Neurofisiologia

Neurofisiologia 24/03/2017

La neurofisiologia è il funzionamento del sistema nervoso.

Come è possibile studiare il funzionamento del sistema nervoso?

Un primo modo in cui può essere studiata una porzione del sistema nervoso sono degli:

• Studi di lesione/ablazione: naturale (incidenti, ferite…) o sperimentale (ablazione). Ablazione vuol dire portare via, togliere da, perciò una lesione può essere una lesione accidentale (ad esempio ictus) dalla quale si sono fatti poi studi in merito alle aree del cervello, es. Broca che scopre lesioni al cervello per cause accidentali. Altri studi sono stati fatti artificialmente eliminando proprio determinate parti del cervello per poter comprendere quale disfunzionalità avrebbe creato la rimozione di quella porzione. Studi che hanno fatto la storia della neurofisiologia.
• Stimolazione elettrica; più recentemente: stimolazione magnetica transcranica.

Il linguaggio con cui il sistema nervoso comunica a distanza è un linguaggio elettrico basato sul fatto che c’è un potenziale di riposo in ogni cellula, e poi ci sono dei tessuti definiti eccitabili, che sono tutti quei tessuti che sono in grado di generare e condurre dei potenziali di azione. Qualsiasi cellula con un potenziale di riposo può essere depolarizzata, perciò qualunque cellula del nostro corpo può andare incontro a depolarizzazione, ma la differenza con quelle eccitabili è proprio la capacità di generare e condurre un potenziale di azione. I tessuti eccitabili sono: tessuto muscolare e tessuto nervoso.

Il linguaggio con il quale comunica il sistema nervoso, è pertanto un linguaggio sostanzialmente elettrico, andando a stimolare elettricamente il tessuto nervoso io posso: eccitarlo, suscitare depolarizzazioni che possono dare origine ad un potenziale d’azione e vedere cosa succede. Questa è una cosa che si fa in esperimenti su animali, anche sull’uomo benché risulti una cosa molto invasiva, la si fa quando c’è un tumore nel sistema nervoso centrale, e si deve asportare, durante l’esportazione si va a vedere eccitando la zona se quella zona lì genera es. movimento della mano, se interferisce con il linguaggio ecc.

Più recentemente si sono sviluppate tecniche di stimolazione o inibizione, che sono in realtà del tutto non invasive. Si appoggia una spirale magnetica sul cuoio capelluto e andando ad agire, tramite campi magnetici, si può andare ad eccitare o ad inibire una determinata porzione della corteccia cerebrale, questa tecnica si chiama TMS -> stimolazione magnetica transcranica.

L’attività elettrica può essere anche registrata.

• Registrazione elettrofisiologica: patch-clamp, registrazione unitaria o multiunitaria.

L’attività elettrica può essere registrata, io vado a vedere qual è l’attività spontanea di una determinata zona di sistema nervoso e la metto in correlazione con ciò che il soggetto sta facendo. La registrazione elettrofisiologia ha tanti aspetti diversi: io posso andare a valutare un singolo neurone, o una membrana di un singolo neurone, questa è una cosa che si può fare solamente se sto lavorando in vitro. Nel corpo umano questo tipo di studio lo si fa solo nel caso in cui sto operando e prelevo una piccola porzione per poterla poi studiare singolarmente. Io posso anche fare delle registrazioni di superficie o di massa.

Tecniche di mappatura funzionale per immagini

Nel caso io vada a fare una registrazione di massa, ossia di regioni o porzioni dell’intero sistema nervoso centrale, il risultato che posso avere è quello di una mappa di funzionalità dell’intero sistema cerebrale. Una mappa perché se io ho una rappresentazione anatomica dell’intera corteccia cerebrale e vedo dei punti che si attivano mentre il soggetto fa qualcosa, come leggere, avrò attivazione punti che mi creeranno una mappa, se uno sta guardando figure ha attivazione di una mappa diversa. Questa registrazione di massa (esempio di una porzione della corteccia cerebrale) io la posso fare con varie tecniche:

• Elettroencefalogramma -> tecnica elettrofisiologica per cui vado a mettere delle placchette con elettrodi poste sul cranio che registrano l’attività cerebrale di massa, registro quello che fanno alcuni milioni di neuroni. Registrazione elettrofisiologia di superficie e di massa.
• 2DG, PET -> la loro funzione è quella di andare a misurare parametri che indirettamente mi dicono qual è il grado di attività dei neuroni, sapendo che quelle che hanno una maggiore attività, sono quelle che consumano più glucosio e consumano più ossigeno. Perciò posso andare a vedere quali regioni del cervello consumano più glucosio e ossigeno. Una delle tecniche più usate su animali è quella del 2DG, ossia duedeossiglucosio, mentre nell’uomo usata la PET. Anche il cervello più ha attività metabolica più consuma glucosio e più consuma ossigeno. Perciò guardo con questo metodo quali aree consumano più glucosio o ossigeno. Nell’animale è la 2DG, mentre nell’uomo la PET (tomografia a emissione di positroni).
• MEG -> Magnetoencefalografia, è un metodo per andare a misurare i campi magnetici prodotti durante l’attività elettrica. È un altro modo per avere un indice dell’attività elettrica del sistema nervoso.
• fMRI -> risonanza magnetica funzionale. Essa è una tecnica molto particolare, poiché utilizzata abitualmente come studio morfologico. In realtà il principio fisico di questo sistema è completamente diverso dalla TAC perché non ci sono radiazioni ionizzanti, e c’è la possibilità a seconda di come è posto l’esame, non tanto la morfologia, quanto il consumo di ossigeno da parte delle varie regioni del cervello, sempre nell’ipotesi che le regioni più attive siano quelle che consumano più ossigeno. Si chiama effetto BOLD -> blood oxigen level dipendent.

La risonanza magnetica RM che viene usata abitualmente per avere immagini sofisticate, quando si parla di cervello si può usare sia per avere immagini anatomiche, ma impostando la macchina anche per avere delle mappe funzionali. Tutte queste tecniche di studio hanno delle loro caratteristiche, e due sono i criteri che dobbiamo valutare per determinare quale scegliere nei confronti delle altre:

• Risoluzione spaziale -> elevatissima quando vedo l’attività di un singolo neurone
• Risoluzione temporale -> ci sono tecniche con risoluzione temporale sensazionale, un potenziale d’azione dura 1 millisecondo, ma con questa tecnica vedo perfettamente l’attività di un neurone, e perciò la domanda è l’attività di quel neurone è rappresentativo di tutti i neuroni del nostro organismo?

Da un lato posso andare a vedere cose estremamente dettagliate, ma non è detto che poi io abbia il quadro d’insieme. Nel senso quel neurone può non essere estremamente rappresentativo. Altre tecniche possono essere valutate se sono tecniche:

• Invasive
• Non invasive
• I costi -> esempio un’apparecchiatura da EEG ha un costo abbordabile, mentre apparecchiatura PET o da RM costano alcune migliaia di euro.

Mappatura funzionale per immagini

Abbiamo un cervello e abbiamo detto al soggetto di fare ad esempio un movimento di mano e poi successivamente di immaginare solo di muovere la mano, perciò il soggetto aveva due compiti. Il movimento vero e proprio mi dà la mappa rossa, mentre l’immaginazione del movimento mi dà un’altra mappa che è quella verde. È più ampia l’area di quando immagino e basta rispetto a quando mi muovo.

Richiami di anatomia macroscopica del sistema nervoso

Il sistema nervoso centrale è caratterizzato da encefalo e midollo spinale, ed è rinchiuso all’interno di una porzione scheletrica. Nel sistema nervoso centrale noi distinguiamo una serie di figure:

• Sezioni -> sagittale (giù a su), trasverso o assiale (metà) e coronale o frontale (laterale)
• Figure che troviamo sono:
  • Midollo spinale
  • Tronco encefalico: Bulbo, Ponte e Mesencefalo
  • Cervelletto
  • Diencefalo
  • Emisferi: Gangli della base e Corteccia

Organizzazione generale del SN

Afferenti o sensoriale: È una sorta di arco, in cui abbiamo dei sistemi:

• Occhio -> localizzazione e movimento degli oggetti -> via afferente visiva -> corteccia visiva primaria
• Periferia sensoria -> Input dai muscoli, pelle.. -> via somatica afferente -> Corteccia senso-somatica primaria

Efferenti o motorie: E sistemi ossia partono dal centro e vanno verso la periferia:

• Corteccia motoria primaria -> sistema diretto -> midollo spinale -> muscoli della mano e del braccio
• Corteccia motoria primaria -> sistema indiretto -> midollo spinale -> riflessi

Tra le due vie c’è una zona al centro difficile da definire perché troviamo delle funzioni che possiamo definire in linea generale:

• Cognitive -> memoria, attenzione, linguaggio...
• Motivazionali -> ciò che ha a che fare con i nostri istinti, bisogni, fame, sete e bisogno sessuale
• Emotivo -> ciò che ci fa paura, soffrire, felici…

È un’area molto complessa che ci sono strutture che ricevono le informazioni dalla periferia e le elaborano tenendo conto di tutti questi aspetti, ossia chi siamo, delle nostre referenze… e tutto questo influenza quello che esce dal sistema nervoso attraverso le vie efferenti quindi ciò che compiamo.

La sensibilità somatica (somestesia) raccogliamo informazioni che arrivano a un livello centrale, arriva a una corteccia somestesica primaria, ed elaboriamo una risposta mediante le vie efferenti, uscita motoria.

Principi organizzativi del sistema nervoso

Il nostro sistema nervoso è organizzato in una maniera tutt’altro che casuale. Principi organizzativi:

• Principio Topografico -> il nostro cervello per la maggior parte delle strutture è organizzato tenendo conto di un principio topografico, ossia legato alla posizione. Ciò vuol dire che la periferia del nostro corpo, o anche il mondo esterno, vengono mappati nel nostro sistema nervoso centrale con una corrispondenza, per cui è chiaro che così come su una cartina topografica io vedo che due città sono vicine, mi rappresenta poi quella che è la realtà. La topografia fa sì che la nostra periferia cutanea possa essere mappata sul nostro midollo spinale: relazioni che si creano in età embrionale tra porzioni del midollo chiamate mielomeri con fette a livello cutaneo chiamate dermatomeri. E questo è fondamentale per chi ad esempio ha lesioni a livello del midollo spinale per capire in quali punti avrà perso la sensibilità. Perciò so che la sensibilità che proviene dalla fascia del mio ombelico corrisponde sul midollo spinale a T10, perciò lesione a T10 perdo sensibilità ombelico.
• Omuncolo di Penfield -> Il quale era un neurochirurgo canadese che operava dei pazienti con tumori o casi di epilessia intrattabili, e mentre li trattava per andare a vedere se le regioni che doveva asportare con il tumore quali aree andavano a ledere, ed ha visto che c’era un’organizzazione enorme: in alto c’era il piede, poi c’era la faccia, la mano, la spalla, la lingua... tutto ciò successo intorno agli anni 30-40 del 1900. Questa rappresentazione topografica non è perfettamente in scala, ma è una rappresentazione pesata rispetto alla densità di innervazione, ed è diversa a seconda se ci riferiamo a una zona motoria o sensoriale. Per quella sensoriale una zona ad alta densità di innervazione è un punto in cui ci sono tanti recettori per unità di superficie, mentre per quella motoria una ad alta intensità di innervazione è quella nella quale ci sono più unità motorie, ossia neuroni coinvolti. Ciò vuol dire che le regioni della mano e della faccia sono molto più piccole della coscia, ma la finezza che mi serve in viso, mano ecc.. è maggiore rispetto a quella che devo avere nella coscia. L’omuncolo è perciò deforme perché ci sono differenze nella densità di innervazione.
• Incrociamento -> Se una persona ha avuto un ictus nell’area motoria di destra probabilmente i problemi poi li avrà nel moto dell’area di sinistra. La maggior parte delle vie si incrocia. Ci sono vie diverse: Omolaterali, Dirette-Ipsilaterali, -> sono quelle vie che non si incrociano ma rimangono nel loro lato o Crociate-Controlaterali -> sono quelle vie che partono da destra e vanno a finire a sinistra. Nell’occhio umano ho che alcune delle vie che provengono dalla retina, il nervo che sta nella porzione nasale a livello della retina si incrocia nel chiasma ottico, va a finire nel genicolato e nella corteccia di sinistra, va quindi a finire nel lato opposto. Le porzioni laterali della retina invece rimangono nello stesso lato. Quindi nasali cambiano lato, laterali no.
• Gerarchia -> Il nostro sistema nervoso è organizzato secondo un principio di gerarchia, ossia ci sono strutture più importanti ed altre meno importanti. Ci sono strutture che sono in grado di dare ordini ad altre, le strutture superiori possono influenzare abbastanza l’attività delle strutture gerarchicamente inferiori. Ciò non vuol dire che le strutture gerarchicamente inferiori non contino nulla, anzi sono fondamentali perché servono per funzioni importanti comunque, ma sono sottoposte al controllo e agli ordini di quelle che stanno sopra. Ad esempio già la corteccia cerebrale influenza e controlla l’attività del midollo spinale, però il midollo spinale ha poi a sua volta un’importantissima funzione.
• Organizzazione in parallelo -> in molti casi il nostro sistema nervoso centrale ha una organizzazione in parallelo, ossia che ci possono essere più vie che dalla periferia salgono al centro e che dal centro salgono alla periferia, e queste vie hanno un certo grado di sovrapposizione una con l’altra. Es vie afferenti somatosensoriali: ce ne sono minimo due - sistema spino-talamico e sistema dei cordoni posteriori, che in parte portano delle informazioni simili, perciò ammettendo che una delle due venga lesa, l’altra può coprire un po’ la funzione mancante, ma non coprendola completamente quindi resteranno comunque dei buchi. Perciò sono due vie afferenti che salgono verso l’alto che portano info in parte simili e in parte no, dette ridondanti.

Su questo discorso ci si può collegare al concetto che un neurone che sale dalla periferia può andare a fare sinapsi con più neuroni del midollo spinale, questo fenomeno è definito Divergenza. Dall’altra parte ho anche fenomeni di Convergenza, ossia vie diverse che vanno a convergere in un unico neurone.

Lezione 2 27/03/2017 - Sistemi sensoriali

Psicofisica

La psicofisica è quella scienza che studia le sensazioni e le percezioni dell’individuo mettendole in relazione con le caratteristiche fisiche dello stimolo che le ha provocate. Ha a che fare con le nostre percezioni, e con la fisica, ossia le caratteristiche fisiche degli stimoli che hanno generato queste percezioni. Molto spesso quello che l’individuo percepisce del mondo esterno, non ha necessariamente gran che a che fare con la realtà fisica e oggettiva degli stimoli. In generale quello che percepiamo non è detto che abbia a che fare con la realtà fisica degli stimoli.

• La psicofisica studia la relazione fra l’intensità oggettiva dello stimolo e l’intensità della sensazione soggettiva.
• Soglia assoluta -> Definizione di soglia: io posso misurare oggettivamente la pressione esercitata da un ago sulla mia cute, quando parlo di soglia parlo di qualcosa sotto cui non ho una risposta e sopra a cui ho una risposta. Perciò soglia assoluta vuol dire per esempio, ad un valore di pressione di 234 non sento niente e quando supero questo livello soglia io inizio a percepire qualcosa, questo è il concetto di soglia. In realtà non è esattamente così. Quello che succede se noi diamo una info sulla deformazione della cute in micron, io non ho una risposta assoluta, ma una risposta statistica. Se la soglia fosse qualcosa che si percepisce dopo un certo valore, io dovrei avere un grafico con forma quadra, ossia che è zero fino al valore soglia poi improvvisamente dopo il valore soglia diventa 100. In realtà ho una certa quota di informazioni dove benché io sia sotto soglia, il soggetto in un 20% dei casi percepisce comunque lo stimolo, altre volte sono sopra soglia e solo un 80% dei casi percepisce lo stimolo, perciò definisco il concetto di soglia assoluta come: Soglia assoluta -> valore di intensità dello stimolo al quale il soggetto percepisce al 50% degli stimoli. Non è necessariamente vero che quindi se c’è lo stimolo noi lo percepiamo. Questa soglia assoluta la percepisco quindi al 50%.
• Soglia differenziale - legge dell’incremento -> quando io ho un certo livello di stimolo, io sono in grado di percepire una variazione dello stimolo? Intuitivamente sì, ma ciò non è sempre vero, nel senso che le variazioni vengono avvertite in funzione dell’intensità dello stimolo di partenza. Esempio: ho un vassoio sul quale ho appoggiato una caraffa che contiene un certo peso, e sento la differenza quando aggiungo peso.