Appunti di neurofisiologia dei sistemi integrati

Introduzione allo studio del cervello

Il corso si pone lo scopo di riassumere le conoscenze di fisiologia e anatomia del cervello in una sorta di framework logico. Avete visto come funzionano le molecole, i neuroni, l'anatomia del sistema nervoso, ma insomma, alla fine, come funziona il cervello? Per capirlo occorrono diversi strumenti acquisiti separatamente ma poi occorre riunificarli, facendo ricorso a teorie, modelli e interpretazioni globali del sistema. L'idea è quella di generare una immagine complessiva delle funzioni cerebrali.

Rappresentazione schematica dei livelli organizzativi del sistema nervoso

Quello che succede normalmente a uno studioso è che studia una cosa a un solo livello senza vedere cosa c'è intorno, ma così perdiamo l'intuizione su come funziona l'insieme.

Livelli

Molecolare: genoma e membrane

• Il genoma dei neuroni è dinamico e controlla la sintesi delle proteine neuronali. Se il genoma modifica la sintesi proteica cambia la natura del neurone, regola l'ontogenesi, la sua funzione e la sua memoria. L’unica cosa che non sa fare è far duplicare i neuroni e non può trasmettere le informazioni accumulate in vita alla prole, ma è molto attivo. Molti aspetti della funzione neurale sono legati al genoma.
• La membrana ha caratteristiche peculiari, contiene quelle proteine che permettono al neurone di funzionare come neurone, lo identificano e caratterizzano. Canali ionici, recettori e trasportatori sono il pilastro molecolare del neurone. Un neurone consuma l'80% delle energie per generare gradienti elettrochimici a cavallo della membrana: dei famosi 100g al giorno di glucosio che il cervello consuma, 80 sono usati per far funzionare non il genoma e la sintesi proteica, ma per generare ATP per la pompa sodio/potassio. La membrana governa i flussi ionici e genera i gradienti, controlla i potenziali e le forze osmotiche. Lo studio delle funzioni di membrana è fondamentale per capire come funziona il neurone.

Cellule: neuroni e altro

• Il neurone è stato scoperto da Golgi un secolo fa e rappresenta l'elemento cardine per capire come funziona il cervello. Usa macchinari biochimici e genera potenziali d'azione, potenziali sinaptici e il codice (di cui parleremo in dettaglio).
• Abbiamo capito che il neurone equivale a capire solo un piccolo elemento. Il numero di neuroni è enorme... non abbiamo capito come funziona il cervello! Non è un blocco di ferro in cui gli atomi sono tutti uguali: tentare di capire a partire dal neurone come funziona il cervello non funziona.

Microcircuiti: la frontiera logica della ricerca

Andiamo quindi a un livello ulteriore: i microcircuiti, necessari per capire il cervello globale. Un microcircuito è costituito da un insieme organizzato di decine di migliaia di neuroni, 10-30-50 mila... I microcircuiti si studiano nell'anatomia microscopica del cervello. Come funzionano? (lo vedremo) Capito il microcircuito possiamo essere abbastanza soddisfatti. Abbiamo la chiave per capire come funziona tutto l'organo. Ma non è come un nefrone nel rene, non tutti i microcircuiti sono uguali. Ne dobbiamo capire tanti. Il microcircuito corticale è diverso da quello dei gangli della base, diverso da quello del talamo o del cervelletto... vanno studiati uno a uno.

Funzioni dei microcircuiti

• Sviluppano le operazioni logiche elementari del cervello, fanno essenzialmente dei calcoli, ma per fare i calcoli ci vogliono delle equazioni. E allora dove sta scritta l'equazione di un microcircuito? Da nessuna parte, è una forma di calcolo implicita che non dipende da delle equazioni. Questo genera un compromesso di intuizione nostra, siamo abituati a ragionare secondo la logica matematica che ragiona per equazioni, ma qui equazioni non ci sono, però ci sono dei calcoli.
• Questi calcoli il microcircuito li fa talmente bene da far emergere proprietà particolari: può riconoscere dei pattern, generalizza oltre il principio di identità, categorizza e sa anche generare astrazione. Il microcircuito genera le basi del funzionamento cognitivo.

Interconnessione tra microcircuiti

Un insieme di neuroni può generare queste proprietà. Non possiamo misurare, dobbiamo costruire il microcircuito in un modello e stimolarlo, non vedo le scariche. I microcircuiti si duplicano in tantissimi elementi, milioni, uguali più o meno a sé stessi. Si collegano anche tra di loro, le colonne corticali si contattano tra loro creando strutture corticali molto organizzate. L’organizzazione dei microcircuiti genera strutture macroscopiche. La corteccia è un insieme di microcircuiti collegati tra loro secondo principi organizzativi specifici che si collegano a sua volta con altri microcircuiti non corticali (circuiti sottocorticali, cervelletto..). La corteccia senza quello che c'è sotto non va, è inutile, lavora solo perché ci sono le strutture sottocorticali.

Codice e funzioni integrative

Ci soffermeremo sul codice, sui microcircuiti e le funzioni integrative tra molti microcircuiti. Procediamo per teorie, modelli ed esempi. Figura: come funziona il cervello nel controllo di un'operazione motoria? Come si genera un movimento volontario? Come fa il cervello a metterlo in atto? Dove viene generata una decisione? Nelle cortecce associative, che non sono né motorie né sensoriali in senso stretto. Il segnale viene trasferito alle cortecce motorie, che generano programmi più o meno precostituiti e proiettano al sistema motorio. Ma non ci sono risposte corrette, non vi è ancora chiaro qual è il meccanismo generale del cervello per elaborare un piano, ma cos'è un piano? Come lo implementa? Cos'è il processo cognitivo? C'è un problema di definizioni... tante belle idee ma tutte confuse a riguardo.

Comprensione del sistema nervoso

Il problema va visto dal punto di vista dell'impianto sistemistico del cervello. Sfatare preconcetti e mettere il nostro cervello a livello di quello di tutti i vertebrati (usano tutti la stessa strategia): l'impianto strutturale è sempre lo stesso. Se un cervello si sviluppa per correre a 120 km/h abbiamo un ghepardo, se si sviluppa per manipolare gli utensili abbiamo un uomo, ma l'impianto generale è sempre lo stesso. Descritto in questo schema, sviluppato per spiegare la differenza tra un sistema inanimato (che vive solo di azioni e reazioni) e un sistema organico animato con proprietà che nel mondo inanimato non esistono: il mondo animato è caratterizzato da interazioni tra soggetti e l'ambiente (compresi altri soggetti), c'è un principio di interazione, il nostro cervello è nato per interagire.

Movimento e cognition

Il secondo principio fondamentale è che nostro cervello per governare l'interazione deve governare il movimento. A questo serve: se non dobbiamo interagire e non dobbiamo muoverci il cervello non serve a niente (es. Piante).

Predizione e schemi

Punto critico: per controllare movimento occorre la cognition, cioè la "conoscenza", che implicita nel processo di cui parliamo a livello elementare, è la stessa per tutti gli animali. Non stiamo parlando della cognition che serve per leggere la Bibbia o guardare la Gioconda, ma come fenomeno elementare: è il processo che consente di mettere in atto tramite il cervello l'interazione con l'ambiente e il movimento.

Il cervello è messo in un mondo parallelo, virtuale, non reale. È un sistema adattativo complesso, la mente e il cervello sono la stessa cosa, la mente è frutto dell'attività del cervello. Il cervello è una macchina virtuale, che produce un mondo virtuale in cui c'è la mente. Qui c'è tutto, quello che vediamo, quello che non esiste, il passato, il futuro. Di reale c'è solo l'immediatezza, la memoria è virtuale, le previsioni su cosa succederà domani è virtuale. Il cervello genera virtualità assoluta. Quello che si riferisce alla mente è prodotto dal cervello, lo sappiamo, ma come fa?

Previsione e realtà

Il mondo che c'è fuori è altro, ma comprende il cervello come struttura biologica. Come funziona il cervello? Genera continuamente schemi predittivi, prende dalla memoria, da quello che vede e decide che tra un istante il mondo sarà cambiato in qualche modo (nei ms che seguono l'istante attuale). Esempio: una macchina si sta muovendo, noi possiamo prevedere esattamente dove sarà nell’istante successivo; risvolto pratico: se sto attraversando la strada non finisco sotto la macchina. Possiamo prevedere tutto quello che succederà nell'istante successivo. Se il cervello non lo facesse moriremmo sotto una macchina e ci estingueremmo. Abbiamo uno schema interno di come va il mondo, prevediamo rapidamente cosa l'andamento delle cose possa causare al nostro organismo in modo da comportarci di conseguenza ed evitare i danni. Il cervello contiene gli strumenti per generare questi schemi.

Adattabilità degli schemi

Dove sono e come vengono usati questi schemi? È come un disegno di cosa succede tra un po', schema trasformato in un movimento. Evitare una macchina, il movimento ha delle conseguenze: se evitiamo la macchina lo schema era giusto. Colpire una pallina da tennis con l'intenzione di mandarla in un punto preciso. Come la devo colpire? Molti muscoli coordinati. Io avevo uno schema, prevedo quale sarà l'effetto della racchetta sulla pallina. Posso prevedere le mosse dell'avversario, se la prende o meno. Abbiamo previsto giusto? Lo schema viene confermato. Se lo schema non è giusto (non prendo la pallina) vuol dire che lo devo modificare. Io lo metto alla prova, se è giusto continuo a usarlo con sempre più velocità confidenza, automatismo, ma se è sbagliato possono succedere 2 cose: automaticamente mettiamo in atto delle correzioni, il sistema scopre l'errore, abbandono lo schema e metto in atto una correzione altrimenti il sistema cambia lo schema.

Integrazione sensori-motorie

Gli schemi sono adattabili. Es.: Macchina nuova: appena salgo faccio fatica a guidare, non mi trovo, devo cambiare schema e riadattarlo alla situazione nuova. Come sono fatti gli schemi, dove sono, come si adattano? Gli schemi sono fatti di neuroni, microcircuiti collegati... lo schema genera una predizione, la proietta tramite movimento al mondo esterno che genera una conseguenza, analizzata coi sensi e rimandata allo schema. Paragona lo schema alle conseguenze, se uguali o diverse. Se lo schema è sbagliato, intervengono modifiche dello schema col processo di plasticità.

Il ruolo del tempo

Sulla base di questa figura possiamo andare ancora oltre. C'è qualcosa che non torna.. cosa? Come viene trattato il problema del tempo? Cosa succede nel tempo? Lo schema è fuori dal tempo reale, esiste indipendentemente dal tempo che sta correndo fuori. Lo schema precede il tempo esterno, il tempo dello schema NON è lo stesso tempo che c'è fuori. Il cervello prevede e cerca di mettere in atto la predizione e vedere che succede.

Prendo un bambino di 6 mesi-1anno (cervello parzialmente operativo) che cerca di costruire le contingenze sensori-motorie, cerca di prendere qualcosa: cosa succede? Non raggiunge l'oggetto che vuole, lo supera.. poi ci riprova finché lo prende: ha uno schema motorio molto impreciso, deve integrare l’oggetto con la profondità di campo e col movimento. Vede la direzione, ma non capisce a che distanza è, non ha il senso della profondità di campo. Non ha ancora sviluppato il reaching e grasping, non sa qual è il piano motorio dei suoi arti, non sa che forza imprimere ai muscoli per muovere l'arto. Deve costruire la profondità di campo e lo schema motorio per muovere l'arto. La memoria è povera. Non ha dati preliminari, ma uno schema rozzo: è più probabile che sbagli. Dopo un po' ci arriva: i sensi gli dicono che l'oggetto è a quella distanza e che la forza da usare per arrivarci è di una certa entità. Deve ancora raffinarlo, ma sta iniziando a mettere dati nello schema. Sta usando tantissimi centri nervosi per farlo. Grande quantità di neuroni coinvolti. Accumula dati, implementa dati. Lo schema funziona sempre di più. Da adulti gli schemi sono talmente messi a punto che non sbagliamo più, ma possiamo ancora modificarli: se per esempio prendiamo una cosa che pensiamo pesi poco ma pesa molto dobbiamo riadattare lo schema motorio. Il processo è sempre lo stesso del bambino che impara anche se cambia di meno lo schema.

Predizione e adattamento

Il bambino impara a prevedere che quando arriverà (1 sec dopo) toccherà l'oggetto. Il cervello lavora in anticipo. Punto critico: abbiamo l'impressione di lavorare in anticipo, in ritardo o in tempo reale? In tempo reale! Il sistema agisce in anticipo ma ci rimette in-frame con il tempo esterno. Il matching tra i due assi di tempi è ancora da indagare. Quando prevede l’azione prevede anche la differenza di fase, sa dopo quanto tempo la previsione diventerà realtà. Prevede che succederà tra 1 sec, noi saremo in grado di verificarlo. Ma come fa?

Strumenti e previsioni

Che strumenti usa per prevedere? Il cervello è in attività continua! Non è che si accende o si spegne. La sua attività è regolare, ci sono pulsazioni, oscillazioni... si vede bene nell’EEG: ci sono onde ripetute. Il tempo ha un riflesso nel sistema nervoso: il tempo interno viene misurato tramite le pulsazioni, la cosiddetta metrica interna. Se non ci fossero le pulsazioni non ci sarebbe un tempo interno. Il tempo si riflette nel sistema nervoso. Permette di sincronizzarci col mondo. Se l’EEG è piatto non siamo in sintonia col mondo esterno. Non abbiamo la percezione del tempo. Ciò è strettamente legato al fenomeno della coscienza, noi siamo coscienti del tempo reale e dell'istantaneità: attributo della coscienza è l'istantaneità. Se lo stato di coscienza salta, salta anche la percezione del tempo.

Schemi di azione e reazione

Questi schemi differiscono da uno schema di azione/reazione (riflesso). Un segnale scatena immediatamente una reazione, ma non posso sempre aspettare lo stimolo per far partire una reazione! Se aspetto che la macchina mi venga addosso per scansarmi verrò schiacciato. Se non è possibile prevedere qualcosa (come un accidente improvviso) occorre il riflesso, e più rapido è e meglio è, ma il sistema non può lavorare solo per riflessi! Sherrington ha scoperto gli archi-riflessi (e scopre le sinapsi), li studia, scopre che i riverberi raggiungono la corteccia, ma scrive alla fine che il cervello può essere visto come un sistema di archi riflessi. Ma non può essere! Il processo analogo del feedforward è quello giusto. Es: predittivo, quando prendo un oggetto valuto quanto pesa e preparo uno schema adeguato. Se pesa di più non riesco a prenderlo. Devo usare più forza. Che centro nervoso è coinvolto? Il sistema visivo lo alimenta, permette di selezionare uno schema piuttosto che un altro. Il cervelletto controlla gli schemi a FF. Se salta, salta il sistema di controllo a FF. Come fa? Si sta iniziando a capire.

Comprendere il sistema nervoso

Per cercare di comprendere come funziona il sistema nervoso serve uno schema logico in cui introdurre il nostro discorso. Ma a cosa serve capire come funziona? Rivalutiamo completamente il modo di studiare le patologie del sistema nervoso. Atassia --> disturbi al movimento, quindi il cervelletto controlla il movimento? SBAGLIATO! Il cervelletto controlla i sistemi a FF! Se salta saltano tante altre cose.

(parla della forza di gravità: è vero che c'è una forza che attrae i corpi, ma è sbagliato dire che questo spiega come funziona il sistema --> teoria della relatività e deformazioni dello spazio-tempo: quello che attrae i corpi non è la forza di gravità, ma la deformazione dello spazio-tempo, quindi la teoria della forza di gravità è completamente da rivedere)

Teorie e epifenomeni

Basta non fidarsi di ciò che hanno scoperto prima. Il fenomeno (cervello/atassia, forza di gravità/attrazione) è un epifenomeno, è l'effetto di una teoria più generale, non è esso stesso la teoria. Una buona teoria spiega insieme tanti epifenomeni e non uno solo di questi. La teoria formulata va testata, deve generare conseguenze misurabili.

Anatomia del sistema nervoso

Per poter lavorare sullo studio delle funzioni del sistema nervoso dobbiamo inevitabilmente tenere in conto la reale anatomia del sistema nervoso, che è il riflesso di un’evoluzione che ha portato a evolvere e connettere tra loro centri nervosi che hanno significati specifici. Esistono tante strutture collegate tra loro, serve una chiave per capire cosa significano i loro collegamenti per comprendere l'anatomia. Ci sono vari principi anatomici che generano le chiavi logiche per capire come si integrano le varie parti delle funzioni del cervello.

Corteccia cerebrale

Nel cervello umano esiste una sovracrescita della corteccia cerebrale: dimensioni maggiori nell'uomo rispetto ad altri organismi in termini di massa/volume. La corteccia è analizzabile tramite nuove tecniche di immagini per correlare l'anatomia strutturale alla cognition.