la riflessione, la rifrazione, la diffrazione e l'interferenza,e non comportano trasporto di materia ma di energia: si tratta di energia elettromagnetica o radiante, che viene trasportata in quantità proporzionale alla frequenza dell'onda elettromagnetica. Quando un'onda elettromagnetica incontra un mezzo materiale, la sua energia può essere assorbita dal mezzo o può venire trasmessa. L'interazione delle onde elettromagnetiche con la materia dipende sensibilmente dalla loro frequenza.

Lo spettro delle onde elettromagnetiche

L'insieme delle onde elettromagnetiche di differente frequenza (e quindi lunghezza d'onda) è detto spettro elettromagnetico. Oltre alle onde luminose, ne fa parte un'ampia gamma di altre onde, che differiscono tra loro per la lunghezza d'onda, e quindi per la frequenza, ma che sono sempre generate da campi elettrici e magnetici vibranti e si propagano con la medesima velocità a parità di mezzo attraversato. A causa della differenza della loro frequenza, le due diverse onde elettromagnetiche interagiscono diversamente con la materia che attraversano e, poiché il campo di variabilità delle frequenze è molto ampio, i comportamenti, e di conseguenza gli impieghi e le applicazioni tecnologiche, delle onde elettromagnetiche sono molto diversi. Le onde elettromagnetiche vengono anche dette radiazioni elettromagnetiche, perché viaggiando irradiano energia. Procedendo nel senso decrescente delle frequenze, nello spettro elettromagnetico si incontrano:

i raggi γ (gamma), che hanno frequenze dell'ordine delle centinaia di miliardi di Ghz, che vengono emessi dai nuclei di elementi radioattivi;

i raggi X, le cui frequenze arrivano a circa 10^7 Ghz;

i raggi ultravioletti, o radiazione ultravioletta, di frequenza compresa tra 10^7 Ghz e 7,5∙10⁵ Ghz;

i raggi visibili, radiazione visibile, cioè la luce, che corrisponde a una porzione molto piccola dello spettro elettromagnetico, di frequenza compresa tra 7.5∙10⁵Ghz e 4.1∙10⁵ Ghz;

i raggi infrarossi, o radiazione infrarossa, di frequenza compresa tra 4.1∙10⁵ Ghz e 3∙10² Ghz;

le onde radio, le cui frequenze hanno un campo di variabilità molto vasto: le frequenze proprie delle onde radio vanno da circa 300GHz a 300Hz.

Tutte le onde elettromagnetiche sono prodotte da cariche accelerate, ma la dimensione della sorgente di emissione determina la lunghezza d'onda dell'onda generata. In generale vale la regola secondo cui il dispositivo di emissione di un onda elettromagnetica deve essere tanto più piccolo quanto minore deve essere la lunghezza d'onda dell'onda che si vuole generare. Quindi le onde radio, che occupano una regione dello spettro in cui le lunghezze d'onda sono le più grandi, necessitano di dispositivi elettronici e antenne di grandi dimensioni per essere prodotte, mentre le radiazioni infrarosse, visibili e ultraviolette sono prodotte all'interno delle molecole e degli atomi e le radiazioni gamma all'interno dei nuclei atomici.

I raggi γ e i raggi X

Dal lato dello spettro che presenta lunghezze d'onda minori (quindi frequenze maggiori), le prime onde che si incontrano sono i raggi γ e i raggi X. I raggi γ, che hanno lunghezze d'onda inferiori a 10 m (e frequenze superiori a 3∙10 Ghz), sono emessi dalle stele nei processi di trasformazione nucleare e in processi di decadimento radioattivo. Sono radiazioni molto penetranti e trasportano grandi quantità di energia, e di conseguenza sono molto pericolose per gli essere viventi perché sono in grado di ionizzare gli atomi di cui sono costituiti i tessuti. I raggi X venero scoperti accidentalmente dalo scienziato tedesco W. Roentgen: accelerando un fascio di elettroni all'interno di un tubo a vuoto e applicando una forte differenza di potenziale agli elettroni, Roentgen vide che, quando gli elettroni colpivano l'anodo metallico, il tubo emetteva un chiarore che egli attribuì a una radiazione di natura sconosciuta e che chiamò X.

Oggi sappiamo che i raggi X sono onde elettromagnetiche prodotte da elettroni accelerati mediante differenze di potenziale superiori a 20.000V, i quali urtano la materia. Hanno lunghezze d'onda comprese tra 10 e 10 m (frequenze comprese tra circa 10^{^-8} Ghz e 10^-12Ghz) e sono molto penetranti. I raggi X impressionano le lastre fotografiche e, poiché i tessuti molli del corpo umano li lasciano passare mentre le ossa li trattengono, vengono largamente usati a scopo diagnostico (radiografia) per ottenere immagini della struttura ossea. I raggi X però hanno un'elevata capacità ionizzante e di conseguenza posso recare danni alle cellule. Inoltre i raggi X vengono usati largamente in cristallografia, perché inviandone un fascio su un cristallo è possibile, tramite le interazioni della radiazione con la materia, scoprire la struttura del reticolo del cristallo stesso.

Le radiazioni ultraviolette, visibili e infrarosse

Fanno parte di quella regione dello spettro che si estende dai raggi X alla radiazione visibile. Per rivelare i raggi UV si usano speciali lastre fotografiche. Le radiazioni ultraviolette sono emesse da corpi molto caldi, come le stelle, o prodotte artificialmente attraverso apposite lampade a incandescenza o tubi a scarica a bassa pressione. Sono radiazioni dal forte potere ionizzante e favoriscono le reazioni fotochimiche. Gran parte delle radiazioni ultraviolette provenienti dal sole viene assorbita dallo strato di ozono (una forma allotropica dell'ossigeno) presente nella nostra atmosfera a una quota compresa tra 25 e 40 km circa. Gli UV meno energetici invece sono responsabili dell'abbronzatura della pelle perché attivano la melanina.

Le radiazioni infrarosse (IR) sono invisibili all'occhio umano, ma possono impressionare pellicole fotografiche opportunamente trattate. Vengono emesse da qualunque corpo caldo, anche dal corpo umano, e la loro emissione aumenta all'aumentare della temperatura. Le radiazioni IR emesse dal sole riscaldano la Terra e costituiscono la principale fonte di energia dei processi biologici.

Le microonde e le onde radio

Comprendono frequenze inferiori ai 300 Ghz, sono utilizzate prevalentemente come veicoli per la comunicazione delle informazioni a distanza, poiché si propagano nell'aria senza essere assorbite, sono relativamente semplici da generare e sono sufficientemente lunghe da propagarsi anche oltre la curvatura terrestre. Dopo la loro scoperta da parte di Hertz, il primo che intuì che potevano essere utilizzate per inviare segnali a distanza fu l'inventore italiano Guglielmo Marconi, che aprì la strada alle comunicazioni radiofoniche. Le microonde sono particolari onde radio che trovano numerosi impieghi nel campo delle telecomunicazioni e in apparecchiature di rilevamento come i radar.

Le onde radio

Sono prevalentemente usate per le trasmissioni radiofoniche e televisive. Le onde radio viaggiano da un radiotrasmettitore a un radioricevitore. Le informazioni che si vogliono far viaggiare vengono prima convertite da un trasduttore in segnali elettrici di ampiezza variabile. In seguito tali segnali agiscono su un onda, detta portante, di ampiezza e frequenza costante, generata nel trasmettitore attraverso un processo detto di modulazione. La modulazione consiste nel variare, istante per istante, una della grandezze caratteristiche del segnale periodico (ampiezza o frequenza) usato come vettore per la trasmissione in conformità con le variazioni del segnale che contiene le informazioni da trasmettere, detto modulante. Il segnale portante modificato è detto modulato. Nella modulazione di ampiezza (AM) le informazioni vengono trasmesse nel circuito modulando l'ampiezza dell'oda portante, mentre nella modulazione di frequenza (FM) le informazioni vengono trasmesse modulando la frequenza della portante. Il segnale, amplificato, è inviato all'antenna, che lo irradia nello spazio sotto forma di onda elettromagnetica. I radio ricevitori captano le onde elettromagnetiche mediante un'altra antenna e, dopo un processo di amplificazione e demodulazione, ricavano in uscita l'informazione emessa in trasmissione. I ripetitori intercettano le onde e le reirradiano dopo averle nuovamente amplificate, alo scopo di far arrivare il segnale con una potenza efficace a grandi distanza. Il notevole aumento del traffico radio ha portato all'adozione di ripetitori, posizionati su satelliti geostazionari, che ruotano nello spazio con la stessa velocità della terra e di conseguenza "vedono" sempre la stessa area geografica