Introduzione
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Introduzione
Questa tesi nasce con lo scopo di esplorare e, per quanto possibile,
approfondire, un tema oggi più che mai attuale: l’utilizzo di nuove
tecniche di analisi cerebrale funzionale (Neuroimaging) applicate ai
test di “accertamento della menzogna”. Da quando alcuni
rappresentanti delle società produttrici delle apparecchiature per
neuroimaging e vari gruppi di ricerca, hanno pubblicamente dichiarato
che, attraverso i nuovi metodi di acquisizione e di analisi dei dati, è
possibile svelare le menzogne, specialmente negli Stati Uniti, il
dibattito sulla reale utilità di queste tecniche ha assunto notevole
rilievo. Naturalmente l’idea che sia scientificamente possibile “vedere”
la verità e la menzogna nel cervello, è molto discussa e, nonostante i
numerosi ed autorevoli sostenitori, non mancano altrettanto autorevoli
pareri che smentiscono le ripetute affermazioni pubblicate in questi
ultimi anni. Il presupposto e i dati sperimentali su cui si fonda
l’impiego dell’imaging funzionale applicato all’“accertamento della
menzogna” è basato sul fatto che quando si mente, invariabilmente, si
ha una reazione ansiosa caratterizzata da un’eccitazione simpatico-
midollare. La misurazione degli effetti periferici dovuti all’attivazione
dei sistemi dello stress e l’impiego di tecniche di brain imaging
funzionale in grado di documentare l’attivazione di aree cerebrali che
mediano le risposte allo stress, quindi, dovrebbero essere dei validi
indicatori del mentire. Naturalmente anche chi dice la verità può essere
ansioso o preoccupato e, specie se sottoposto ad interrogatorio, può
avere una risposta ansiosa molto marcata.
Introduzione
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Nell’elaborato svolto, senza scendere nella diatriba tra i sostenitori e i
detrattori dell’idea del poter rilevare la menzogna, si è deciso di
esaminare la tematica da un lato prettamente tecnico-pratico.
Il lavoro è organizzato in cinque capitoli. Nel primo vengono illustrate
le tecniche poligrafiche ed elettroencefalografiche. In questo capitolo
si fa particolare riferimento all’utilizzo del poligrafo come “macchina
della verità” e al legame di questo tipo di utilizzo con lo studio
dell’attività elettrodermica, della meccanica respiratoria, delle
variazioni di frequenza cardiaca e di tracciati elettroencefalografici.
Sempre in questo capitolo viene chiarito in cosa consiste
l’elettroencefalografia e da dove origina il segnale registrato dalla
macchina correlandolo alle caratteristiche anatomiche e funzionali del
cervello umano.
Nel secondo capitolo vengono descritte le procedure di registrazione
ed analisi di alcuni segnali fisiologici, ordinariamente utilizzati come
parametri di valutazione in un comune “test della menzogna”
(respirazione, attività elettrodermica, frequenza cardiaca). La
registrazione e la successiva analisi dei segnali fisiologici sono state
eseguite utilizzando l’unità di acquisizione MP-35 e il software BSL
PRO della BIOPAC System, Inc.
®
per i quali, sempre nel secondo
capitolo, sono state ampliamente illustrate le modalità di utilizzo. La
trattazione fatta nel secondo capitolo riguarda due esperienze separate.
Nella prima esperienza si è posto l’accento sull’analisi della meccanica
respiratoria cercando di meglio comprendere come il cervello e i
chemiorecettori agiscano sui centri midollari di controllo della
respirazione. Nella seconda esperienza si è tentato di simulare un “test
della menzogna” procedendo ad una registrazione poligrafica di
Introduzione
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frequenza respiratoria, frequenza cardiaca e attività elettrodermica e
osservando le variazioni di tali parametri associate a particolari stimoli
somatosensoriali e al comportamento cognitivo ed emozionale del
soggetto sottoposto a test. Per ambedue le esperienze sono state
ricavate delle tabelle riassuntive delle misurazioni eseguite ed
evidenziate alcune conclusioni a cui si è pervenuti dall’analisi dei dati
estratti.
Nel terzo capitolo è trattato l’utilizzo pratico del toolbox EEGLab e
delle relative funzionalità impiegate per il trattamento e l’analisi del
segnale EEG. Sempre in questo capitolo viene spiegato in cosa
consiste l’Analisi delle Componenti Indipendenti (ICA) e illustrato il
problema della Blind Source Separation.
Nel quarto capitolo vengono descritte tutte le procedure utilizzate
durante le simulazioni col toolbox EEGLab per identificare, tramite i
filtri ICA, i ritmi cerebrali che costituiscono il segnale EEG, eseguire il
plotting delle mappe topografiche relative alle componenti
indipendenti ed individuare, per ogni ritmo estratto, le componenti
maggiormente significative e l’elettrodo che registra componenti a
maggiore potenza. Sempre nello stesso capitolo vengono illustrati e
discussi i risultati a cui si è pervenuti.
Nel quinto capitolo, infine, vengono riassunti e discussi i risultati a cui
si è pervenuti relativamente alla trattazione degli argomenti analizzati
nell’intero elaborato.
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Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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Capitolo 1
La poligrafia e l’elettroencefalografia
1.1 – La poligrafia
La poligrafia consiste nella registrazione simultanea di determinati
parametri elettrofisiologici del corpo umano. Lo strumento che
consente di eseguire tale tipo di registrazione è detto poligrafo. Esso è
un dispositivo elettrico, simile ad un elettrocardiografo, che rileva le
variazioni di certi parametri fisiologici quali la pressione del sangue, la
respirazione (toracica e addominale), la conduttanza cutanea, la
temperatura, l’attività motoria, ecc. e produce, per ciascuno di essi, un
tracciato.
Fig 1.1.1: Esempio di tracciato poligrafico
La tecnica poligrafica è normalmente utilizzata in medicina per
l’indagine di patologie che, per le loro particolari caratteristiche,
Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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necessitano di una valutazione simultanea dei vari parametri fisiologici
che li caratterizzano. Nello studio delle malattie del sonno, ad esempio,
si utilizza il poligrafo per l’individuazione di disturbi respiratori, del
somniloquio, del sonnambulismo ecc. In cardiologia, invece, il
poligrafo (policardiografo) è usato per la registrazione simultanea di
vari tracciati dell’attività cardiaca (elettrocardiogramma,
fonocardiogramma, apicocardiogramma, ecc.).
1.1.1 – Il poligrafo come macchina della
verità
Un particolare tipo di poligrafo è la cosiddetta “macchina della verità”
che registra diverse risposte fisiologiche di un individuo mentre il
soggetto è chiamato a rispondere ad una serie di domande, misurando
in tal modo i cambiamenti fisiologici involontari causati dal sistema
nervoso simpatico durante l'interrogatorio. William Moulton Marston,
studente di Psicologia dell'Università di Harvard, nel 1913, sfruttò
l'idea che mentire provocasse effetti secondari fisiologici, per
implementare un primo metodo di ricerca della menzogna basato sulla
valutazione della pressione sanguigna. Successivamente, John A.
Larson dell'università della California costruì una macchina più
complessa, che teneva conto anche di altri fattori.
Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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Fig 1.1.2: Poligrafo in versione “Macchina della verità”
L’utilizzo del poligrafo come macchina della verità si basa sull’assunto
che mentire provoca una certa condizione di stress psichico che si
traduce in uno scostamento dai parametri fisiologici normali (cioè
misurati in uno stato di relax e mentre si risponde a delle domande con
franchezza). Un poligrafo in versione macchina della verità,
normalmente rileva la respirazione toracica, la frequenza cardiaca, la
conduttanza cutanea, e la pressione sanguigna. Lo scostamento dalla
normalità, secondo questi quattro parametri, è considerato un valido
indicatore della presenza di una menzogna.
1.1.2 – Attività elettrodermica e
poligrafia
L’energia elettrica scorre in un circuito grazie alla differenza di forza
elettromotrice (f.e.m.) tra l’inizio e la fine del circuito. La f.e.m. (E) è
misurata in volt (V). Il flusso di elettricità, detto corrente (I), è
misurato in ampere (A). Mentre l’elettricità fluisce attraverso il
circuito, si verifica una resistenza elettrica che viene misurata in Ohm
(Ω). In un semplice circuito, il rapporto tra la f.e.m. che causa la
Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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corrente elettrica, la resistenza al flusso di elettricità, e la risultante
entità della corrente è descritto dalla legge di Ohm.
Legge di Ohm
Se si conoscono due variabili, la terza può essere calcolata. La legge di
Ohm, quindi, implica che, considerata una corrente costante applicata
ad una resistenza variabile, si abbia una variazione di tensione
direttamente proporzionale alla variazione di resistenza.
Nella poligrafia i principi della legge di Ohm vengono applicati al
calcolo delle variazioni di resistenza elettrica della pelle. Sulla pelle
umana, soprattutto alle estremità come dita, palmi delle mani e piante
dei piedi, si verificano diverse forme di fenomeni bioelettrici.
• Galvanic Skin Resistance (GSR) - Quando una debole corrente
elettrica costante viene applicata tra due elettrodi posti a circa 2,5
cm di distanza sul palmo di una mano, la resistenza elettrica
registrata tra di essi, detta GSR, varia secondo lo stato emozionale
del soggetto.
• Galvanic Skin Potential (GSP) – Se gli elettrodi sono collegati al
palmo della mano attraverso un amplificatore di tensione adatto e
senza corrente applicata esternamente, la tensione misurata tra i
due elettrodi, detta GSP, varia secondo lo stato emozionale del
soggetto.
I cambiamenti combinati di GSR e GSP, in relazione allo stato
emozionale del soggetto, costituiscono la Galvanic Skin Response
(Risposta Galvanica della Pelle).
Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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Fisiologicamente, la risposta galvanica della pelle è dovuta ad un
cambiamento del tono autonomico nel Gran Simpatico, che si verifica
sulla pelle e nel tessuto sottocutaneo in risposta ad un cambiamento
dello stato affettivo del soggetto. I cambiamenti del tono autonomico
periferico alterano la sudorazione e il flusso sanguigno cutaneo, che a
sua volta fanno cambiare i valori di GSR e GSP. Per esempio, se si
provoca uno stimolo doloroso, come una puntura di spillo, in una zona
lontana dall'elettrodo, lo stimolo riflesso susciterà una scarica fasica
del Simpatico facendo aumentare la secrezione delle ghiandole
sudoripare. Poiché il sudore contiene acqua ed elettroliti, che
aumentano la conduttività elettrica della pelle, l'aumento di sudore,
anche se contenuto, farà abbassare la resistenza elettrica della pelle.
Come nel caso degli stimoli sensoriali somatici (dolore, pressione,
tatto), anche le variazioni emozionali suscitano cambiamenti nel tono
autonomico periferico e, quindi, nella risposta galvanica della pelle.
Un esempio comune è la vasodilatazione dei vasi sanguigni cutanei del
volto (rossore) e l’aumento della sudorazione che spesso si verificano
durante uno stato emotivo di imbarazzo.
La rilevazione e la registrazione della risposta galvanica della pelle
spesso viene combinata con la rilevazione e la registrazione di altre
variabili psicofisiologiche dipendenti dal sistema nervoso autonomo
come la frequenza cardiaca, frequenza respiratoria e la pressione
sanguigna.
Uno dei principi base dell'utilizzo del poligrafo come macchina della
verità è che il controllo del sistema nervoso autonomo su frequenza
cardiaca, frequenza respiratoria, pressione sanguigna, flusso sanguigno
e sudorazione non può essere modificato consapevolmente. Un altro
Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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principio è che i cambiamenti dello stato emozionale associati alla
falsificazione intenzionale delle risposte a quesiti accuratamente
selezionati e formulati altera involontariamente il flusso autonomico e
causa cambiamenti riconoscibili nella registrazione delle variabili
fisiologiche.
Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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1.1.3 – Meccanica respiratoria
Le tre funzioni primarie del sistema respiratorio sono: fornire
l’ossigeno di cui il corpo ha bisogno; provvedere allo smaltimento
della anidride carbonica (CO
2
); aiutare a mantenere stabile il PH del
plasma sanguigno. Il ciclo respiratorio assolve a questi scopi multipli
in congiunzione col sistema circolatorio.
La meccanica del ciclo respiratorio consiste in un’alternanza dei
processi di inspirazione ed espirazione. Durante l'inspirazione, alcuni
muscoli scheletrici (come il diaframma e gli intercostali esterni) si
contraggono causando un aumento di volume all'interno della cassa
toracica e dei polmoni. Tale aumento di volume fa diminuire la
pressione interna della gabbia toracica, per cui l'aria (che si trova ad
una pressione maggiore) fluisce all’interno dei polmoni. Durante
l'espirazione a riposo, i muscoli inspiratori si rilassano, causando una
riduzione del volume della cavità toracica e forzando il gas contenuto
all’interno dei polmoni a fluire nuovamente nell’atmosfera.
Normalmente, l’espirazione a riposo è un evento passivo determinato
dal rilassamento dei muscoli respiratori. Durante l'esercizio fisico o
durante l'emissione forzata, ad esempio, tosse, l’espirazione, invece,
diventa un evento attivo dipendente dalla contrazione dei muscoli
espiratori che, tirando in giù la gabbia toracica comprimono i polmoni.
Durante l'inspirazione, l'ossigeno dei polmoni diffonde ai capillari
polmonari e viene trasportato alle cellule tramite gli eritrociti (globuli
rossi). Le cellule utilizzano l'ossigeno per fornire l’energia necessaria
ai processi metabolici. Producendo energia, queste cellule rilasciano
biossido di carbonio come prodotto di scarto. Parte del biossido di
Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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carbonio reagisce con l'acqua presente nel corpo formando acido
carbonico (H
2
CO
3
), che successivamente si dissocia in ioni idrogeno
H
+
e bicarbonato (HCO
3
-
).
Gli eritrociti trasportano la CO
2
e gli ioni H
+
indietro nei polmoni. Una
volta nei polmoni, gli ioni H
+
e HCO
3
-
si ricombinano e formano acqua
e CO
2
Fig 1.1.3: Chimica della respirazione
Tra i fattori che sono coinvolti nella regolazione della ventilazione vi
sono la velocità e la profondità di respirazione. Normalmente il ritmo
di respirazione è stabilito dai centri inspiratorio ed espiratorio presenti
nel midollo.
Il centro inspiratorio da inizio all’inspirazione attraverso l'attivazione
dei muscoli inspiratori. Normalmente la frequenza respiratoria media
(RR) a riposo (eupnea) è di 12 – 14 cicli/minuto. Il centro respiratorio
agisce anche in una respirazione attiva.
Al contrario, il centro espiratorio si limita ad inibire il centro
inspiratorio, causando un’espirazione passiva.
Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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Questo modello di respirazione di base è influenzato da:
a) Centri superiori del cervello.
b) Retroazioni dei chemiorecettori periferici e centrali posizionati
rispettivamente nel sistema arterioso e in quello midollare.
c) Recettori di stiramento nei polmoni
d) Altri recettori sensoriali del corpo
Il controllo cerebrale dei centri respiratori midollari, per esempio, si
osserva quando un soggetto tenta di infilare un ago. Il ciclo si
interrompe temporaneamente, al fine di ridurre al minimo il
movimento del corpo, di modo che l'ago possa essere infilato con
maggiore facilità. Il controllo cerebrale della respirazione è evidente
anche mentre si parla, cioè quando è necessario che l'aria espirata passi
attraverso le corde vocali.
Chemiorecettori separati rilevano i livelli di ossigeno (O
2
), biossido di
carbonio (CO
2
) e di ioni idrogeno (H
+
) nel sangue e nel liquido
cerebrospinale del midollo. Durante l’iperventilazione, la frequenza e
la profondità respiratoria vengono aumentate permettendo ai polmoni
di espellere l’anidride carbonica più velocemente di quanto essa venga
prodotta. Gli ioni idrogeno, rimossi dai fluidi corporei, ne fanno
elevare il PH. Ciò tende a deprimere la ventilazione fino a quando i
livelli normali di ioni idrogeno e biossido di carbonio vengono
ripristinati. Il temporaneo arresto della respirazione, dopo
un’iperventilazione volontaria è noto come “apnea vera”.
Durante l’ipoventilazione (respirazione poco profonda e/o lenta) i
polmoni incrementano l’anidride carbonica nei liquidi biologici
(ipercapnia), non riuscendo ad eliminarla con la stessa velocità con cui
si forma. L'aumento della formazione di acido carbonico provoca un
Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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guadagno netto di ioni di idrogeno, abbassando il PH dei fluidi
corporei. La retroazione chemiorecettrice causa un aumento della
ventilazione fino al ritorno alla normalità dei livelli di anidride
carbonica e del PH dei fluidi extracellulari.
1.1.4 – Elettroencefalogramma e
poligrafia
Secondo una recente ricerca, realizzata da Daniel Langleben
dell'Università della Pennsylvania e basata sulla tecnica risonanza
magnetica funzionale, sembrerebbe che il mentire azioni una gran
quantità di aree cerebrali diverse rispetto alle aree cerebrali implicate
in una risposta veritiera. Sotto il profilo neurologico, per affermare il
falso, un soggetto deve sopprimere certe funzioni. Il che si traduce in
un'attività complessa ed elaborata che coinvolge i lobi frontali e
prefrontali della corteccia. Un’analisi dei tracciati
elettroencefalografici tendente alla localizzazione delle aree di
provenienza dell’attività elettrica cerebrale potrebbe quindi essere
d’aiuto per dare maggiore affidabilità al test della menzogna eseguito
col poligrafo.
1.2 - L’elettroencefalografia
L’elettroencefalografia è una tecnica non invasiva utilizzata per la
registrazione del segnale elettrico cerebrale. Essa consiste nel rilevare
la differenza di potenziale elettrico tra un elettrodo posto nella zona
dove si ha l’attività neuronale e un elettrodo di riferimento collocato ad
Capitolo 1 La poligrafia e l’elettroencefalografia
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una certa distanza dal primo. Tale elettrodo di riferimento può essere
posizionato sullo scalpo o anche in altri distretti corporei ritenuti
elettricamente inerti, o comunque non dotati di attività elettrica
propria. La tecnica elettroencefalografica è stata ideata nel 1929 da
Hans Berger che scoprì come vi fosse differenza di potenziale elettrico
tra gli aghi infissi nello scalpo oppure tra due piccoli dischi di metallo
(elettrodi) posti a contatto della cute sgrassata del cuoio capelluto.
La rappresentazione grafica della registrazione è
l'elettroencefalogramma (EEG), mentre lo strumento utilizzato per
eseguire la registrazione è detto elettroencefalografo. Tale strumento,
che può essere di tipo analogico o digitale, fornisce una traccia
dell’attività elettrica cerebrale registrata su carta termica o
millimetrata, su monitor con registrazione su Hard Disk, CD o DVD,
per una visione successiva.
Fig 1.2.1: Tracciato EEG
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