Basi neurometaboliche delle funzioni cognitive

Lab: basi neurometaboliche delle funzioni cognitive

Esame

Domande: scritto con 30 domande a risposta chiusa. Tempo: 45 min. Idoneità: 18/30. Date: 04/07/20 – 25/07/20 oppure 06/09/20 – 27/09/20.

Lezione 1

Neuroscienze cognitive e psicologia: una prospettiva storica

Nascita della neurologia e della neuroanatomia clinica

La nascita della neurologia e della neuroanatomia clinica si fa risalire a secoli fa in Inghilterra. Essa viene collegata un po' al quadro “Esecuzione di Anne Green”, impiccata perché ritenuta responsabile dell’uccisione del proprio figlio che invece era nato morto. Questa storia ci interessa perché i medici che poi si occuparono di dichiararla morta furono William Petty e Thomas Willis (medico che ha dato vita a tutta la disciplina che poi circa 3 secoli dopo darò origine alle neuroscienze cognitive). I due medici si resero conto che in realtà lei non era morta e quindi la analizzarono ulteriormente e iniziarono a prendersene cura. Quando poi si riprese le autorità volevano giustiziarla nuovamente ma i due medici la difesero dicendo che il figlio era nato morto e dissero che il fatto che la provvidenza l’avesse fatta scampare alla morte rappresentava il segnale che fosse innocente.

Tutta questa storia fu molto pubblicizzata e Willis raggiunse una grande fama e ciò gli consentì di pubblicare diversi dei suoi studi. Fu un medico affermato e noto della sua epoca e fu anche colui che coniò il termine di “neurologia”. Willis viene considerato il fondatore delle discipline neuroscientifiche poiché fu il primo anatomista a mettere in relazione il comportamento umano anormale a modificazioni della struttura cerebrale mise in relazione specifiche lesioni cerebrali con specifici deficit comportamentali. Fu poi anche tra i primi a mettere in luce il fatto che il cervello fosse in grado di trasferire le informazioni secondo quella che poi sarebbe stata definita “conduzione nervosa e potenziale d’azione”. Assieme a Christopher Wren (architetto) Willis mise a punto alcune illustrazioni del cervello umano. Egli inoltre coniò vari termini diventati poi tipici della disciplina: striato e nervo vago.

La storia del cervello

Willis avviò le idee e la conoscenza di base che si è sviluppata in quelle che oggi consociamo come campo delle neuroscienze cognitive, ma diventeranno le neuroscienze cognitive solo negli anni ’70 quando Gazzaniga e Miller, viaggiando in un taxi, si chiesero quale potesse essere il termine più appropriato per descrivere una nuova disciplina, che potesse mettere in luce come dal funzionamento del cervello potesse derivare la mente (che prevede quindi anche una coscienza). Durante questa corsa in taxi fu concepito il termine “neuroscienze cognitive”. Questa definizione sembrò perfetta per descrivere come le funzioni del cervello potessero dare luogo ai pensieri e alle idee di una mente intangibile.

Ma… per comprendere le proprietà del cervello e per capire perché si siano sviluppate in esso determinate caratteristiche, occorre sempre tenere a mente una prospettiva evoluzionistica: perché questo comportamento può essersi evoluto? In che modo esso poteva promuovere la sopravvivenza e la riproduzione? Molto spesso si pensa che un processo mentale, come ad esempio l’attività emotiva negativa (ansia, paura ecc.), sia un qualcosa che non ci deve essere, ma se si è sviluppata vuol dire che ha un valore adattivo. Essa quindi non deve essere eliminata ma è necessario capire perché il processo in sé si sia evoluto. I sintomi (ad esempio ansia e paura) che in quel momento si stanno manifestando e stanno compromettendo la funzionalità sociale dell’individuo hanno un funzionamento adattivo. Questo va tenuto sempre a mente e va anche comunicato ai pazienti: vedere un sintomo come una gestione di un problema che potrebbe essere più grave piuttosto che avere l’idea di aver sviluppato un problema vuol dire molto.

Dobbiamo sempre un po' tenere presente l’ottica evoluzionistica quando parliamo di proprietà emergenti che si manifestano ad un certo punto nel cervello dell’individuo e quando parliamo di un insieme di funzioni cerebrali che poi hanno dato luogo alla mente. È fin dall’antichità però che l’uomo ha cercato di esplorare la mente, solo che non possedeva gli strumenti adatti per farlo. L’esplorazione della mente sarà possibile all’incirca intorno al 19esimo secolo, con lo sviluppo del metodo scientifico: è il solo modo in cui una materia possa progredire su basi certe.

Willis ha anticipato le future neuroscienze cognitive, attraverso la nozione per cui delle lesioni cerebrali isolate (biologia) potessero influenzare il comportamento (psicologia). Le intuizioni di Willis furono riprese solo dalla metà del 1700 in poi, da Gall (anatomista austriaco) che fu colui che iniziò a pensare che il cervello fosse l’organo della mente e che le funzioni cerebrali che tutti noi possediamo a livello innato dipendessero e fossero localizzate in specifiche regioni della corteccia. Le sue idee si diffusero in tutta Europa ed il suo allievo Spurzheim, ipotizzò che se una determinata funzione fosse stata utilizzata con più frequenza sarebbe poi aumentato il volume e questo aumento avrebbe potuto creare una protuberanza e attraverso l’indagine delle protuberanze si sarebbero potute raccogliere molte informazioni sulla personalità dell’individuo.

Gall definì questa tecnica “frenologia”. La frenologia subì poi un declino e un altro fisiologo si occupò di studiare per bene questa disciplina. Flourens osservò che effettivamente certe aree cerebrali erano responsabili di certe funzioni (ad esempio: cervelletto coordinazione ed equilibrio) ma non riuscì mai a trovare un’area ben specifica che fosse in grado di regolare le capacità superiori come ad esempio la memoria e la cognizione e concluse quindi che esse erano distribuite nel cervello. Egli creò la teoria del “campo aggregato”. In questo modo la teoria della localizzazione delle funzioni cerebrali (localizzazionismo) perse molto del suo favore.

In realtà questa situazione non durò molto a lungo perché altri neurologi, prevalentemente in Germania ma non solo, iniziarono a studiare altri pazienti e fu notato che tre pazienti che presentano disturbi dell’eloquio partivano tutti da lesioni simili dell’emisfero sinistro e questo già sembrò un qualcosa che fosse degno di attenzione, soprattutto poiché si proveniva da una tradizione che badava molto alla localizzazione della funzione cerebrale. Anche in questo caso però ci vollero circa 30 anni prima che queste osservazioni fossero riprese nuovamente in considerazione.

Tutto ciò avvenne quando Jackson iniziò a proporre verifiche concrete della tesi localizzazionista. Egli (che aveva principalmente pazienti epilettici) osservò che durante le loro crisi e le loro scosse miocloniche vi fossero dei movimenti ordinati a livello cerebrale, al punto da pensare che esistesse proprio una sorta di mappa precostituita del corpo, e quando avvenivano queste attivazioni aprossistiche dell’attività cerebrale, questa mappa venisse ripercorsa (in un certo senso) in serie. Egli ipotizzò infatti che la corteccia avesse un’organizzazione topografica che venne poi dimostrata da Penfield: l’idea era quella per cui una data area corticale contenesse la rappresentazione di una data area corporea.

Penfield definitivamente identificò la cosiddetta mappa corticale e a lui si deve la descrizione dell’homunculus motorio e dell’homunculus sensitivo, ovvero della rappresentazione sulla corteccia motoria primaria e sulla corteccia somatosensoriale primaria, rispettivamente delle diverse parti del corpo.

Dopo circa 30 anni Broca, pubblicò uno i suoi studi su uno dei pazienti più famosi, ovvero il paziente “Tan”. Tan aveva sviluppato un’afasia di produzione, ovvero era in grado di comprendere il linguaggio ma a livello di produzione “tan” era l’unica parola in grado di pronunciare. Tutto questo era dovuto ad una lesione del lobo frontale inferiore dell’emisfero sinistro, dovuta alla sifilide. L’area dell’emisfero sinistro prese il nome di area di Broca. L’impatto di questa scoperta fu enorme perché fu considerata il primo caso in cui una specifica alterazione del linguaggio fosse poi prodotta da una specifica lesione. In seguito questo tema fu ripreso da Wernicke, il quale analizzò invece il disturbo della comprensione del linguaggio.

Nel 1986 Wernicke ebbe modo di vedere come il paziente da lui osservato, in seguito ad ictus era ancora in grado di parlare con discreta fluenza ma, a differenza del paziente di Broca, ciò che diceva non aveva senso. Inoltre, aveva perso la capacità di comprendere il linguaggio, parlato e scritto. Questo paziente aveva subito una lesione posteriore dell’emisfero sinistro, una lesione in un’area di reciproco contatto tra lobo temporale e lobo parietale, che in seguito fu denominata area di Wernicke. Da questo momento in poi si è iniziato a porre l’attenzione su un fatto specifico: i fisiologici tedeschi Fritsch e Hitzig stimolarono elettricamente varie aree del cervello di un cane ed osservarono che la stimolazione produceva nell’animale specifici movimenti. Essi formularono un’ipotesi ancora più specifica: se tali aree cerebrali fossero state deputate a funzioni differenti, sarebbero dovuti anche apparire differenti a livello cellulare. Uno dei neuroanatomisti tedeschi che più di tutti studiò il cervello microscopicamente fu sicuramente Brodmann, il quale analizzò l’organizzazione cellulare della corteccia e ne caratterizzò 52 regioni distinte. Pubblicò le sue mappe corticali nel 1909 e si servì di particolari colorazioni per tessuti, come quella sviluppata da Nissl, per evidenziare l’esistenza di tipologie cellulari differenti in regioni diverse del cervello. Per indicare le differenze di organizzazione cellulare nelle varie regioni cerebrali fu coniato il termine citoarchitettonica, ovvero architettura cellulare.

Probabilmente una delle grosse svolte nella comprensione del SNC si giocò in gran parte nei primi anni del 900 tra due grandi neuroscienziati: Golgi e Ramon Y Cajal. Golgi sviluppò uno dei metodi di colorazione cellulare più famosi della storia: il modo per colorare d’argento i singoli neuroni, chiamato anche reazione nera, a causa della coloritura scura che impregnava i neuroni di cromato d’argento. Questa colorazione consente la visualizzazione dei singoli neuroni nella loro interezza. Usando la colorazione di Golgi, Ramon Y Cajal giunse a scoprire che contrariamente a quanto sostenuto da Golgi ed altri, i neuroni erano unità discrete, non erano in continuità l’uno con l’altro. Golgi aveva infatti proposto che l’interno del cervello fosse un sincizio, ovvero una massa di tessuto i cui elementi costitutivi avevano in comune il citoplasma.

Tra le tante intuizioni, che furono poi rivelate corrette, ci fu anche il concetto di trasmissione nervosa: secondo Cajal la trasmissione avveniva in un’unica direzione, dai dendriti al terminale dell’assone. Mise anche in luce quello che è stato poi denominato effetto Purkinje: la tendenza dell’occhio umano a percepire diversamente i colori in relazione alla quantità di luce presente nell’ambiente. In condizioni di forte luminosità infatti si tende a distinguere maggiormente le tonalità di rosso, mentre con scarsa luminosità è il blu che prevale. Egli scoprì anche quelle che furono poi denominate fibre di Purkinje cardiache, le più grandi cellule del cuore. Esse esercitano un ruolo fondamentale sia nella conduzione del battito cardiaco sia (come pacemaker) nel caso di malfunzionamento del nodo senoatriale o del nodo atrioventricolare.

In seguito, altri studi avanzarono il campo delle neuroscienze cognitive, tra cui Von Helmholtz, il quale comprese che la corrente elettrica nervosa non rappresenta un effetto collaterale dell’attività cellulare ma il mezzo stesso che trasporta le informazioni lungo l’assone. Sherrington studiò il comportamento unitario del neurone e coniò il termine sinapsi per descrivere la giunzione tra due neuroni. Per queste scoperte, nel 1932 vinse il premio Nobel.

Quindi con l’avanzare del XX secolo le posizioni localizzazioniste andarono incontro a una mediazione da parte di coloro che sostenevano che: è vero che ci possono essere delle funzioni che sono ben descritte e ben rappresentate dal funzionamento di una singola area cerebrale ma è anche vero che altre funzioni neuronali sono meglio spiegate dal funzionamento di una rete di aree cerebrali, sono quindi le interazioni tra queste funzioni che consentono all’essere umano di mantenere un comportamento coerente e integrato. Quest’idea era già stata avanzata praticamente un secolo prima da Claude Bernard.

Gli scienziati sono quindi arrivati a credere che la conoscenza delle singole parti (i neuroni e le strutture cerebrali) deve essere acquisita assieme a quella dell’insieme, della globalità (cioè, ciò che le parti determinano quando sono messe assieme: la mente).

Coloro che hanno studiato più da vicino la mente furono stati inizialmente i medici, sicuramente tra i più importanti si può vedere Donders che già alla fine degli anni 60’ dell’ 800 propose l’utilizzo dei tempi di reazione per inferire la differenza di elaborazione cognitiva, definita poi metodo sottrattivo. In genere si presentavano davanti al soggetto due compiti leggermente diversi: uno in cui doveva premere ad esempio il tasto J nel momento in cui si accendeva una luce e uno in cui il partecipante doveva premere il tasto J se la luce si accendeva a sinistra mentre doveva premere il tasto K se la luce si accendeva a destra. Doveva quindi effettuare una scelta. La seconda condizione mostrava al soggetto una criticità in più, nell’effettuare la scelta c’era infatti un tempo di reazione leggermente più elevato. In ogni caso la sottrazione tra i tempi di reazione delle due condizioni ci permetteva di capire quanto, a livello di tempo, il cervello riusciva ad elaborare la seconda condizione. A partire da questo metodo di Donders, gli psicologici iniziarono a studiare la mente misurando proprio il comportamento e nacque finalmente la cosiddetta psicologia sperimentale, la cui fondazione si fa risalire a Lipsia nel 1879 da parte di Wundt che creò il primo laboratorio di psicologia sperimentale. Questa fu una vera e propria rivoluzione, perché finché non nacque la psicologia sperimentale il territorio dell’appannaggio della mente era legato alla filosofia.

Posizioni contrapposte: empirismo e razionalismo

Si erano affermate fino a quel punto due posizioni contrapposte:

• Empirismo: il cervello nasce come una tabula rasa sulla quale tutto deve essere impresso. Ogni conoscenza deriva unicamente da un’esperienza sensoriale e niente altro. Molti filosofi del tempo tra cui Locke e Hobbes appartenevano a questa corrente di pensiero. Secondo l’empirismo le idee semplici e le informazioni semplici che si imprimevano sulla tabula rasa poi si associavano fra loro e davano luogo all’origine di concetti complessi. Questa scuola si aggregò attorno al concetto di associazionismo.
• Razionalismo: frutto del periodo storico dell’illuminismo. Sostenevano che la verità e tutto ciò che era conoscibile come vero non derivava dalla natura sensoriale ma da quella intellettuale. Alcuni dei sostenitori di questa corrente erano sicuramente Cartesio, Spinoza e Leibnitz. Il razionalismo non è il ragionamento logico. La logica si fonda sul ragionamento induttivo e non considera gli stati mentali di una persona. Il razionalismo considera anche gli stati mentali, perciò una decisione razionale è più complessa di una decisione logica.

Molti degli studiosi della psicologia sperimentale che hanno studiato i vari processi cognitivi tra cui Ebbinghaus sono appartenuti ad un inquadramento teorico associazionista. I suoi esperimenti sulla memoria presuppongono un inquadramento teorico di questo tipo. Anche ciò che osservò Thorndike nei suoi studi sugli animali presupponeva un’impostazione di questo tipo. Egli osservò che la ricompensa arrivava a rappresentare il meccanismo responsabile del mantenimento di una risposta, da parte dell’animale, più adattiva.

In seguito, le posizioni associazioniste vengono dominate da Watson, che comunemente viene definito come il fondatore del comportamentismo. Secondo lui la psicologia poteva essere oggettiva solo se si dedicava unicamente all’analisi e all’osservazione del comportamento. Secondo molti gli studi avviati in seguito da Skinner furono nient’altro che la dimostrazione del funzionamento di queste teorie, come ad esempio il condizionamento operante: un animale manteneva una sequenza di comportamenti se alla fine otteneva una ricompensa attraverso la pressione di una leva (questo era già stato visto comunque da Thorndike). La Skinner box diede un ulteriore impulso decisivo al comportamentismo. Queste posizioni tra cui la psicologia comportamentista e associazionista si protrassero.

Sebbene gli psicologi americani fossero focalizzati sul comportamentismo, gli psicologici britannici e canadesi non lo erano affatto. Vi fu e prese piede infatti tutto un nuovo movimento che individuava nella struttura del cervello la cognizione e il comportamento dell’uomo. Tra i primi e più importanti di questo filone per quanto riguarda la scuola canadese fu Penfield che studiò a lungo i pazienti con epilessia.

Hebb fondò e diede vita al concetto di quelle che furono definite le sinapsi Hebbiane. Sostenne che le cellule che scaricano assieme, divengono interconnesse.