Fondamenti di neuroscienze e sistemi neurali

Fondamenti di neuroscienze e sistemi neurali

1° lezione 25/02/26

Le neuroscienze è una disciplina recente, ma con origini molto antiche (studio del cervello). Molti sono gli interrogativi ancora aperti, campo in rapido sviluppo.

Ha un approccio multidisciplinare (medicina, biologia, psicologia?, fisica, chimica, matematica, filosofia, …).

Bisogna tenere conto dell'evoluzione per lo sviluppo del nostro cervello, la nascita Terra è avvenuta 4.5 miliardi di anni fa, la vita sulla Terra: 3.8 miliardi di anni fa, il cervello dei primati: 34-23 milioni di anni fa (Oligocene), il cervello grandi scimmie antropomorfe (scimpanzé, bonobo, gorilla, orango) 23-7 milioni di anni fa (Miocene), il nostro antenato comune: 5-7 milioni di anni fa, il cervello dell’Homo sapiens: 300k-100k anni fa (Pleistocene).

Mente e cervello

C’è un acceso dibattito sul collegamento tra mente e cervello, principalmente dal Talete di Mileto.

Monismo in cui la pluralità viene ricondotta a un unico principio: affermava che la molteplicità naturale dipende da una sola sostanza (acqua) → il cervello (materiale) genera la mente, e il Dualismo: materia Cartesio il cui afferma che separata da spirito (mente), il più grande sostenitore è il cervello funziona come una macchina, la mente è immateriale → interazione grazie alla ghiandola pineale (epifisi).

Questo dibattito è stato parzialmente superato dall’Emergentismo, la mente è una proprietà emergente del cervello, questa teoria si basa su modelli matematici e sistemi fisici che generano dinamiche, che non sono spiegabili dalla semplice unione delle loro parti, non possiamo raggiungere la spiegazione complessa riducendo e spiegando problemi più semplici. Questa è anche alla base della teoria del Caos.

Il cervello è un sistema complesso che non possiamo e non potremo prevedere i suoi cambiamenti nel tempo, al tempo stesso però possiamo immaginare che grazie a questa complessità emergono funzioni che non hanno un collegamento diretto con meccanismi specifici del cervello ma emergono da un altro livello più semplice e dall’interazione tra sistemi.

Storia delle neuroscienze

Thomas Willis fu colui che coniò il termine di neurologia e descrisse il funzionamento del cervello con le sue funzioni mentali, fu famoso anche per il caso di Anna Green, condannata a morte per impiccagione. Willis poté desezionare il corpo di questa donna, ma prima di farlo questa donna si svegliò, riuscirono a difenderla e a non farla processare nuovamente, ottennero tanta fama tanto che divenne uno dei luminari dell’epoca.

In realtà i primi studi sulla mente e cervello avvennero nell’antico Egitto, cosa che noi sappiamo da ritrovamenti di geroglifici che descrivono questi processi.

Successivamente venne scritto il Papiro di Edwin Smith (1600 a.C.) il più antico trattato di medicina, i cui vennero descritti il "cervello", circonvoluzioni, meningi, liquor, movimento.

Successivamente ci fu Platone (472 a.C.): anima logica (cervello), irascibile (350 a.C.): anima nel cuore, i(cuore), concupiscibile (visceri); poi Aristotele nervi agiscono come vasi → movimento e percezione; poi (130 Galeno 1 d.C.): «Che le passioni dell’anima seguono i temperamenti dei corpi» → organicismo, farmacologia e vivisezione (maiali), pneuma nei ventricoli: memoria (posteriore), razionalità (centrale), percezione (anteriore); infine Leonardo e Vesalio (1500): anatomia dettagliata con cera.

Localizzazionismo e teorie dei campi aggregati

Una prima forma di localizzazionismo fu con Franz Joseph Gall: facoltà mentali sono prodotte da sottoregioni cerebrali, giusto in parte, ma associava in maniera del tutto casuale alle regione del cervello in base al cranio.

>35 funzioni/regioni: linguaggio, percezione dei colori, affetto, morale, … → localizzazionismo (riduzionismo) ∼ ‘800.

Gall & Spurzheim credevano che le regioni cambiassero con l’utilizzo e la forma del cranio, dando vita alla frenologia, famoso fu Lombroso con il criminale atavico su cui si basa la Personologia anatomica e frenologia (molto popolare al tempo).

Ci furono però anche teorie contrastanti a quest'ultima, come quella di Marie-Jean-Pierre Flourens, con danni cerebrali ai piccioni/conigli (no funzioni superiori e alcuni schemi motori intatti) nel 1824 diede vita alla teoria dei campi aggregati: tutto il cervello concorre a guidare il comportamento, anche se presenta comunque forti limiti.

Altri esempi di localizzazionismo ma decisamente più corretti furono con Marc Dax (Francia, 1836), neurologo: pazienti afasici con lesioni simili dell’emisfero sx, collegò per primo il linguaggio alla regione sinistra del cervello. Anche John Hughlings Jackson (Inghilterra, 1867), che studiò pazienti epilettici, osservava durante una crisi i movimenti degli arti e scoprì che c’era una simile sequenza in tutte le crisi, da qui la Marcia jacskoniana che spiegava l’attività motoria durante una crisi con un'organizzazione topografica della corteccia: spalla, braccio, mano, dita, faccia, che rispettava anche la mappatura dell’homunculus sensomotorio di Wilder Penfield, che si può riorganizzare in base a danni cerebrali.

Bisogna però tenere in considerazione anche alcune cose che questi studiosi non tennero conto:

• Molte regioni concorrono alla stessa funzione
• Localizzazionismo critico

Altri localizzazionisti furono Paul Broca (Parigi 1861) e paziente Tan afasia motoria (non fluente): lesione sifilidica in B (piede della terza circonvoluzione frontale inferiore sx). Poi Carl Wernicke (DE, 1876) afasia fluente: frasi insensate, no comprensione scritta/parlata per lesione Pc (ora giunzione temporo-parietale sx). A = centro sensoriale → danni focali cerebrali causano deficit specifici. Poi con Fritsch & Hitzig (1870): stimolazioni cerebrali nei cani e movimenti specifici; infine con Korbinian Brodmann (1909): citoarchittettura (colorazione di Nissl) e 52 aree, grande lavoro ma a volte alcune zone seguono le stesse funzioni.

Neurofisiologia

Riguardo la neurofisiologa abbiamo Camillo Golgi (colorazione con cromato di argento "reazione nera»; sincizio cellulare).

Santiago Ramón y Cajal (anatomia circuitale; singoli neuroni; propagazione potenziale d’azione).

Jan Evangelista Purkinje (1837; primo tipo neuronale).

Hermann von Helmholtz fu veramente il primo a studiare l’attività elettrica neuronale = mezzo di segnalazioni.

Luigi Galvani (1780, stimolazione nervi rane).

Sir Charles Sherrington (studi agli alboro delle sinapsi).

Sigmund Freud

Sigmund Freud (ricerca in neurologia; "Progetto per una psicologia scientifica", 1895), studiò:

• Caratterizzazione neuroni negli invertebrati, per studiare la mente bisogna necessariamente studiare il cervello
• Neurone unità di trasmissione (// Cajal) percezione/memoria/coscienza
• Studi sull’Afasia (1891)
• Descrizione e definizione dell’agnosia (soprattutto visiva)
• Cocaina come anestetico (chirurgia oculare)
• Metodo di colorazione tessuto nervoso (meno performante di Golgi)

Nel Progetto per una psicologia scientifica (1895) approfondì:

• Energia psichica (interno/esterno)
• Principio di inerzia/costanza
• Neuroni phi (percezione), omega (stati interni), psi (tracce mnestiche)
• Barriere di contatto (sinapsi) e plasticità (Kandel)
• Circuiti mediatori/modulatori

Lui stesso si arrenderà a queste ricerche giustificandosi dicendo che non si erano ancora scoperte importanti funzioni e strumenti per fare questi studi.

Psicologia sperimentale e apprendimento

Franciscus Donders (1868) permise la nascita della psicologia sperimentale col metodo sottrattivo, quindi con tempi di reazione e processi cognitivi (identificazione colore) che la introdusse ancora prima di Wundt, e definito per questo padre della psicologia sperimentale.

Gustav Fechner e Ernst Heinrich Weber

• Psicofisica: da proprietà fisiche degli stimoli a esperienza
• Legge di Weber-Fechner

William James (1842 – 1910)

• Associazionismo, è passato dal razionalismo (necessario il ragionamento per raccogliere informazioni) all’empirismo (necessaria l’esperienza, infatti alla nascita siamo una tabula rasa)
• Formazione e rievocazione memorie
• Associazioni mappate su connessioni cerebrali

Francis Galton (1822 – 1911)

• Distribuzione normale
• Gruppo controllo / sperimentale
• Analisi di correlazione
• Ereditarietà di facoltà e tratti comportamentali
• Eugenetica

Apprendimento e memoria

Hermann Ebbinghaus (1850 – 1909)

• Primo studio quantitative su memoria e oblio
• Esperimenti su se stesso
• Semplici parole inventate non familiari (BAP, KEP, DAK, etc..)
• Apprendimento – ritardo – test – re-apprendimento
• Retention curve (curva dell’oblio)

Ivan Pavlov (1849 – 1936)

• Condizionamento classico e curve di apprendimento
• Nobel (1904) per studi su salivazione e digestione
• Memorie di estinzione
• Trasferimento e generalizzazione di memorie

Edward Thorndike (1874 – 1949)

• Studente di James
• Gatti e scatole (comportamento strumentale)
• Condizionamento strumentale e operante
• Legge dell’effetto (ispirata alla selezione naturale di Darwin)

Comportamentismo

Studio dei comportamenti osservabili vs eventi mentali interni.

John Watson (1878 – 1958)

• Fondatore del comportamentismo

Ratti e labirinti → apprendimento motorio.

Condizionamento alla paura e piccolo Albert.

Clark Hull (1884 – 1952)

• Modelli matematici dell’apprendimento
• Teoria della riduzione della pulsione

Burrhus Frederic Skinner (1904 – 1990)

• Piccioni e condizionamento operante
• Comportamentismo radicale

Edward Tolman (1886 – 1959)

• Neo-comportamentismo
• Ratti e labirinti: focus su ricompensa
• Apprendimento latente e mappe cognitive

Cognitivismo

Wilder Penfield (neurochirurgo), Herbert Jasper e Donald Hebb

• Procedura di Montreal per trattare chirurgicamente epilessia

Stimolazione elettrica in anestesia locale → risposta:

• Comportamentale
• Mappa topografica sensoriale e motoria nella corteccia (50 anni dopo Jackson)
• Teoria di Hebb sulla plasticità (cells that fire together, wire together)

Brenda Milner (allieva Hebb)

• Perdita di memoria dopo chirurgia
• Paziente H.M. anatomia dei sistemi di memoria

George Miller (1920 – 2012)

• Da comportamentista a cognitivista (1956)
• Cervello come elaboratore di informazioni
• Contenuti della mente possono essere studiati

Noam Chomsky (1928)

• Prevedibilità linguaggio e grammatica universale
• Dispositivo innato per l’acquisizione del linguaggio (LAD)

Metodi e tecniche di indagine

Neuroscienze cognitive: i metodi

Psicologia cognitiva: studio dell’attività mentale come problema di processamento dell’informazione.

Funzioni cognitive ci permettono di: comprendere l’informazione, riconoscerla e scegliere una risposta.

Si studiano le rappresentazioni mentali e le trasformazioni ed elaborazioni interne di queste rappresentazioni. → Paradigma di Posner (‘67) con due lettere: vocali, consonanti, o categorie differenti? RT → identità fisica → fonetica → di categoria → non identità.

• Identità: processato in parallelo
• Non identità: processato in serie (più lento)

Priming: riconoscimento facilitato.

• Memoria esplicita (lista di parole → task)
• Memoria implicita (immagine → completare la parola)
• Priming lessicale nei compiti di decisione (immagine serpente → categorizzare la vipera)

Test di Stroop (1935)

• Interferenza tra informazione visiva e lessicale (color naming; verde 500 ms verde 650 ms)
• Compromissione in pazienti con demenza o danni frontali (cingolato anteriore / dlPFC) e con alta impulsività
• Molteplicità di rappresentazioni

Paradigma di Sternberg (1966)

• Confronto mnemonico con set di parole
• RT aumenta con numero di parole → analisi seriale (non processo parallelo)
• Aree coinvolte nella memoria di lavoro

Effetto di superiorità della parola → rappresentazione simultanea (lettere / parola) → processo parallelo (area dedicata? VWFA).

Tecniche di indagine

Per lo studio dell’attività cerebrale umana sono stati sviluppati molti approcci, più o meno invasivi. Le tecniche possono prevedere la misura (registrazione) dell’attività cerebrale o la sua manipolazione/modulazione.

Ogni tecnica può avere vantaggi e svantaggi:

• Livello di invasività e costrizione (es.: immobilità per evitare artefatti)
• Risoluzione spaziale (es.: piccole regioni cerebrali o interi lobi)
• Risoluzione temporale (es.: necessità di mediare trials)
• Sensibilità e SNR (signal-to-noise ratio)
• Profondità
• Misura diretta/indiretta (es.: problema inverso dell’EEG, fMRI)
• Compatibilità con altre tecnologie (es.: co-registrazione EEG/fMRI)

Tecniche: obiettivi?

Obiettivi generali:

• Ottenere informazioni sull’attività elettrica cerebrale
• Correlare questa attività al comportamento o allo stato di coscienza
• Identificare marker per la diagnosi di stati patologici
• Manipolare l’attività cerebrale a fini terapeutici

Obiettivi specifici:

• Misurare l’attività globale sincrona di un gran numero di neuroni, in termini di correnti sinaptiche e potenziali d’azione (EEG, ritmi cerebrali, potenziali evocati)
• Identificare spazialmente regioni cerebrali che svolgono determinate funzioni (fMRI)
• Stimolare (inibire?) nuclei sottocorticali per ripristinare una funzione (DBS per PD, TS, OCD...)
• Stimolare la corteccia motoria per misure di conduzione (TMS)
• Modulare l’attività cerebrale a fini terapeutici (TMS, tDCS)
• Stimolare/registrare per studiare lo stato di coscienza (tDCS/EEG)

Elettrofisiologia: le origini

Richard Caton (1842-1926)

Fisiologo britannico (Victoria University), fu il primo a registrare segnali elettrici dalla corteccia cerebrale. Usò il Galvanometro a specchio di Thomson sui gatti, scimmie e conigli. Fu il primo a mettere in atto l’apertura della calotta cranica, rimuovere la dura e posizionare un elettrodo direttamente sull’area corticale, anche se non si può sapere esattamente quanto la carica che noi diamo influenza il cervello. Segnale correlato al movimento degli arti.

Hans Berger (1873-1941)

Creò l’Electroenkephalogram (EEG). Scoprì i ritmi cerebrali in funzione di stati cognitivi diversi:

• Alpha: 8-12 Hz (Berger rhythm) = Stato rilassato ma di veglia con occhi chiusi
• Beta: 12-30 Hz = Concentrazione e attività mentale

EEG: sorgente del segnale

La configurazione di cariche nel tessuto si riflette sullo scalpo con cariche in moto nel tessuto grazie al campo elettrico. → differenti cariche superficiali, si registrano differenze di potenziale tra punti diversi dello scalpo.

Abbiamo struttura colonnare della corteccia cerebrale, in cui gli assoni sono distribuiti in verticale e questo permette di creare un oscillazione quando c’è una carica che ci permette più facilmente di studiare il segnale, perché tutte le cariche si sommano aumentando il potenziale EEG.

Le circonvoluzioni infilano dentro i solchi i dendriti, che non diventano più perpendicolari allo scalpo ma paralleli, non portando il segnale all’EEG, si ha inoltre una sensibilità solo a correnti in direzione radiale, cioè dal centro alla periferia.

EEG: sistema 10/20

Il sistema internazionale è il 10/20 (ma se si vuole si può usare il 10/10), la distanza tra elettrodi consecutivi:

• 10% o 20% della distanza totale
• Rostro-caudale (nasion – inion)
• Latero-laterale

Ogni sito identificato da lettera:

• F = frontale
• T = temporale
• C = centrale (non è un lobo)
• P = parietale
• O = occipitale

E un numero:

• Pari = emisfero destro
• Dispari = emisfero sinistro
• Z = linea mediana

La densità di questi elettrodi può cambiare in base alla grandezza della testa ma in base a questa organizzazione si riesce comunque a non avere un'influenza negativa sullo strumento. Con una risoluzione base si hanno 32 elettrodi, con risoluzioni più alte si hanno 64 fino ad arrivare 500 elettrodi.

EEG: elettrodi

Abbiamo diversi tipi di elettrodi che possono essere utilizzati:

Elettrodi resistivi con Argento clorurato, Ag/AgCl, è il bioelettrodo per eccellenza; lo ione cloro (Cl-) viene scambiato tra lo strato solido (AgCl) e la soluzione (KCl) → è il trasportatore di carica.

Si applica un gel conduttivo per minimizzare resistenza e capacità dell’interfaccia elettrodo-pelle. La resistenza attenua i segnali (si oppone al passaggio di corrente), è la resistenza causata principalmente dallo strato secco e morto della pelle, l'effetto è che questa resistenza agisce come un "muro" o un imbuto, più alta è la resistenza meno corrente passa, il risultato è che il segnale EEG arriva all'amplificatore più debole (attenuato) e con più rumore di fondo; per questo si usa il gel conduttivo e si abrade la pelle: per ridurre questa resistenza. Mentre la capacità trattiene le cariche ("rallenta" i segnali), l'interfaccia elettrodo-gel-pelle si comporta come un condensatore (capacità), il Cloruro d'Argento (AgCl) è ottimo proprio perché è "non polarizzabile", ovvero permette alle cariche di muoversi facilmente (ioni Cl-) tra pelle e metallo, l'effetto è che un condensatore accumula cariche elettriche prima di lasciarle passare, permettendo alle cariche di non fluire istantaneamente, questo comportamento "rallenta" le