Appunti di Psicobiologia e psicologia fisiologica: teorie e metodi

La psicobiologia

La psicobiologia è una branca delle neuroscienze comportamentali che studia le basi biologiche del comportamento; studia il rapporto tra cervello e comportamento, ossia le attività manifeste dell’organismo e dei processi interiori che ne costituiscono il fondamento. È una disciplina integrata (neuroanatomia, neurochimica ecc.) che studia il funzionamento del cervello e del comportamento.

Ricerca scientifica in psicobiologia

Nella ricerca scientifica si utilizzano soggetti diversi, che però hanno delle caratteristiche in comune con l’uomo (topi) e vi sono 3 tipi di ricerca scientifica:

• La sperimentazione formale (pura o applicata) dove vi sono variabili dipendenti, indipendenti e confondenti (variabile che non si è riusciti a prendere in considerazione). Con le variabili dipendenti e indipendenti si vuole studiare la relazione causa-effetto. La ricerca pura si occupa della comprensione dei processi cognitivi, circuiti cerebrali, meccanismi cerebrali e genetici. La ricerca applicata si occupa di apportare benefici diretti al genere umano sulla base di informazioni ottenute dalla ricerca pura.
• Lo studio quasi sperimentale in cui non vengono manipolati i soggetti, ma scelgo soggetti che già hanno quella variabile indipendente (es. studio sui fumatori, non posso costringere la gente a fumare).
• Il singolo caso per cui il singolo problema non si può generalizzare, ma deve essere riscontrato in un buon numero di soggetti.

Il sistema nervoso

Il sistema nervoso è tutto ciò che siamo in grado di fare e di pensare e a esso dobbiamo la nostra capacità di immaginare, di ricordare, di provare emozioni; si tratta di un vero e proprio “computer di bordo”. Esso interviene con meccanismi automatici, indipendenti dalla nostra volontà, nel controllo delle funzioni vitali. Esso permette di regolare il nostro comportamento volontario e di mettere in atto tutte quelle funzioni vitali che noi non controlliamo in maniera autonoma (respirazione, battito cardiaco dette anche funzioni vegetative). Queste due classi di comportamento, volontario e involontario, sono regolate in maniera diversa.

Il ruolo del sistema nervoso è quello di ricevere informazioni dall’ambiente esterno e interno, integrare le informazioni che ci arrivano e di mettere in atto delle risposte in relazione allo stimolo arrivato. Es. nell’informazione visiva, l’informazione arriva dal nostro campo visivo (la periferia), viene trasmessa al centro, elaborata, integrata e in risposta a questo stimolo visivo mettiamo in atto un comportamento. Tutto ciò è possibile grazie al lavoro congiunto del SNC e del SNP. L’obiettivo quindi è:

• Monitorare l’ambiente interno ed esterno del corpo
• Integrare ed elaborare le informazioni
• Organizzare comportamenti e risposte

È importante l’elaborazione di una risposta appropriata perché in caso contrario ci sarebbe l’estinzione dell’umanità, ci permette quindi la sopravvivenza.

Sistema nervoso centrale e periferico

Il sistema nervoso si divide in: sistema nervoso centrale e sistema nervoso periferico. Il sistema nervoso autonomo (SNP) ci permette di monitorare e rispondere in maniera adeguata all'ambiente interno. Il sistema simpatico (o ortosimpatico) è quella parte del sistema nervoso autonomo che entra in gioco in maniera rilevante ogni volta che siamo sottoposti a delle situazioni di allerta e nelle situazioni attacco-fuga. Il sistema parasimpatico svolge la funzione opposta. Il sistema nervoso somatico ci permette l’elaborazione dell’informazione proveniente dall’ambiente esterno. Il sensoriale-afferente è un’informazione che viaggia dalla periferia al centro (dall’occhio al cervello), mentre il motorio-efferente è un’informazione che viaggia dal centro alla periferia.

Il sistema nervoso centrale

È la porzione di SN contenuto nella scatola cranica e nella colonna vertebrale, ed è costituito dall’encefalo (contenuto nella scatola cranica) e dal midollo spinale (contenuto nella colonna vertebrale, che può essere considerato il prolungamento dell'encefalo). È la sede della ricezione delle informazioni dell’ambiente, dell'elaborazione, della trasmissione delle informazioni e della messa in atto della risposta appropriata, che può essere volontaria o involontaria. L’encefalo è contenuto all’interno della scatola cranica, è composto da neuroni, cellule gliali e altre cellule di sostegno. È dotato di una serie di meccanismi di protezione: la scatola cranica, galleggia nel liquido cerebro-spinale (o liquor) ed è vascolarizzato dal sistema sanguigno.

L’encefalo e il cervello presentano una differenza anatomica: il cervello è parte dell’encefalo. Infatti, l’encefalo è costituito dal cervello (Prosencefalo: diviso in telencefalo e diencefalo), tronco encefalico (le cui parti sono mesencefalo, ponte e bulbo) e cervelletto. Il midollo spinale è una lunga struttura conica che parte alla base dell’encefalo, e anch’esso è dotato di una serie di meccanismi di protezione (la colonna vertebrale). Esso passa attraverso un foro presente in ogni vertebra della colonna e si estende caudalmente (verso il basso, coda) all’encefalo.

Il sistema nervoso periferico

È la porzione di SN NON contenuta nella scatola cranica e nella colonna vertebrale, è costituito dall’insieme di nervi cranici e gangli (raggruppamenti dei corpi cellulari dei neuroni) che collegano il SNC alla periferia del corpo ed è importante per le informazioni afferenti ed efferenti.

I meccanismi di protezione del SNC

Il SNC è estremamente importante e delicato e per questo è protetto da:

• Ossa: scatola cranica e colonna vertebrale
• Membrane
• Fluido cerebrospinale
• Barriera ematoencefalica

Le membrane sono le meningi che dall’esterno all’interno sono:

• Dura madre, è la meninge più esterna, lo strato più spesso, resistente, flessibile ma non allungabile (privo di elasticità).
• Membrana aracnoidea, è la meninge intermedia; È costituita da uno strato soffice e spugnoso posto sotto la dura madre.
• Pia madre, è la meninge più interna; È una sottile membrana strettamente attaccata al cervello e al midollo spinale; Contiene un sottile strato di vasi sanguigni cerebrali e del midollo spinale.

Normalmente non c’è nessuno spazio tra la dura madre e la membrana aracnoidea, ma se i vasi sanguigni che attraversano la dura madre si rompono, si viene a creare un ematoma subdurale; tale disturbo viene trattato praticando un foro nel cranio e drenando il sangue. Tra la Membrana Aracnoidea e la Pia Madre c'è uno spazio chiamato Spazio Subaracnoideo che contiene un liquido detto Liquor Cerebrospinale (LCS o fluido cerebrospinale). Il Liquor riempie lo spazio subaracnoideo, il canale centrale del Midollo (un piccolo canale che decorre centralmente per l’intera lunghezza del Midollo) e i ventricoli dell’Encefalo (4 ampie camere interne dell’encefalo). Il LCS agisce da ammortizzatore (oltre che da sostegno) riducendo i traumi che possono essere causati al SNC.

Il sistema ventricolare

I Ventricoli sono:

• Cavità interne comunicanti, interconnesse, localizzate anche all’interno dell’encefalo
• Contengono LCS
• In tutto sono quattro: i più grandi sono i due ventricoli laterali (primo e secondo ventricolo); questi sono entrambi connessi al terzo ventricolo che è localizzato nella linea mediana del cervello; questo a sua volta è collegato al quarto ventricolo dall’acquedotto cerebrale (o di Silvio).

Il liquor cerebrospinale

Il LCS è prodotto da uno speciale tessuto altamente vascolarizzato chiamato Plesso Coroideo (rete di capillari o piccoli vasi sanguigni che protrudono dalla Pia madre nei ventricoli). Dai ventricoli laterali il LCS defluisce al terzo ventricolo. Dal terzo ventricolo raggiunge il quarto ventricolo, attraverso l’acquedotto cerebrale, e il canale centrale del midollo. Attraverso piccoli fori viene poi immesso nello spazio subaracnoideo e riassorbito dai vasi sanguigni in strutture specializzate, chiamate villi aracnoidei, che decorrono nello spessore della dura madre. In questo modo circola intorno a tutto il sistema nervoso centrale. Se il flusso è ostruito, ad esempio nel caso di un tumore a livello cerebrale o a causa di una malformazione, la continua produzione di LCS che non può defluire provoca un’elevata pressione nei ventricoli che aumentano di volume creando una situazione nota come Idrocefalo Ostruttivo. Il LCS viene riciclato continuamente e poi riassorbito attraverso un ciclo continuo, fornisce un ricambio continuo di sostanze nutritive e porta via i prodotti di scarto.

Al LCS sono attribuite due funzioni principali:

• Ammortizzatore per le sollecitazioni meccaniche legate alle variazioni di movimento e di posizione del capo nello spazio.
• Contribuisce a mantenere l’omeostasi cerebrale. Il LCS rifornisce di nutrienti i neuroni dell'encefalo e del midollo spinale e allontana i prodotti di rifiuto del loro catabolismo.

La barriera ematoencefalica

È un meccanismo protettivo che permette il mantenimento dell’omeostasi chimico-fisica del SNC. Il SNC è estremamente sensibile all’ambiente circostante e deve essere accuratamente protetto sia da variazioni del suo ambiente ionico, sia da molecole potenzialmente tossiche presenti nel sangue. Essa mantiene un ambiente costante necessario al controllo e al funzionamento dei neuroni. Impedisce a sostanze nocive di passare dalla circolazione ematica al cervello, è una sorta di filtro biologico (il suo trasporto è selettivo) e permette il passaggio di sostanze utili alle cellule neurali. Es. se prendiamo dei farmaci per via sistemica che contengono sostanze che possono avere effetti negativi sull’equilibrio del cervello, la barriera impedisce a queste sostanze di attraversare il cervello e farlo agire solo a livello periferico. Alcune sostanze, come nicotina e alcool possono attraversare la BEE. Si tratta di una membrana selettiva, piuttosto che assoluta: alcuni nutrienti (es. il glucosio) e alcuni aminoacidi essenziali per la sopravvivenza attraversano facilmente la barriera. È costituita dalle cellule endoteliali dei capillari e dagli astrociti. Le cellule endoteliali dei capillari del SNC sono strettamente coese tra loro tramite giunzioni serrate (strette). Gli astrociti circondano le cellule endoteliali rafforzando questa barriera protettiva. Giunzioni simili tra i capillari non esistono in nessuna altra parte del corpo.

L’attraversamento della barriera ematoencefalica può avvenire in tre modi:

• Diffusione passiva: acqua, ossigeno e sostanze liposolubili (etanolo, nicotina e caffeina)
• Trasporto mediato da trasportatori: le sostanze di cui il SNC necessita (glucosio e alcuni aminoacidi) utilizzano proteine di trasporto (carrier)
• Mediato da recettori: alcune sostanze (es. alcune proteine, insulina) si legano a un recettore sulla superficie e vengono rilasciate sul lato opposto

Coordinate anatomiche

Sono coordinate spaziali che ci permettono di poter localizzare una struttura all’interno del Sistema Nervoso:

• Anteriore (verso la bocca)
• Posteriore (verso la coda) o Rostrale
• Caudale
• Dorsale (verso il dorso)
• Ventrale (verso il ventre)
• Mediale (verso il centro del corpo)
• Laterale (verso il lato del corpo)
• Ipsilaterale (localizzato nello stesso lato del corpo)
• Controlaterale (localizzato nel lato opposto del corpo)

Nel sistema nervoso dei vertebrati, gli orientamenti delle varie strutture vengono descritti in relazione all’orientamento del midollo spinale. Nell’uomo questo sistema a 3 assi è modificato a causa di variazioni nell’orientamento degli emisferi cerebrali in relazione all’orientamento della colonna vertebrale.

Piani di sezione: Possiamo dividere il Sistema Nervoso secondo tre piani:

• Frontale (o coronale; sezione perpendicolare al suolo)
• Orizzontale (sezione parallela al suolo)
• Sagittale (una sezione sagittale mediana è una sezione ottenuta secondo un piano passante per il centro del cervello e compreso tra i 2 emisferi)

Una sezione eseguita perpendicolarmente rispetto a qualsiasi struttura stretta e lunga, come il midollo spinale, è chiamata sezione trasversale.

L'encefalo

Parte del SNC, è suddiviso in moltissime regioni cerebrali specifiche. Esistono molti modi per classificare o suddividere le varie regioni dell’encefalo, la più comune è quella che fa riferimento allo sviluppo embrionale, quindi alla formazione dell’encefalo durante la vita prenatale. Dal momento della formazione di quelli che sono gli antecedenti dell’encefalo fino al momento della nascita (a partire dai 25 giorni fino ai 9 mesi):

La prima suddivisione è tra 3 grandi vescicole (precursori del cervello maturo): Proencefalo, Mesencefalo e Rombencefalo. Proencefalo, Mesencefalo e Rombencefalo man mano che si sviluppano si differenziano andando incontro a una specializzazione e si suddividono in più regioni che assumono compiti specifici. Il proencefalo si suddivide in Telencefalo e Diencefalo. Il Mesencefalo resta Mesencefalo. Il Rombencefalo si suddivide in Metencefalo e Mielencefalo (midollo allungato). Nei mammiferi si ha un enorme sviluppo del prosencefalo, che è la parte rostrale dell’encefalo. Nel cervello vi è un’interazione stretta tra aree corticali e sottocorticali.

Il Prosencefalo è suddiviso in:

• Telencefalo: contiene la corteccia cerebrale, i gangli della base e il sistema limbico. Occupa l’80% del volume dell’encefalo umano. Avvolge i ventricoli laterali.
• Diencefalo: si differenzia in Talamo e Ipotalamo. Avvolge il 3° ventricolo.

Il telencefalo

Il Telencefalo media le funzioni cerebrali più complesse: inizia i movimenti volontari, interpreta gli input sensoriali e media i processi cognitivi complessi e superiori (memoria, apprendimento, linguaggio...). I 2 emisferi comunicano tra loro attraverso una serie di tratti (commessure cerebrali); il più grande di questi è il corpo calloso: un grande fascio di assoni che connette parti corrispondenti dei 2 emisferi. Ha una colorazione bianca poiché mielinizzato.

Ogni emisfero è diviso in 4 lobi e ognuno di essi svolge funzioni differenti:

• Il lobo frontale è associato all'ideazione, alla progettazione e all’azione; è implicato nelle funzioni motorie e in quelle cognitive complesse. Al suo interno la parte più rostrale è importante perché è costituita dalla corteccia prefrontale.
• Il lobo parietale è implicato, nella sensibilità tattile e nella percezione della posizione degli oggetti e del corpo nello spazio. Costituita dalla corteccia somatosensoriale.
• Il lobo temporale è coinvolto nell’elaborazione delle emozioni, nel linguaggio, nei processi di memoria; comprende la corteccia uditiva.
• Nel lobo occipitale è situata la corteccia visiva.

Ogni emisfero è ricoperto dalla corteccia cerebrale. La corteccia cerebrale si occupa delle funzioni cognitive più complesse; coinvolgono interazioni complesse tra aree diverse della corteccia e tra la corteccia e altre aree del cervello; comprendono l’analisi delle informazioni coscienti, memoria, funzioni esecutive. La corteccia si occupa in particolare dell’elaborazione finale delle informazioni. Es. l’informazione visiva viene elaborata attraverso degli step successivi: parte dalla periferia (occhio), viene inviata a strutture sottocorticali (talamo) e l’informazione parzialmente elaborata nel sottocorticale arriva alla corteccia visiva primaria, dove avviene l’ultimo processo di elaborazione che permette la visione.

La corteccia cerebrale è caratterizzata da numerosi ripiegamenti che danno vita a:

• Scissure: pieghe profonde
• Solchi: pieghe più piccole
• Giri: rilievi tra scissure e solchi

I 2 principali punti di riferimento sulla corteccia cerebrale di ciascun emisfero sono:

1. Scissura Centrale: separa il lobo Frontale da quello Parietale
2. Scissura Laterale: separa il lobo Frontale da quello Temporale

La corteccia cerebrale è composta dalle cellule gliali, corpi cellulari, assoni e dendriti di neuroni che si connettono tra loro. In corteccia prevalgono i corpi cellulari che le conferiscono un colore grigiastro; per questo viene anche chiamata materia grigia. Sotto la corteccia prevalgono gli assoni che sono ricoperti di mielina di colore biancastro, per questo si parla di sostanza bianca. Esternamente l’encefalo è rivestito da uno strato di sostanza grigia, costituita prevalentemente dai corpi cellulari dei neuroni. Tale strato, detto corteccia cerebrale, ha uno spessore variabile tra 1,5 e 4 mm e contiene circa 10 miliardi di neuroni, oltre a numerose cellule gliali. Nei mammiferi meno evoluti la corteccia è quasi liscia, mentre raggiunge il massimo sviluppo nell’uomo, consentendo così di aumentarne la superficie. Sotto la sostanza grigia è presente la sostanza bianca, costituita prevalentemente dagli assoni dei neuroni. Nel midollo spinale la sostanza grigia è invece situata all’interno e assume una tipica forma a farfalla (detta H grigia), ed è circondata all’esterno da una serie di fasci di fibre nervose che nell’insieme costituiscono la sostanza bianca.

La nostra corteccia cerebrale non ha una superficie piana, ma è ripiegata perché aumenta la superficie facendo entrare una quantità maggiore di materiale. I mammiferi hanno una corteccia cerebrale più estesa e complessa di qualsiasi altro vertebrato. L’uomo ha, rispetto alle dimensioni del corpo, l’area superficiale encefalica più estesa di tutti gli altri animali. Questa differenza quantitativa è dovuta al fatto che circa il 90% della corteccia cerebrale dell’uomo è costituita da Neocorteccia, la porzione di corteccia cerebrale più recente dal punto di vista evolutivo.