Neuropsicologia sperimentale e clinica

Propriocezione

Come arriviamo a riconoscere uno stimolo sensoriale come qualcosa che fa parte della nostra conoscenza, quindi come arriviamo a riconoscerlo consapevolmente e come facciamo a sapere che una parte del nostro corpo è effettivamente nostra e non di qualcun altro? Abbiamo dei circuiti deputati al concetto di appartenenza. Esistono disturbi neuropsicologici per cui si perde la capacità di distinguere se una parte del nostro corpo appartenga a noi o a un’altra persona, questo significa che ci sono dei circuiti cerebrali deputati alla codifica delle informazioni relative al concetto di appartenenza al soggetto di una certa rappresentazione, sia di uno stimolo esterno o del nostro corpo.

Meccanismi neurocognitivi

Siamo in grado di studiare i meccanismi neurocognitivi alla base delle funzioni superiori? Nel contesto sia delle scienze umane che del campo della ricerca sulla mente in genere, ci si pone una domanda: lo studio dei meccanismi su come il cervello rappresenti la realtà e il modo in cui a livello cognitivo viene trasformata una stimolazione esterna in una rappresentazione consapevole è alla portata del nostro cervello, disponiamo a livello genetico della capacità di rispondere a questa domanda? Non lo sappiamo. Disponiamo delle caratteristiche necessarie per rispondere ad alcune di queste domande e ad alcune abbiamo già risposto: ad esempio, come si costruisca la rappresentazione consapevole, su dove si costruisca nel cervello e che caratteristiche abbia questa rappresentazione dal punto di vista ideologico. Non abbiamo però risposto a domande di ordine superiore: per esempio su come si formi il senso del sé.

Il senso del sé

Il senso del Sé: è un livello di consapevolezza sovraordinato rispetto alla consapevolezza spaziale o alla consapevolezza puramente del corpo. Il concetto di sé è un concetto usato soprattutto dalla psicologia (contesto psicoanalitico), che inizia ad essere oggetto di studio anche da parte delle neuroscienze. Le neuroscienze riconoscono di non avere ad oggi gli strumenti a livello scientifico e metodologico per studiare il concetto del sé e il modo in cui si formi. Dipende quale meccanismo cognitivo vogliamo spiegare, e abbiamo o meno già gli strumenti per indagarlo e studiarlo.

Approccio riduzionista

Parlando di fenomeno mentale esso è un prodotto dell’attività neuronale. Secondo l’approccio riduzionista la coscienza, la rappresentazione o in generale il concetto di cognizione, non sono sfere separate da quella biologica, dove la cognizione non è considerata ontologicamente diversa dal substrato biologico che la produce. Questo approccio è consapevolmente riduzionista, in quanto semplifica la complessità dei fenomeni studiati per ricondurli alle proprietà e alle caratteristiche biologiche da cui originano, che in questo contesto sono i neuroni.

La dimensione mentale nasce dal neurone. Il problema è che non si sia ancora capito come sia possibile che dall’attività biochimica di una singola cellula, che presa isolatamente è insufficiente, produca processi tanto complessi come il pensiero. Non c’è intelligenza nel singolo neurone. Il neurone isolatamente non è un soggetto cognitivamente capace di presa di decisione. Se invece mettiamo insieme centomila miliardi di neuroni (numero approssimativo di neuroni presenti nel nostro sistema nervoso centrale), dall’attività integrata e ordinata, nello spazio cerebrale e nel tempo cerebrale, nasce tutta l’attività cognitiva cosciente, incosciente e inconsapevole.

Il passaggio dal biologico, in termini biochimici, al mentale in termini cognitivi, è un passaggio che ancora alla scienza sfugge, per tanto si arriva ad appoggiarsi all’approccio riduzionista. Applichiamo il metodo scientifico per studiare eventi biologici che mettiamo a confronto con dei comportamenti che riteniamo che abbiano come base certi correlati biologici. La scienza non è un ambito ontologicamente astratto, ma è un insieme di metodi definiti e specifici per studiare secondo un approccio sistematico. Tutto ciò che ammette un’analisi sistematica, in questo caso gli eventi cognitivi, implica che abbia una causa, che non possiamo spiegare, e che spiega le caratteristiche di quel fenomeno cognitivo. Come neuroscienziati cerchiamo la causa di un certo fenomeno cognitivo, la causa ci porta al substrato neurocognitivo del fenomeno studiato. Come scienziati cerchiamo una continuità tra mondo fisico e mondo mentale, e non un salto dal punto di vista ontologico, in quanto sono due realtà che fanno parte di un unico insieme (fanno parte di una stessa realtà ontologica), dobbiamo solo capire come siano connessi. Senza base neurobiologica non avremmo una base scientifica e parleremmo piuttosto di filosofia o scienza umana.

Frenologia

Frenologia: è la psicologia delle origini. Con frenologia si intende un approccio un po' grossolano per quanto riguarda l’interpretazione del rapporto mente-cervello, in quanto riteneva che le funzioni cognitive fossero mappate in aree delimitate del cervello e che ad ogni area corrispondesse una funzione cognitiva, alcune effettivamente esistenti, altre senza alcuna corrispondenza anatomica.

Neuropsicologia cognitiva

Neuropsicologia cognitiva o neuroscienze cognitive: è l’approccio attuale. Attraverso questo approccio continuiamo a mappare le funzioni cognitive. Rispetto ai metodi passati abbiamo aggiunto un livello di complessità in più, in quanto abbiamo capito che un’attività cognitiva non nasce e muore in un’unica area cerebrale, ma ogni funzione cognitiva coinvolge decine di aree cerebrali.

Esempio: memoria, attenzione, rappresentazione spaziale: non sono rigidamente localizzabili in un’area del cervello, ma si compiono in un sistema distribuito di aree. Attualmente abbiamo strumenti per indagare non solo il neurone ma anche le connessioni tra aree, possiamo studiare i rapporti spazio-temporali in relazione alla funzione cognitiva che stiamo studiando, capendo quale parte si attivi prima, dove viaggia il segnale, dove si fermi, e il rapporto temporale tra queste variabili e la funzione che studiamo.

Tecniche di indagine

• Mappature antiche

Sovrapposizione di mappature: partendo da una Tac, si osservava dove iniziasse e dove finisse la lesione, creando una mappa colorata che ci indicasse quale fosse l’area più frequentemente lesa associata al sintomo che stava studiando.

• Diffusion tensor magnetic resonance (MR) imaging, DTI

Evidenzia correlati funzionali, collegamento tra gli assoni. Le aree cerebrali sono interconnesse tra loro anche a distanze molto ampie.

• Potenziali evocati evento-correlati (ERP)

Informazione con bassa risoluzione anatomica ma alta risoluzione temporale. Si misurano eventi elettro-fisiologici, basati sui potenziali d’azione.

• MEG magneto elettroencefalografia

Tecnica attualmente più potente per studiare l’attività cerebrale, con la quale abbiamo un’alta risoluzione spaziale (grazie alla risonanza magnetica funzionale) e un’altissima risoluzione temporale, che usiamo per ricostruire l’andamento del segnale nelle varie aree cerebrali.

• Brain Machine Interfaces - BMI

Interfaccia uomo-macchina: Questo è il futuro della ricerca neurocognitiva applicata alla bioingegneria. Si tratta di un approccio di studio all’attività cerebrale che mira a interpretare il modo in cui i neuroni codificano le informazioni sensoriali (visive, uditive, motorie ecc.). Questo approccio mira a capire quale sia il linguaggio dei neuroni attraverso la registrazione dell’attività elettrica, la decodifica di questa attività da un computer che con un algoritmo riesce a interpretare e leggere il linguaggio dei neuroni, utilizzando l’apprendimento del linguaggio neuronale per comandare delle interfacce robotiche o digitali, che possono essere attivate semplicemente attraverso la lettura dell’attività cerebrale elettrica del soggetto. È una scienza che sviluppa interfacce che consentono al cervello di comunicare con mezzi robotici o digitali puramente attraverso l’attività cognitiva, senza interazione diretta.

• TMS (stimolazione magnetica transcranica)

Registrazione elettrofisiologica: L’utilizzo di questo approccio ci dà la possibilità, simulando delle lesioni cerebrali, di poterne studiare gli effetti. Esempio: simulando un neglect, parietale posteriore inferiore, abbiamo potuto scoprire l’importanza del parietale nella rappresentazione spaziale. Il neuroscienziato vuole studiare il funzionamento normale, partendo dall’analisi dei casi di lesione, procedura che avviene inserendo un elettrodo direttamente nella corteccia dell’individuo, per registrare l’attività elettrica alla presentazione di uno stimolo. È una pratica invasiva e pericolosa utilizzata per mappare l’area che per esempio circonda un tumore, prima di un’operazione, per capire fin dove si possa asportare senza ledere delle funzioni cognitivamente fondamentali. Sugli animali possiamo indagare molto di più di quanto possiamo fare sugli uomini (motivi ontologici).

• Registrazioni elettrofisiologiche

Inserimento di un elettrodo nella corteccia cerebrale per misurare l’attività di una popolazione di neuroni.

• Risonanza magnetica funzionale

Mette in evidenza la parte più attiva o meno attiva durante la stimolazione rispetto alla neutra.

Plasticità

La plasticità ci concede fondamentalmente di ottimizzarci e svilupparci in relazione all'ambiente. Tutte le funzioni cognitive sono possibili grazie al fatto che il nostro sistema sia plastico. La memoria si struttura grazie alla modifica di canali molecolari, che stanno sulla membrana cellulare, in seguito all’esposizione ripetuta ad uno stimolo. La plasticità cerebrale è la capacità del nostro cervello, a livello molecolare, cellulare e poi in ultima analisi a livello comportamentale, di adattarsi all’esperienza ambientale modificando sia la propria struttura a livello anatomico che la propria funzione. Un neurone è capace di cambiare sia la propria forma (quindi la propria dimensione e la propria estensione), sia la propria struttura assonica e dendritica. Più è intensa l’esperienza più stimolerà il neurone ad avere una risposta plastica, andando ad ampliare sia la propria struttura assonica che le ramificazioni dendritiche. Viceversa, un’esperienza negativa o la diminuzione di una certa esperienza implicherà la riduzione sia del volume neuronale che della struttura assonica e dendritica. Questa capacità dinamica di modellare anatomia e funzione in base all’esperienza è la stessa che si manifesta dopo una lesione. Dopo una lesione alcuni neuroni moriranno perché si troveranno senza fibre afferenti a cui collegarsi, quindi in uno stato di ridotta o assente stimolazione, in uno stato inibitorio dal punto di vista della plasticità. Altri neuroni invece sopravvissuti si troveranno a dover fare sinapsi con un territorio di innervazione molto superiore a quello di prima. I neuroni sopravvissuti hanno un target di neuroni molto superiore a prima: questo stimola la plasticità, in quanto ai neuroni superstiti arrivano molte più informazioni di prima e devono cercare di gestire un flusso di dati molto maggiore rispetto alla norma: questo stimola la plasticità e il recupero funzionale, in base a quanto estesa sia la superficie di neuroni sopravvissuti. Maggiore è la porzione di tessuto sopravvissuta alla lesione, maggiori sono le capacità del recupero.

Esempio di sorprendente plasticità: Bambino cieco che riesce a vedere nonostante gli abbiano asportato bilateralmente il nervo ottico. Il ragazzo riesce a orientarsi nello spazio pur essendo completamente cieco: usa il suono, usa l’eco prodotta dagli oggetti nello spazio, l’eco rimbalza e orienta la posizione degli oggetti nello spazio, un’abilità simile a quella dei pipistrelli (anche se questi usano gli ultrasuoni, che noi però non possiamo sentire). A livello neuronale c’è una trasformazione dell’informazione uditiva in un’informazione visiva, questo significa che i neuroni della corteccia visiva che sono rimasti senza informazioni visive da elaborare, hanno imparato a decodificare l’in-put uditivo e a rimapparlo in uno schema rappresentazionale visivo, estraendo dalle informazioni uditive le informazioni necessarie per creare una rappresentazione spaziale basata sulle differenze di lunghezze d’onda dei suoni riflessi dagli oggi in seguito alla produzione sonora che lui fa mentre si muove. Questa è una forma di plasticità eccezionale in termini di adattamento (questi casi indicano in parte quale sia e quanto vada oltre la potenzialità della plasticità, che è in grado di compensare gli effetti delle lesioni).

Paziente con un solo emisfero: Nel caso di questo paziente presumibilmente l’emisfero sinistro ha ampliato e svolto anche le funzioni dell’emisfero mancante. Un caso di questo tipo è molto raro e presuppone che l’emisfero sinistro abbia delle potenzialità plastiche molto superiori alla norma, e che abbia delle considerevoli capacità di mappare lo spazio. Questo tipo di compensazione può ritenersi efficace tendenzialmente solo se l’asportazione dell’emisfero avviene in giovane età, più è precoce, più è probabile lo sviluppo delle capacità di compensazione da parte dell’altro emisfero. Se il mancato sviluppo del secondo emisfero si manifesta già a livello intrauterino ci sono molte più probabilità compensative relative alle capacità plastiche.

L'esperienza che ognuno di noi fa viene codificata anche a livello di DNA. Significa che i neuroni codificano nel loro DNA il livello di plasticità di un determinato tipo di esperienza e quindi la capacità dei nostri neuroni di rispondere plasticamente in modo differenziato a seconda del tipo di esperienza che facciamo dipende dal fatto che l'esperienza 'entra' dentro i nostri neuroni. L'esperienza si traduce e viene trasmessa a livello di codice genetico e DNA.

Esperimento con ratti

Esperimento: due gruppi di topi ha ricevuto una lesione che li ha resi deficitari dal punto di vista motorio, erano incapaci di camminare.

• In un gruppo di loro sono stati trapianti neuroni embrionali ed inseriti in un ambiente ricco di stimolazione (gabbia con giochi).
• Un gruppo è stato trapiantato e messo in un ambiente povero di stimolazione.
• Un gruppo non è stato trapiantato e messo in un ambiente ricco.
• Un gruppo non è stato trapiantato e messo in un ambiente povero.

I ricercatori hanno misurato la loro prestazione motoria prima e dopo la lesione: il topo non lesionato riesce a giocare stando in equilibrio, il topo lesionato sta in equilibrio in base al trattamento post operatorio. I topi trapiantati messi in un ambiente ricco hanno un recupero più rapido ed ottimale rispetto a quelli in ambiente povero. Ovviamente i risultati dipendono da altre circostanze come l’età e la gravità della lesione.

Esperimento: tre gruppi di topi con lesione motoria. Prima di applicare questa lesione hanno fatto esercitare gli animali a diversi livelli di intensità (0 giorni, 3 giorni, 7 giorni). Dopo la lesione hanno misurato il tasso di ricrescita degli assoni che rigeneravano e la quantità di neuro modulatori prodotti da questi assoni. Hanno visto che la rigenerazione era maggiore all’aumentare dei giorni di allenamento prima della lesione. Più l’esperienza è stata intensa più la rigenerazione era efficace e veloce.

La plasticità cerebrale non permane nel tempo, bisogna continuare ad allenarsi, in quanto, in seguito a un principio di economia del sistema nervoso, certe caratteristiche del sistema vengono mantenute soltanto finché sono utili e utilizzate, in quanto richieda energia mantenere certa abilità, bisogna quindi reiterare l'esperienza per mantenerla nel tempo. Anche in casi di malattie ereditarie, come l'Alzheimer, con uno stile di vita sano e attivo, si può ritardare o addirittura bloccare l'avanzare della malattia, questo indica quanto fortemente incida l'esperienza per il recupero funzionale.

La visione

Nel sistema visivo il processo è gerarchico, ad ogni stazione risalendo dalla retina alla corteccia visiva corrisponde un livello superiore di elaborazione dell’informazione. Il campo visivo ha una rappresentazione che non è omogenea, sulla retina la realtà viene rappresentata in modo analogico/topologico cioè la parte centrale del campo visivo costituisce una zona di iper-rappresentazione grazie al maggior numero di fotorecettori presenti sulla parte centrale della retina, che è la fovea. I neuroni visivi hanno dei campi recettivi differenziati tra la zona centrale e periferica.

È possibile mappare nella corteccia occipitale le aree specializzate in funzioni differenti:

• V4 → visione
• V1, V2 → visione particolare con rilevazione caratteristiche visive degli stimoli come luminosità, orientamento
• Aree ventrali, associative → riconoscimento facce/oggetti
• V5 → riconoscimento movimento

Quando l’info arriva a V1 viene suddivisa in 6 diverse cellule che corrispondono a 6 stati della corteccia (blob) che codificano l’informazione, prima semplice e poi complessa. I campi recettivi neuroni visivi: sensibilità per contrasto, centro on e periferia off e viceversa. Quando si stimola una cellula a centro on si ha un aumento della scarica sinaptica, off invece inibizione. In base all’ampiezza del campo recettivo stimolato si ha maggiore risposta.