Principi Neuroscienze

PRINCIPI ESSENZIALI DI NEUROSCIENZE Gianpaolo Pegoretti Dottorando in Scienze della Cognizione e della Formazione Centro Interateneo per la Ricerca Didattica e la Formazione Avanzata In questo momento, mentre stai leggendo, il tuo sistema nervoso e il tuo cervello sono impegnati a trovare il significato di questa frase. Leggere, come tutte le altre attività che coinvolgono il cervello, implica che una serie di impulsi elettrici si muovano attraverso un network di cellule nervose collegate tra loro e dette neuroni. Lo scopo primario delle neuroscienze è capire come i gruppi di neuroni interagiscono per creare il comportamento. I neuroscienziati studiano l'azione di molecole, geni e cellule, inoltre esplorano le complesse interazioni coinvolte nel movimento, nella percezione, nel pensiero, nelle emozioni, nell'apprendimento. Il mattone fondamentale che costituisce il sistema nervoso è la singola cellula nervosa, il neurone. I neuroni si scambiano informazioni inviandosi segnali elettrici e sostanze chimiche attraverso delle connessioni dette sinapsi. Sul cervello c'è ancora moltissimo da scoprire, pertanto le neuroscienze forniscono risultati soggetti a diverse interpretazioni.

Illustrazione 1: un neurone trasmette segnali elettrici lungo il suo assone. Quando i segnali raggiungono la fine dell'assone innescano il rilascio di neurotrasmettitori, che sono immagazzinati nelle vescicole sinaptiche. I neurotrasmettitori si legano ai recettori, molecole poste sulla superficie dei neuroni adiacenti. Il punto di contatto è conosciuto come sinapsi.(illustrazione tratta da Brain Facts, Society for Neuroscience)

IL SISTEMA NERVOSO CONTROLLA LE FUNZIONI CORPOREE, RISPONDE AGLI STIMOLI DEL CORPO E DIRIGE IL COMPORTAMENTO

1) il cervello è l'organo più complesso del corpo umano a. ci sono cento miliardi di cellule nervose nel cervello, e 1014 o 1015 sinapsi b. i neuroni comunicano tra loro formando dei gruppi che si scambiano un flusso enorme di segnali c. il normale funzionamento del sistema nervoso richiede l'azione coordinata di neuroni in diverse aree del cervello d. il sistema nervoso influenza ed è influenzato da tutti gli altri sistemi del corpo (cardiovascolare, endocrino, gastrointestinale, immunitario, respiratorio) e. gli esseri umani hanno un sistema nervoso complesso che si è evoluto a strati, al centro le parti più antiche, all'esterno quelle recenti coinvolte nelle capacità tipicamente umane come ragionamento, pianificazione e linguaggio 2) i neuroni comunicano usando sia segnali elettrici sia segnali chimici a. gli stimoli sensoriali sono convertiti in segnali elettrici b. i potenziali d'azione sono i segnali elettrici che vengono scambiati da un neurone ad un altro c. le sinapsi sono i punti di giunzione elettrici o chimici che consentono ai segnali di passare da un neurone ad un altro d. i segnali elettrici diretti ai muscoli causano la contrazione e il movimento e. i cambiamenti nell'attività delle sinapsi modificano le nostre azioni f. la comunicazione tra neuroni è rafforzata o indebolita dalle attività che facciamo, come lo studio o l'esercizio g. tutti i pensieri, le percezioni e i comportamenti sono il risultato di combinazioni di segnali tra neuroni

Illustrazione 2: IL CERVELLO. Corteccia cerebrale (figura in alto). Questa parte di cervello è divisa in quattro aree: lobo occipitale, lobo temporale, lobo parietale, lobo frontale. Le funzioni, come la visione, l'udito e il linguaggio, sono distribuite in diverse regioni. Alcune regioni sono associate a più di una funzione. Principali strutture interne (figura in basso). Le aree frontali (1) sono implicate nelle più alte funzioni mentali — pensiero, pianificazione e problemsolving. L'ippocampo è coinvolto nella memoria. Il talamo serve come zona di convergenza di quasi tutti i segnali in entrata. I neuroni nell'ipotalamo fungono da zona di convergenza per i sistemi di regolazione interna, monitorano i segnali provenienti dal sistema nervoso autonomo e controllano il corpo attraverso le fasce nervose autonome e l'ipofisi. Sulla parte superiore del mesoencefalo (2) ci sono due paia di piccoli rigonfiamenti, i collicoli, gruppi di cellule che convogliano specifici segnali sensoriali dagli organi di senso al cervello. Il rombencefalo (3) è costituito dal ponte e dal midollo allungato, che aiutano a controllare la respirazione e il ritmo cardiaco, e dal cervelletto,che è preposto al controllo del movimento e dei processi cognitivi che richiedono un timing preciso. (illustrazione tratta da Brain Facts, Society for Neuroscience)

Illustrazione 3: MIDOLLO SPINALE E NERVI. IL sistema nervoso centrale (CNS) consiste nel cervello e nel midollo spinale. Il cervello invia segnali nervosi a specifiche parti del corpo attraverso i nervi periferici,conosciuti come sistema nervoso periferico (PNS). I nervi periferici nella regione cervicale servono il collo e le braccia; quelli nella regine toracica servono il tronco; quelli nella regione lombare servono le gambe; quelli della regione sacrale servono l'intestino e la vescica. Il PNS è il sistema nervoso corporeo che connette i muscoli scheletrici volontari con le cellule specializzate a rispondere alle sensazioni, come tatto e dolore. Il sistema nervoso autonomo è costituito da neuroni che connettono il CNS con gli organi interni, e si divide in sistema nervoso simpatico, che mobilita energia e risorse in momenti di stress, e in sistema nervoso parasimpatico, che conserva energia e risorse durante gli stati di rilassamento.(illustrazione tratta da Brain Facts, Society for Neuroscience)

LA STRUTTURA E LE FUNZIONI DEL SISTEMA NERVOSO SONO DETERMINATE SIA DAI GENI SIA DALL'AMBIENTE E DALLE ESPERIENZE LUNGO IL CORSO DELLA VITA

3) circuiti geneticamente determinati sono il fondamento del sistema nervoso a. i circuiti neurali sono formati dalla programmazione genetica durante lo sviluppo embrionale, e modificati attraverso l'interazione con l'ambiente interno ed esterno b. i circuiti sensoriali (vista, udito, tatto, gusto, olfatto) portano segnali dall'esterno al sistema nervoso, invece i circuiti motori portano segnali dal sistema nervoso all'esterno verso muscoli e ghiandole c. il più semplice dei circuiti è il riflesso, quando uno stimolo esterno innesca una predeterminata risposta motoria d. risposte complesse avvengono quando il cervello integra segnali provenienti da diversi circuiti neurali, generando una nuova risposta, non predeterminata e. interazioni semplici e complesse tra neuroni avvengono in tempi che vanno da pochi millesimi di secondo (per esempio schiacciare un pulsante) a mesi (per esempio apprendere una nuova lingua) f. il cervello è organizzato in modo da riconoscere sensazioni, iniziare comportamenti, e ritenere memorie che possono durare tutta la vita 4) le esperienze di vita modificano il sistema nervoso a. le differenze individuali, che rendono ciascun individuo diverso da tutti gli altri, sono dovute ad una combinazione di fattori genetici e ambientali b. la maggior parte dei neuroni sono generati durante le primissime fasi dello sviluppo, e rimangono in funzione per tutta la vita c. il cervello ha una notevole capacità di recuperare le proprie funzioni anche dopo aver subito lesioni o malattie d. sfidare continuamente il proprio cervello con attività mentali, fisiche e sociali è il modo giusto per mantenere o migliorare la sua struttura e le sue funzioni e. la morte neuronale è una naturale componente della crescita e dell'invecchiamento f. il corpo genera un certo numero di neuroni costantemente durante tutte le fasi della vita, la produzione è regolata dagli ormoni e dall'esperienza

Illustrazione 4: Il cervello di un bambino è un mistero di cui gli scienziati hanno appena cominciato a svelare i segreti. Dopo solo quattro settimane di gestazione le prime cellule nervose, i neuroni, si stanno già formando al ritmo rapidissimo di 250,000 al minuto. Miliardi di neuroni formeranno connessioni con miliardi di altri neuroni, creando circa 100 miliardi di sinapsi. Quando si è bambini il cervello è maggiormente disponibile ad essere plasmato dall'esperienza che negli adulti. Il cervello infantile struttura se stesso in risposta all'ambiente. Gli scienziati hanno definito questo processo evolutivo “darwinismo neurale”, tuttavia come afferma la neurologa Carla Shatz, "Un grande mistero rimane. Le nostre memorie, le nostre speranze e aspirazioni, chi amiamo, tutto questo è codificato nei circuiti. Ma possediamo solamente il più nudo inizio di comprensione a proposito di come il cervello funziona."(illustrazione tratta da Brain Facts, Society for Neuroscience)

Illustrazione 5: Il cervello dei bambini è un magnifico sistema di apprendimento. Un bambino impara a gattonare, poi a camminare, correre ed esplorare. Un bambino impara a ragionare, a fare attenzione, a ricordare, si impadronisce del linguaggio, la caratteristica propria dell'umanità. Nella maggior parte degli adulti il centro del linguaggio è lateralizzato nell'emisfero sinistro, ma nei bambini il cervello è meno specializzato. Fino ad un anno di età, i bambini rispondono al linguaggio con entrambi gli emisferi, dopo il linguaggio si sposta gradualmente verso l'emisfero sinistro, guidato dalla sua stessa acquisizione.

Illustrazione 6: Le ultime scoperte nelle neuroscienze forniscono una nuova visione dell'invecchiamento del cervello. Lasciandosi alle spalle decenni di pensiero dogmatico, gli scienziati hanno recentemente scoperto che anche dopo aver compiuto i settant'anni il cervello continua a produrre nuovi neuroni. Il pensiero scientifico ha abbandonato l'idea che si perda un vasto numero di neuroni quando si invecchia. Il normale processo di invecchiamento lascia intatta la massima parte delle funzioni mentali, e può addirittura affinare alcune capacità che formano la base della saggezza. Inoltre il cervello di una persona anziana è molto più resiliente di quanto si credesse in passato. (illustrazione tratta da Brain Facts, Society for Neuroscience)

IL CERVELLO E' IL FONDAMENTO DELLA MENTE

5) l'intelligenza, il pensiero, l'emozione emergono dall'attività del cervello a. il cervello crea una realtà dotata di senso integrando gli stimoli sensoriali, le emozioni, gli istinti e i ricordi b. le emozioni costituiscono il sistema di giudizio del nostro cervello, esse ci permettono di valutare oggetti ed eventi, si manifestano attraverso i sentimenti, alcuni semplici come la rabbia, altri complessi come l'empatia c. il cervello impara dall'esperienza e fa predizioni riguardo a quali siano le azioni più adatte in risposta a situazioni presenti o future d. la coscienza corrisponde alla normale attività del cervello, è presente quando attenzione e memoria convergono, la sua funzione biologica è quella di monitorare i nostri comportamenti 6) linguaggio, cognizione e apprendimento a. il cervello rende possibile la comunicazione di sapere attraverso il linguaggio b. sfruttando la capacità simbolica del linguaggio gli esseri umani sono in grado di espandere i limiti della cognizione oltre quelli di qualunque altra specie animale c. la cognizione è costituita dai processi attraverso i quali un organismo guadagna conoscenza, o diventa consapevole di eventi o oggetti presenti nel suo ambiente d. il cervello possiede l'abilità di modificare le connessioni neurali per affrontare in maniera più efficace nuove circostanze e. tale plasticità cerebrale forma la base biologica dell'apprendimento e della memoria

Illustrazione 7: APPRENDIMENTO E MEMORIA. Differenti aree del cervello sono correlate a differenti tipi di memoria. L'ippocampo, la regione paraippocampale e le aree della corteccia cerebrale, compresa la corteccia prefrontale, costituiscono un sistema che media la memoria dichiarativa. Forme di memoria non dichiarativa ed emotiva, sono supportate dall'amigdala, dallo striato e dal cervelletto. (illustrazione tratta da Brain Facts, Society for Neuroscience)

LA RICERCA IN NEUROSCIENZE

7) il sistema nervoso viene studiato a vari livelli a. Neuroscienze molecolari, studiano il cervello a livello chimico elementare. b. Neuroscienze cellulari, hanno come bersaglio le cellule nervose e il loro comportamento. c. Neuroscienze dei sistemi, si occupano delle costellazioni di neuroni che formano circuiti preposti a funzioni semplici quali la visione o il movimento volontario. d. Neuroscienze comportamentali, esaminano le funzioni integrate come percezione o coordinazione. e. Neuroscienze cognitive, hanno lo scopo di capire come il cervello crea la mente. 8) le tecniche di neuroimaging Il Neuroimaging funzionale è l’utilizzo di tecnologie in grado di misurare il metabolismo e l'anatomia cerebrale, al fine di analizzare e studiare la relazione tra l’attività di determinate aree cerebrali e specifiche funzioni cerebrali. È uno strumento di primaria importanza nelle neuroscienze cognitive. Le tecniche più usate sono: PET (tomografia a emissione di positroni): una soluzione radioattiva contenente atomi che emettono positroni viene introdotta nel torrente circolatorio. I positroni, emessi ovunque arrivi il sangue, interagiscono con gli elettroni e producono fotoni di radiazione elettromagnetica. La posizione degli atomi che emettono positroni viene rilevata da sensori che raccolgono i fotoni. I neuroni che sono attivi hanno bisogno di più ossigeno e più glucosio; i vasi rispondono all’attività neuronale facendo affluire una maggior quantità di sangue alle regioni attive. E’ sufficiente osservare dove è presente un numero più alto di atomi che emettono positroni per sapere quali sono le zone più irrorate, cioè più attive.

RMN (risonanza magnetica nucleare): Consente di visualizzare sezioni cerebrali in qualsiasi direzione. In pratica, si fa passare un segnale radio attraverso la testa; quando il segnale è della frequenza giusta il protone del nucleo di ciascun atomo di idrogeno in stato di bassa energia entra in risonanza e salta allo stato di alta energia. Cessato il segnale, alcuni protoni tornano allo stato di bassa energia emettendo a propria volta un segnale radio. Più il segnale è forte, maggiore è il numero degli atomi di idrogeno. Vengono fatte numerose misurazioni variando l’angolazione e il campo magnetico in modo da mappare tutto il cervello. Ogni molecola d’acqua ha due atomi di idrogeno, il cervello è composto in massima parte di acqua quindi, potendo identificare la posizione delle molecole d’acqua, si può ricostruire la forma del tessuto cerebrale. Con questa tecnica si creano immagini con una risoluzione spaziale di circa 3 mm³ . L’emoglobina del sangue ossigenato ha risonanza magnetica diversa da quella che ha donato il suo ossigeno; i tessuti più attivi richiedono più ossigeno quindi, individuando dove lo scarto tra emoglobina ossigenata ed emoglobina de-ossigenata sia maggiore, si trovano le zone maggiormente attive.

LINKS http://www.oliverio.it/ao/didattica/Cervello.htm/cervello%20indice.htm

APPROFONDIMENTO SUI NEURONI Due tipi di cellule sono presenti nel sistema nervoso: neuroni e glia. Le cellule costituenti il cervello umano sono al 90% glia. Questo dato potrebbe indurci a ritenere che siano esse a determinare le funzioni mentali. Invece l’istologia ha ampiamente dimostrato come il ruolo gliale sia quello di supportare strutturalmente e di nutrire il restante 10% delle cellule nervose: i neuroni (C.Umiltà, 1995, pp.25-28; M.Bear, B.Connors, M.Paradiso, 2001, pp.27-31). Proprio nella specificità di questi ultimi si intuisce la radice dell’intelligenza; sono infatti i neuroni a rilevare cambiamenti ambientali e a disporre il comportamento di risposta. Il neurone è composto dal soma, dai dendriti e dall’assone. Esistono vari tipi di neuroni, non è necessario addentrarci nelle differenze, quindi mi limiterò a descrivere le caratteristiche comuni ad ogni neurone. Cominciamo dal soma: è la parte centrale, il corpo cellulare, di forma approssimativamente sferica, con diametro medio di circa 20 μm. Delimitato dalla membrana neuronale, al suo interno si trovano gli stessi organuli che si possono trovare in qualsiasi altra cellula e il citosol, una soluzione ricca di potassio e di sodio. Una particolare attenzione va dedicata alla membrana neuronale. Si tratta di una barriera dello spessore di circa 5 μm che divide il neurone dall’ambiente esterno. Non solo il soma, ma ciascuna delle parti del neurone è delimitata e protetta dalla membrana neuronale; tale membrana è costellata di proteine, alcune delle quali filtrano sostanze dall’interno verso l’esterno: altre formano dei pori che regolano quali sostanze possono aver accesso alla cellula. Caratteristica importante dei neuroni è che la composizione proteica della membrana cambia a seconda che delimiti il soma, l’assone, i dendriti. La capacità di inviare e ricevere segnali chimici ed elettrici, tipica dei neuroni, è resa possibile dalle peculiari caratteristiche della membrana (C.Umiltà, 1995, pp.29-30; M.Bear, B.Connors, M.Paradiso, 2001,pp. 32-33). Se detti segnali non fossero inviabili, non sarebbe possibile un’attività neuronale concertata. Senza quest’ultima non esisterebbero le normali funzioni cerebrali e l’organismo morirebbe. A differenza del soma, l’assone e i dendriti sono strutture rintracciabili esclusivamente nelle cellule neuronali. L’assone assolve la funzione di trasmettitore di segnali verso altri neuroni. E’ un filamento sottile e lunghissimo, da 1 mm a 1 m, che si diparte dal soma. Anche i dendriti originano dal soma; mentre l’assone è uno solo, essi sono numerosi e molto più corti. Il loro ruolo è ricevere i segnali inviati tramite gli assoni (C.Umiltà, 1995, p.31; M.Bear, B.Connors, M.Paradiso, 2001, pp.36-39). I punti in cui avviene il contatto tra assoni e dendriti sono definiti sinapsi. Osservando una sinapsi si noterà il bottone sinaptico, rigonfiamento presente sull’assone, e i recettori, molecole di proteine disposte sulla membrana del dendrite. La membrana del bottone sinaptico è densamente coperta di proteine, al suo interno sono inoltre presenti delle piccole cavità dette vescicole sinaptiche. A questo punto entra in gioco il potenziale d’azione o impulso nervoso. Si tratta di una corrente elettrica propagantesi attraverso l’assone e avente origine nella depolarizzazione della membrana, causata a sua volta dall’assorbimento di ioni positivi, per la maggior parte di sodio e di potassio. L’impulso attiva lo scambio tra assone e dendrite: giunto al bottone sinaptico determina il rilascio del contenuto delle vescicole sinaptiche all’esterno della membrana; tale contenuto è definito neurotrasmettitore ed è accolto dai recettori che portano la membrana dendritica a depolarizzarsi e a continuare il ciclo (C.Umiltà, 1995, pp.4445, 50-53; M.Bear, B.Connors, M.Paradiso, 2001, pp.109-113, 117-118). Il sistema nervoso umano contiene un numero sterminato di neuroni: nella corteccia, costituita dagli strati esterni del cervello e responsabile delle funzioni mentali superiori come linguaggio e

memoria, ce ne sono circa dieci miliardi, e formano un numero altissimo di connessioni sinaptiche, “se le si contasse, una connessione al secondo, si finirebbe dopo circa trentadue milioni di anni” (G.Edelman, 1992, p.38). Se si considerano gli svariati modi in cui esse si possono combinare, si arriva ad un numero difficilmente concepibile, dell’ordine di 10 elevato a qualche milione. A quanto detto si aggiunga che non tutte le cellule neurali hanno sede nella corteccia cerebrale; un gran numero è presente nella corteccia cerebellare, nella materia grigia del midollo spinale, nei numerosi nuclei subcorticali ed in altri aggregati del tronco encefalico. Caratteristica dei neuroni è quella di disporsi in reti: in pratica, gruppi di neuroni sono connessi tra loro più densamente di quanto non lo siano con gli altri. Quando un neurone viene attivato propaga l’impulso nervoso alla propria rete, da qui ad altre reti. Ogni impulso seguirà un proprio percorso, generandone altri che proseguiranno per altri percorsi, convergenti e divergenti tra loro, fino ad attivare una vasta area di cervello e, spesso, più di una. All’attivazione di una specifica area cerebrale corrisponde un determinato movimento, all’attivazione di un’altra area una certa sensazione e via dicendo. I percorsi non sono casuali, sono selezionati attraverso l’uso, rafforzati dalla frequenza con cui vengono seguiti; esistono inoltre dei meccanismi in grado di rallentare chimicamente le sinapsi di percorsi implicati in comportamenti infruttuosi. Quindi si formano delle vere e proprie mappe neurali costituite da vie privilegiate attraverso cui scorrono gli impulsi nervosi. E’ lecito concludere che il comportamento umano dipenda da quei percorsi: le nostre mappe sono le nostre capacità e disposizioni.