Introduzione allo studio delle Neuroscienze: oggetto, storia e metodi

Introduzione allo studio delle Neuroscienze

L'oggetto delle Neuroscienze

Questo corso di Psicologia e Neuroscienze ha come oggetto lo studio delle basi anatomiche e funzionali del nostro cervello. Le Neuroscienze sono un insieme di discipline (fisica, anatomia, biologia molecolare, genetica, neuropsicologia, ecc.) che studiano l'organizzazione e il funzionamento del sistema nervoso. Ha due duplici obiettivi: · spiegare il comportamento umano ed i processi mentali attraverso i quali impariamo, agiamo e ricordiamo; · indagare gli effetti diretti e indiretti delle disfunzioni cerebrali per mettere a punto trattamenti nuovi ed efficaci. Alcuni studiosi hanno suggerito che le neuroscienze cognitive forniscano un approccio "dal particolare al generale" per investigare la mente. Procedono, infatti, per livelli di indagine a complessità crescente:

1. livello molecolare: neurotrasmettitori, neuromodulatori;
2. livello cellulare: cellule neuronali e come queste interagiscono tra loro;
3. livello dei sistemi: insiemi di circuiti neurali e delle vie cerebrali;
4. livello comportamentale: analisi dei sistemi neuronali che spiegano il comportamento orientato dell'individuo;
5. livello cognitivo: responsabile delle funzioni cognitive più elevate come la coscienza, il linguaggio, la memoria, il comportamento sociale e così via.

Le origini delle Neuroscienze: cenni storici

L'uomo è sempre stato curioso ed interessato alla conoscenza della mente. Già i nostri antenati preistorici si resero conto che il cervello è "cruciale" per la vita. Alcuni ritrovamenti di circa 7.000 anni fa sono testimonianza di un procedimento chiamato "trapanazione" ossia una sorta di operazione chirurgica in cui si praticavano dei fori nel cranio quando il soggetto era ancora vivo con l'intento non di uccidere la persona ma di curarla, come mostrato dai segni di guarigione trovati sul cranio. I primi a mettere per iscritto che un danno cerebrale provocasse dei sintomi furono i medici dell'antico Egitto. Il ritrovamento di papiri, risalenti almeno a 5.000 anni fa, rappresenta il primo testo della storia dove sia documentata la parola "cervello". All'interno della medicina Romana, Galeno aveva fornito una buona descrizione dell'anatomia del sistema nervoso. Nei suoi studi sulle pecore, aveva dedotto la funzione dell'encefalo e del cervelletto sulla base della loro struttura: l'encefalo, avendo la consistenza più tenera, era la sede delle sensazioni e della memoria; il cervelletto, con una consistenza più dura, comandava i muscoli. Tra l'altro Galeno, in accordo con la concezione ippocratica dell'epoca relativa ai quattro fluidi o umori, aveva mostrato che il cervello contiene i ventricoli.Il corpo funzionava grazie al bilanciamento dei fluidi che si spostavano da o verso i ventricoli del cervello tramite i nervi, che si riteneva fossero dei tubi vuoti, come vasi sanguigni. Il primo tentativo di trovare una corrispondenza tra funzione e aree cerebrali è stato ad opera della Frenologia all'inizio dell'800. Il fondatore di questa dottrina fu Joseph Gall, secondo cui:

• il cervello era l'organo della mente;
• ogni facoltà mentale ha una sua sede cerebrale specifica; le differenze nei tratti di personalità si manifestano nella diversità della dimen- sione della corteccia in "pretuberanze o rigonfiamenti": più quel tratto era sviluppato, maggiore era il rigonfiamento.

Le teorie di Gall furono osteggiate e non ritenute affidabili. Tuttavia, anche se è vero che alcune funzioni sottendono specifiche aree celebrali, queste non modificano la configurazione del cranio e, come poi si è dimostrato, la relazione regione-funzione non sempre è diretta: sono molte le regioni celebrali che possono contribuire ad uno stesso comportamento e/o funzione cognitiva! Si deve agli studi dell'italiano Camillo Golgi, istologo dell'Università di Pavia, la scoperta della struttura reticolare del cervello come reti di neuroni. Lo studioso aveva sviluppato una tecnica di impregnazione cellulare con nitrato d'argento chiamata "reazione nera", con la quale poteva colorare selettivamente le fibre nervose. Tuttavia non era riuscito ad individuare una soluzione di continuità fra i neuroni tanto che aveva ipotizzato che questi fossero fusi tra loro. Questa ipotesi venne poi smentita dallo spagnolo Santiago Ramon y Cajal, il quale riuscì ad individuare le singole componenti della cellula neuronale e comprese che le modalità di connessione tra i neuroni non avvenivano per continuità ma per contatto, attraverso cui avveniva la trasmissione dei segnali di natura elettrica. Nel 1906 i due scienziati furono insigniti del premio Nobel per i loro studi. Nel 1909 il neurologo tedesco Brodmann, individuò 52 aree cerebrali, distinte secondo la citoarchitettura delle cellule ossia la loro tipologia e disposizione nel tessuto nervoso. Ancor oggi il sistema di organizzazione della corteccia cerebrale di Brodmann è il più conosciuto e citato. Le ricerche successive hanno ampliato sempre più le conoscenze sull'anatomia e funzionamento del cervello grazie agli studi di lesione e all'avvento delle tecniche di neuroimmagine. Le Neuroscienze sono nate ufficialmente negli USA nel 1971 con la Society for Neuroscience e in Italia nel 1983 con la nascita della Società Italiana per le Neuroscienze.

Nascita e sviluppo del sistema nervoso

La nascita del Sistema Nervoso ha inizio già nella vita uterina. Dopo la fecondazione, una sequenza di eventi divisionali porta alla formazione della blastula pluricellulare. La blastula contiene tre tipi principali di cellule, che dopo pochi giorni formano tre strati:

1. ectoderma: strato più esterno da cui si sviluppera il sistema nervoso, l'epidermide, il cristallino dell'occhio e l'orecchio interno;
2. mesoderma: strato intermedio da cui si svilupperà il sistema scheletrico e i muscoli volontari:

3) endoderma: strato interno da cui si svilupperanno i rivestimenti interni delle vie respiratorie e digerenti. Il processo di formazione che va dalla blastula al tubo neuronale si chiama neurolazione. Intorno alla terza sett. di gestazione, lo strato dell'ectoderma subisce un ispessimento cellulare formando la placca neuronale, una superficie piatta dove sono localizzate le prime cellule nervose. Le estremità laterali della placca, chiamate pliche neurali, si spingono verso l'alto, si uniscono e formano il tubo neurale che corre lungo tutto l'embrione. La chiusura del tubo neurale inizia nella parte centrale (futura regione del collo) per poi proseguire verso le due estremità. Il primitivo tubo neurale costituisce l'abbozzo del SNC (Sistema Nervoso Centrale) da cui possiamo distinguere due regioni: neuroporo anteriore da cui originerà l'encefalo e neuroporo posteriore da cui si svilupperà il midollo spinale. È importante che questi due si chiudano poiché la mancata chiusura del n. anteriore può provocare l'anencefalia ossia assenza di una parte rilevante del cervello e del cranio, mentre la mancata chiusura del n. posteriore può provocare la spina bifida ossia la mancata formazione di alcune vertebre. La parte anteriore del tubo è quella che subirà i maggiori cambiamenti. Assistiamo alla formazione di tre vescicole primarie:

• prosencefalo;
• mesencefalo;
• rombencefalo.

Queste tre vescicole si suddividono ulteriormente in 5 vescicole:

• Il proencefalo si suddivide in telencefalo (da cui si svilupperanno gli emisferi cerebrali) e diencefalo (talamo e ipotalamo). Gli emisferi cresceranno più delle altre strutture avvolgendo le regioni sottocorticali;
• Il mesencefalo subirà delle modificazioni più modeste;
• Il romboencefalo si suddividerà in metencefalo (da cui si origineranno Ponte e Cervelletto) e mielencefalo (da cui si originerà il midollo allungato o Bulbo).

La neurogenesi è il processo tramite cui si generano nuovi neuroni. La maggior parte dei neuroni viene generata durante la prima metà della gravidanza a partire da uno strato di cellule progenitrici situate nelle zone proliferative adiacenti ai ventricoli. Da un iniziale divisione simmetrica, dove ad ogni ciclo replicativo il numero di cellule raddoppia, segue una fase di migrazione in cui le cellule neo generate si spostano dalla zona proliferativa alle diverse regioni dell'encefalo, muovendosi lungo l'impalcatura data dalle cellule gliari radiali. Il processo di migrazione va dall'interno verso l'esterno. Una volta raggiunta la destinazione finale, i neuroni generano i prolungamenti nervosi per creare connessioni e circuiti nervosi.

Plasticità cerebrale

Il nostro cervello è plastico ossia cambia si modifica, evolve. Per plasticità cerebrale o neuroplasticità si intende la capacità del cervello di modificare struttura e funzioni in tutte le età della vita in risposta ad eventi fisiologici interni, alle sollecitazioni ambientali e ad aventi patologici. A lungo in realtà si è ritenuto che il nostro cervello fosse rigido ed immutabile, il cosiddetto dogma dell'epigenetica predeterminata, secondo cui le strutture e le funzioni della corteccia dipendessero essenzialmente dei geni e che l'ambiente esterno e le esperienze di apprendimento non esercitassero alcun tipo di influenza sulla struttura dei neuroni o sui suoi circuiti nervosi. Oggi sappiamo che non è così: geni e ambiente interagiscono e si influenzano reciprocamente nel determinare le traiettorie di sviluppo dell'individuo. Nasciamo con un certo patrimonio genetico ma lo sviluppo cognitivo e il comportamento degli esseri umani, indispensabili per l'adattamento dipendono per molta parte dalla capacità di imitare ed elaborare le informazioni esterne, vale a dire dalla trasmissione culturale: è quindi chiaro che gli input ambientali hanno un ruolo cruciale nel plasmare il cervello umano. Rosenzweig e coll., negli anni '60, hanno condotto degli studi sull'effetto dell'ambiente arricchito sui ratti. Utilizzarono tre condizioni sperimentali:

• A. Condizione standard con cibo e acqua;
• B. Ambiente impoverito con l'animale da solo e con acqua;
• C. Ambiente arricchito con più ratti, con altri oggetti oltreché cibo e acqua.

I topi nella condizione C dimostrarono un'aumentata attività colinergica, un aumento del peso del cervello e un aumento del numero di cellule della glia e delle ramificazioni neuronali. Questo studio ha dimostrato che ambiente arricchito può influenzare le variazioni funzionali e biologiche del SNC e rivelare la presenza di plasticità cerebrale, esibita tramite l'emissione di comportamenti diversi. La plasticità del SNC è attribuibile ad almeno 3 tipi di meccanismi:

1. modificabilità della trasmissione sinaptica, ossia relativi alla quantità di neurotrasmettitore liberato o a cambiamenti morfologici degli elementi pre e post sinapstici;
2. sprouting, ossia la nascita di nuove sinapsi in risposta all' apprendimento continuo e alle nuove conoscenze. è vero, tuttavia, anche il contrario ossia le sinapsi che non sono più utilizzate si indeboliscono e vengono eliminate (pruning);
3. neurogenesi, ossia la capacità del cervello di generare nuovi neuroni. Sono soprattutto alcune aree cerebrali, quali il giro dentato dell'ippocampo, ad essere candidate allo sviluppo di nuovi neuroni nel corso della vita. Dato che l'ippocampo è strettamente correlato a funzioni fondamentali, quali l'apprendimento e la memoria, ha aperto la strada a innumerevoli studi nell'ambito della riabilitazione negli individui con lesione cerebrale e/o malattie neurodegenerative.

Uno degli aspetti più studiati della plasticità del sistema nervoso centrale riguarda le mappe sensoriali e motorie, cioè quelle aree della corteccia cerebrale dove esiste un'organizzazione topografica della superficie del corpo. La mappa cerebrale più conosciuta è l'homunculus sviluppato da Penfied nel XX sec. Si trata di una rappresentazione del corpo umano in maiera distorta con mano e lingua molto grandi, tronco e arti più piccoli. Le dimensioni sono alterate poiché dipende dall'ampiezza del tessuto cerebrale dedicato e dalla maggiore o minore innervazione .. L'homunculus si divide in: Homunculus sensitivo e homunculus motorio. L'homunculus sensitivo riguarda l'organizzazione somatotopica delle afferenze somato sensoriali indispensabile per il riconoscimento tattile degli oggetti. anatomicamente sarebbe situato nel lobo parietale. le aree sono tanto più grandi quanto maggiore è la loro importanza ai fini della percezione sensoriale. ecco perché la mano è rappresentata in maniera più grande rispetto al piede pochè ha una maggiore sensibilità nel riconoscimento sensoriale oltreche è utilizzata maggiormente per esplorare l'ambiente. L'homunculus motorio, invece, risiederebbe nell'area motoria primaria. È una mappa che riproduce lo schema corporeo dell'uomo, con una regola simile a quella dell'homunculus sensoriale: maggiore è la dimensione della parte del corpo raffigurata, maggiore è la relativa precisione e finezza di movimento.