Appunti Neuroscienze

Corso 2 – Introduzione alle neuroscienze: fondamenti anatomo-fisiologici della mente

Il sistema nervoso

• 1. Introduzione alle neuroscienze cognitive
• 2. Il sistema nervoso
• 1. La struttura e le funzioni fondamentali dei neuroni
• 2. Il sistema nervoso periferico
• 3. Il sistema nervoso centrale
• 1. Le strutture cerebrali subcorticali
• 2. La corteccia cerebrale

Introduzione alle neuroscienze: indice

N e u ro scie n za co g n itiva S iste m Le sio n i L ate ra lizza a n e g li zio n e/sp eci n e rvo s e m isfe a lizza zion e E m isfe e m isferica o ri ro E m isfe sin istr SN SN ro S p lit o: P e rife ri C e n tra l d e stro: b ra in a fa sie co e a g n o sie e a p ra ssie.

1. Introduzione alle neuroscienze cognitive

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Il fine delle neuroscienze

Scopo della neuroscienza, in particolare dalle neuroscienze cognitive, è lo studio di come cognizione ed emozione siano implementate nel cervello.

• Ogni emozione o pensiero emette segnali fisici, e le nuove tecnologie per captarli sono così raffinate che possono letteralmente leggere nella mente di una persona e dire al neuroscienziato cognitivista se sta immaginando un volto o un luogo.
• I neuroscienziati sono in grado di eliminare da un topo un gene, un gene che è stato trovato anche negli esseri umani, impedendogli di apprendere, oppure di fornirgliene delle copie, facendo sì che impari più in fretta.

Il fine delle neuroscienze – arrivare a comprendere le facoltà della mente e cioè i meccanismi attraverso i quali riusciamo a provare percezioni, ci muoviamo, pensiamo e siamo in grado di ricordare.

Come – studiando il comportamento a livello di singole cellule nervose, cercando di rispondere a cinque quesiti di ordine generale:

• 1. Come si sviluppa il sistema nervoso centrale?
• 2. In che modo le cellule nervose comunicano fra loro?
• 3. Mediante quali meccanismi sistemi di interconnessione diversi generano atti percettivi e motori differenti?
• 4. Con quali meccanismi i segnali mediante i quali le cellule nervose si pongono in comunicazione fra di loro vengono modificati dall’esperienza?
• 5. In che modo queste comunicazioni vengono alterate dai processi morbosi?

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Le rappresentazioni nervose dei processi mentali

L’approccio cognitivo allo studio del comportamento è fondato sull’assunzione che – le percezioni e le manifestazioni motorie abbiano una rappresentazione interna a livello del sistema nervoso centrale.

Poiché il sistema nervoso centrale è un organo materiale, la rappresentazione interna di un atto percettivo o motorio non può che essere costituita da una particolare forma di attività a livello di specifici gruppi di cellule interconnesse fra di loro che codificano quella percezione o quell’azione.

Definita in questo modo, una rappresentazione interna è una rappresentazione nervosa, cioè la rappresentazione di un’attività nervosa.

L’espressione rappresentazione nervosa viene utilizzata con un duplice significato.

• 1. L’organizzazione anatomica delle vie sensoriali afferenti alla corteccia vale a dire il fatto che le fibre afferenti che compongono ogni sistema sensoriale sono disposte in modo tale da formare mappe topografiche della superficie recettoriale.
• 2. La rappresentazione corticale dello spazio circostante il corpo. In quest’ultimo caso, la rappresentazione non è topografica ma dinamica e viene codificata in termini di attività specifica di cellule che non è necessario abbiano alcuna particolare relazione topografica fra di loro che abbia rapporto con la superficie recettoriale.

Una volta riconosciuto che le rappresentazioni interne sono un’importante componente del comportamento, gli psicologi hanno dovuto fare i conti con il grave problema che la maggior parte dei processi mentali sono tuttora in larga misura inaccessibili all’analisi sperimentale.

In mancanza di un accesso diretto ai substrati nervosi delle rappresentazioni interne è difficile, se non impossibile, poter operare una distinzione fra teorie opposte.

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I 5 diversi metodi di studio delle neuroscienze

Le neuroscienze cognitive sono un approccio integrato allo studio dell’attività mentale che si sono sviluppate principalmente sul fondamento di 5 principali metodi di analisi tecnici e concettuali.

• 1. Correlando l’attività di singole cellule con il comportamento;
• 2. Correlando la scarica di singoli neuroni di particolari regioni cerebrali con processi cognitivi di ordine superiore;
• 3. Analizzando il comportamento di pazienti con lesioni del sistema nervoso centrale;
• 4. L’uso di nuove tecniche radiologiche di visualizzazione cerebrale;
• 5. L’uso del computer per la simulazione di reti neurali.

I 5 diversi metodi di studio delle neuroscienze: attività delle singole cellule

(1926–1985) (1918–2015)

1. Ed Evarts e Vernon Mountcastle, fra gli anni 1960 e 1970, hanno messo a punto una serie di tecniche di analisi dell’attività di singole cellule cerebrali in animali integri, compresi i primati, condizionati a svolgere compiti comportamentali, che hanno permesso in breve tempo di correlare l’attività di singole cellule nervose con specifiche attività comportamentali.

• Queste ricerche sono riuscite ad analizzare i processi percettivi e motori a livello cellulare in animali che svolgevano specifiche attività comportamentali sensoriali o motorie.
• Come risultato di questi studi si è scoperto che i meccanismi che stanno alla base della percezione sono gli stessi nell’essere umano, nelle scimmie e in altri animali più semplici.

I 5 diversi metodi di studio delle neuroscienze: i processi cognitivi di ordine superiore

2. Ricerche a livello cellulare condotte sulla scimmia sono state in grado di correlare la scarica di singoli neuroni di particolari regioni cerebrali con processi cognitivi di ordine superiore, quali l’attenzione e i processi decisionali.

• A differenza di quanto facevano i comportamentisti, attualmente l’attenzione sperimentale non è più diretta solo sulle proprietà di risposta agli stimoli comportamentali, ma è invece incentrata sull’elaborazione delle informazioni che provocano un comportamento.

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I 5 diversi metodi di studio delle neuroscienze: lesioni del sistema nervoso centrale

3. L’interesse nel campo dell’analisi comportamentale di pazienti con lesioni del sistema nervoso centrale che interferiscono con il normale svolgimento delle funzioni mentali.

• Questo campo di indagini era rimasto vivo in Europa, mentre era stato trascurato negli Stati Uniti.
• Pazienti con lesioni di particolari regioni cerebrali presentano deficit cognitivi molto specifici. Perciò, le conseguenze comportamentali di lesioni cerebrali forniscono informazioni di grande importanza sulle funzioni in cui sono implicate particolari aree e vie del sistema nervoso centrale.
• Si è scoperto che la funzione cognitiva non è un processo unitario; esistono invece numerosi sistemi cognitivi e che ciascuno di essi è dotato di numerosi moduli indipendenti devoluti all’analisi delle informazioni.
• Per esempio, il sistema visivo, prototipo di un sistema cognitivo implicato nella percezione sensoriale, possiede vie specializzate devolute all’analisi delle informazioni concernenti il colore, la forma e il movimento.

I 5 diversi metodi di studio delle neuroscienze: nuove tecniche radiologiche

4. Lo sviluppo di nuove tecniche radiologiche di visualizzazione cerebrale, quali

• La tomografia a emissioni di positroni (PET),
• La risonanza magnetica per immagini (RMI),
• La magneto-elettroencefalografia (MEG),
• La stimolazione magnetica transcranica (TMS) e
• Le tecniche fondate sull’uso di marcanti sensibili al voltaggio,

in vivo ha permesso di mettere in relazione, direttamente le modificazioni dell’attività di popolazioni di neuroni con particolari stati mentali.

Stimolazione magnetica transcranica (TMS).

Apparecchio che permette di creare un campo magnetico tale che può attivare o disattivare alcune aree del cervello.

Strumentazioni che mi permettono di collegare il funzionamento del cervello con il comportamento umano in vivo, attuale, non post mortem, senza creare danni ed effetti collaterali.

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I 5 diversi metodi di studio delle neuroscienze: scienza dei computer

Un significativo contributo alle neuroscienze cognitive è venuto dalla 5. scienza dei computer (vedi Human Brain Project).

• Attraverso l’uso del computer è stato possibile costruire modelli dell’attività di grandi popolazioni di neuroni e verificare sperimentalmente ipotesi concernenti il ruolo di particolari componenti cerebrali in specifiche forme di comportamento.

Per capire l’organizzazione nervosa di un comportamento complesso come il linguaggio è necessario acquisire conoscenze non solo sulle proprietà delle singole cellule e delle vie che esse formano, ma anche sulle proprietà delle reti neurali dei circuiti nervosi che sono presenti nel sistema nervoso centrale.

Le proprietà delle reti neurali, anche se dipendono dalle proprietà dei singoli neuroni che le compongono, non possono essere identiche od anche simili alle proprietà delle singole cellule.

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2. Il sistema nervoso

Il comportamento è un prodotto dei meccanismi con cui funziona il corpo, in particolare il sistema nervoso.

Il sistema nervoso riceve informazioni sulle condizioni dell’ambiente interno, enterocezione e propriocezione, ed esterno del corpo, esterocezione, integra tali informazioni e controlla i movimenti corporei.

Abbiamo due tipi di informazione interna con cui il cervello si rappresenta l’informazione:

Questi due tipi di informazione distinte della percezione di tutto ciò che avviene nell’organismo sono:

• L’enterocezione: che non è altro che la capacità di percepire, capire e sentire i segnali di cosa accade all’interno del corpo, esempio: il mal di pancia.
• Propriocezione: ha invece a che fare con la mia posizione nello spazio, ed è quindi la capacità di percepire e riconoscere la posizione del proprio corpo nello spazio, ad esempio come sono posto.

Questa è sempre centrale in ogni forma di percezione, mentre posso in qualche modo non avvalermi di informazioni enterocettive.

Anche quando recupero un’immagine, infatti, io la recupero avendo una propriocezione, esempio: dire ad una persona di chiudere gli occhi ed immaginare di dare le spalle alla facciata del duomo di Milano, la persona recupera l’immagine dando le spalle come richiesto.

Se c’è un difetto percettivo per recuperare un’informazione in un lato, anche se sto recuperando un’informazione ad occhi chiusi, non sto recuperando in vivo l’informazione, eppure il mio sistema lo incarna.

Quando ho il recupero dell’immagine, fissata, immagazzinata, in una rete sinaptica del cervello, il sistema viene ripercorso come se l’immagine entrasse dagli occhi: si attivano, infatti, le aree relative all’elaborazione di questa informazione sensoriale: quelle chiamate aree primarie dei sensi, nonostante l’informazione non arrivi dai sensi ma da un nucleo della memoria.

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Se c’è un errore di processamento dell’immagine, se non vedo una parte dello spazio perché il mio cervello non vuole vederla, anche se la recupero, e sta all’interno della mente tutta intera, la recupero a pezzi.

Abbiamo poi:

• Esterocezione: che non è altro che la sensibilità agli stimoli che provengono dall’esterno dell’organismo ed è veicolata dai sensi primari, cioè dai sensi dell’udito, del tatto e così via.

Tutto questo viene integrato e restituito con un’esperienza di tipo percettivo.

4 compiti fondamentali assolti dal sistema nervoso

Per poter compiere tutte le azioni, il cervello, insieme al resto del sistema nervoso, deve svolgere 4 compiti:

• 1. Ricevere i messaggi sensoriali che forniscono informazioni sull’ambiente esterno, o interno; tutto ciò che non è sistema nervoso è esterno ma il mio corpo è parte dell’ambiente;
• 2. Organizzare tutte queste informazioni e integrarle utilmente con altre, già immagazzinate;
• 3. Utilizzare queste informazioni integrate per inviare messaggi ai muscoli e alle ghiandole, così da produrre movimenti coordinati e secrezioni adattive;
• 4. Fornire le basi di ciò che chiamiamo la nostra esperienza cosciente: quel continuo flusso di percezioni, pensieri e sentimenti che dà forma alla nostra vita psichica.

Organizzazione del sistema nervoso

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Encefalo Encefalo Sistema Sistema nervoso nervoso centrale Midollo centrale (Il Midollo spinale spinale Sistema Sistema nervoso nervoso Sistema Sistema somatico somatico Sistema Sistema Sistema nervoso Sistema autonomo nervoso periferico autonomo periferico sistema nervoso autonomo non si affaccia direttamente all’esterno.

Noi distinguiamo il sistema nervoso sia da un punto di vista anatomico che funzionale.

Ciò vuol dire che alcune distinzioni hanno a che fare sia con l’aspetto, come è fatto, dove è collocato, anatomico, sia che cosa fa quella parte, funzionale.

Spesso le due distinzioni coincidono, ma non è sempre così.

Innanzitutto, il sistema nervoso viene distinto in due sezioni sistema nervoso centrale (SNC) e sistema nervoso periferico (SNP).

• Il SNC è quello compreso all’interno della spina dorsale e all’interno della scatola cranica. Ciò che quindi è compreso all’interno di queste ossa, craniche e spinali, è il sistema nervoso centrale.

Eccetto alcuni nervi che non sono considerati sistema nervoso centrale pur essendo contenuti tutti all’interno della scatola cranica e sono: i nervi cranici, in quanto organizzano il sistema autonomo e il sistema sensoriale degli organi di senso cranici, vista, udito, olfatto, muscoli facciali ecc.

Questi sono infatti sistema periferico.

• Tutto quello che esce da queste strutture è il SNP.
• Il sistema nervoso centrale (SNC) è composto da due principali strutture: encefalo e midollo spinale:

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La cellula presente nel SNC e nel SNP è sempre la stessa: è sempre il neurone, dipende da dove si trova che fa di quella cellula il SNC e il SNP.

Il sistema nervoso centrale che si suddivide in midollo spinale è quello che si trova all’interno della spina dorsale, arrivato al livello dell’encefalo il midollo spinale protunde verso l’interno, esce fuori dall’osso spinale e inizia a formare, anche dal punto di vista evolutivo: tanto più sono antichi e non evoluti gli animali, tanto più sarà ridotta questa formazione che entra fino ad arrivare nell’essere umano che è una massa enorme.

• Tutti gli esseri vertebrati hanno questo sistema di fuoriuscita da una spina centrale che entra/protunde all’interno di un qualcosa che è una scatola cranica, che può essere di varie dimensioni.

I vertebrati, i rettili, gli anfibi si fermano a poco più di qualcosa che si è fermato al di sopra del midollo spinale che in genere si riduce ad un pugno, in proporzione.

Di struttura in struttura, di evoluzione in evoluzione questo si complessizza, si arricchisce.

Questo processo evolutivo, di arricchimento, si ripete anche nel processo di crescita del feto umano: il feto umano ripercorre la storia evolutiva del sistema nervoso, cioè prima avremo una piccola fuoriuscita del midollo spinale che prima forma un piccolo punteruolo che esce fuori, poi sopra strutture e strutture, fino all’ultima struttura: quella più esterna, quella della corteccia cerebrale, quella che matura più lentamente di tutte, esempio quella frontale che raggiunge il massimo del suo sviluppo all’età di circa 21 anni.

Encefalo: include il cervello ma il cervello non coincide con il cervello!

L’encefalo dal punto di vista tecnico è tutta la parte del sistema nervoso che sta all’interno della scatola cranica che è costituito da varie strutture, tra cui il cervello, il cervelletto, il tronco cerebrale e il diencefalo. Tutte queste strutture, cervello parte più recente dell’encefalo: quello che insieme le chiamiamo encefalo.

Il sistema nervoso periferico (SNP) è tutta la parte che fuoriesce dal caratterizza i mammiferi).

Sistema nervoso centrale ed è costituito da due strutture principali: il “cervello” in realtà quando noi usiamo questa parola usiamo questa parola per encefalo, anche se sistema somatico e il sistema autonomo.

Impropria sistema nervoso periferico:

Approfondendo il.

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Sensoriale afferente ( ) Sensoriale Sistema afferente ( ) somatico Sis