Concetti neuroscienze

Le neuroscienze cognitive

Le neuroscienze cognitive integrano metodologie diverse:

Modellizzazione al computer

• Simulazione di processi cognitivi (intelligenza artificiale) -> reti neurali
• Limiti: i modelli del sistema nervoso sono molto semplificati.

Sperimentazione su animali

• Registrazione da singole cellule
• Lo studio dell’attività da singole cellule pone problemi di interpretazione; lo studio di pattern di attività di gruppi di neuroni permette di comprendere meglio la funzione di un’area cerebrale.

Manipolazioni genetiche

• Interazioni tra ambiente e patrimonio genetico; necessità di comprendere il ruolo funzionale dei geni.
• Tecniche di knock-out genico: manipolazione dell’espressione di una classe di cellule o di recettori.

Studi della patologia umana

• Ictus, tumori, neurochirurgia funzionale, traumi, epilessia, infezioni, malattie degenerative.
• Per lo studio di tali patologie si utilizzano tecniche di neuroimmagine funzionale (TAC, RMN).
• Lo studio delle disfunzioni cerebrali può contribuire a identificare le componenti operative sottostanti alle funzioni cognitive normali.

Gli studi di lesioni possono essere di due tipi:

• Studi di casi singoli: permettono di isolare le componenti operative di un compito, sebbene ci sia scarsa correlazione tra struttura e operazione cognitiva.
• Studi di gruppi: si basano sulla variabilità tra le lesioni e sulla individuazione di regioni di sovrapposizione.

Tecniche neurofisiologiche

• Stimolazione magnetica transcranica (TMS): riguarda lesioni virtuali e temporanee.
• Elettroencefalogramma (EEG), potenziali evento-correlati (ERP): hanno una buona risoluzione temporale, ma scarsa localizzazione della fonte.
• Magnetoencefalografia (MEG): buona risoluzione temporale e spaziale; eventi-correlati (ERF).

Imaging funzionale

• PET - Tomografia ad emissione di positroni: riguarda le variazioni del flusso sanguigno locale.
• fMRI - Risonanza magnetica funzionale: riguarda il livello di ossigenazione nel sangue (Effetto BOLD: rapporto tra ossiemoglobina e deossiemoglobina).
• Rispetto alla PET, la fMRI ha una maggiore risoluzione spaziale, non fa uso di traccianti radioattivi, ha una migliore localizzazione delle sorgenti neurali e una migliore risoluzione temporale.
• Sia PET che fMRI hanno bassa risoluzione temporale; PET= tasso di decadimento dell’agente radioattivo (circa 40 sec.), fMRI= asincronia tra stimolazione funzionale e cambiamenti di segnale.
• fMRI evento-correlata: permette di studiare il decorso temporale dell’attività neurale in rapporto a un dato fenomeno.

Tecniche di neuroimaging come strumento di indagine delle neuroscienze

La risonanza magnetica (RM) o risonanza magnetica nucleare (RMN) o tomografia a risonanza magnetica (TMR), produce immagini di tipo topografico digitale utilizzando campi magnetici e radiofrequenze (non utilizza radiazioni ionizzanti). È una tecnica di diagnostica per immagini non invasiva che permette l’acquisizione di immagini strutturali in tre dimensioni sfruttando precisi processi biochimici. Si rivela utile soprattutto in ambito neurologico per lo studio dell’encefalo e del midollo spinale.

La RM misura l’assorbimento di radiazione elettromagnetica in molecole immerse in un forte campo magnetico. I responsabili del segnale alla base della formazione delle immagini sono i protoni; essi ruotano attorno a un asse (spin) generando un microscopico campo magnetico orientato casualmente. Se sottoposti ad un forte campo magnetico esterno stazionario (B₀), l’asse dei protoni si orienterà lungo il campo stesso; questo orientamento può avvenire nella stessa direzione di B₀ (in maniera parallela con basso livello energetico), o con direzione opposta (in maniera antiparallela con alto livello energetico).

La magnetizzazione risultante è longitudinale, i protoni procedono in modo regolare, allineati parallelamente. Per generare un segnale, per valutare la forza del campo magnetico, è necessario “disturbare” i protoni che procedono in modo regolare. Mettere in risonanza un protone significa fornirgli energia; la magnetizzazione deve essere perpendicolare a B₀. Solo quando un impulso RF e i protoni hanno la stessa frequenza questi possono assorbire energia dall’impulso radio. Scegliendo opportunamente la sequenza di impulsi RF è possibile imporre al sistema di spins una determinata dinamica, così da ottenere l’informazione del segnale RM. Con la sospensione dell’impulso avvengono due fenomeni: il rilassamento trasversale, o annullamento della componente trasversale Mxy, ed il rilassamento longitudinale, o recupero della magnetizzazione longitudinale Mz.

• T1 è il tempo impiegato per tornare alla direzione originaria longitudinale.
• T2 è il tempo impiegato per annullare la direzione trasversale.

I parametri che influenzano il risultato dell’immagine sono i tempi Time to repeat (TR) e Time of echo (TE) che possono essere lunghi o brevi. Mediante la combinazione tra TR e TE si avranno immagini pesate in T1, T2 o in DP.

Le immagini sono acquisite su tre piani diversi: sinistra-destra, antero-posteriore, inferiore-superiore.

• Sequenza pesata in T1: liquido cefalo-rachidiano scuro, grasso brillante, sostanza bianca e grigia del cervello di intensità media. Ha una scarsa sensibilità per le modificazioni patologiche del tessuto; maggior dettaglio anatomico.
• Sequenza pesata in T2: acqua e liquidi appaiono brillanti. Minor dettaglio anatomico rispetto a T1, ma maggiore sensibilità; è in grado di captare le modificazioni patologiche che appaiono iperintense (bianche).
• Sequenza pesata in DP: minore risoluzione di contrasto.

Le sindromi neurologiche associate a specifiche lesioni danno informazioni specifiche sulle funzioni cognitive localizzate. Morfometria basata sui voxel: separa sostanza grigia, bianca e liquido cerebrospinale; quantificazione dei volumi di sostanza grigia e bianca cerebrale.

Analizzare le immagini funzionali

• Analisi per componenti indipendenti (ICA): estrazione di specifici network funzionali e analisi della connettività.
• Seed based analysis (SBA): correlazione tra le attivazioni medie (a risposo) di una regione di interesse e il resto del cervello.
• Network based statistics analysis (NBS): analisi basata su un network stabilito “a priori” o costruito ad hoc. Differenze di connettività tra due gruppi di soggetti all’interno di tali network funzionali.

Tecniche di diagnostica nucleare

Le tecniche di neuroimaging nucleare che servono a studiare il funzionamento del cervello, si basano sulla misura del flusso del sangue (SPECT) e del flusso del sangue e del metabolismo del glucosio (PET) nelle diverse aree cerebrali. In caso di malattie che portino a sofferenza o a morte delle cellule nervose, come avviene nella demenza, il flusso e il metabolismo cerebrali si riducono e PET e SPECT evidenziano tali riduzioni.

La tomografia ed emissione di positroni (PET), fornisce informazioni di tipo fisiologico. Con l’esame PET si ottengono mappe dei processi funzionali all’interno del corpo. Essa utilizza composti radioattivi e visualizza il decadimento di tali molecole. Il decadimento libera positroni (annichilimento) che a loro volta, scontrandosi, liberano radiazioni elettromagnetiche (gamma). Le radiazioni gamma sono registrate ed elaborate elettronicamente per comporre immagini che ne indicano l’origine nel cervello. La PET è quindi in grado di visualizzare quale regione cerebrale accumuli la sonda molecolare impiegata (tracer).

La tomografia computerizzata ad emissione di fotoni singoli (SPECT), è una tecnologia simile alla PET, ma più semplice, che usa composti radioattivi che emettono direttamente radiazioni gamma. Essa non è richiesta nella diagnosi di routine, né aumenta la precisione diagnostica; consente un approfondimento qualitativo, quantitativo e semiquantitativo del flusso ematico regionale in numerose affezioni e uno studio morfofunzionale delle strutture encefaliche. In condizioni normali, il tracciante ha una distribuzione particolare, con maggiore concentrazione nella corteccia cerebrale. Evidenzia deficit di perfusione (ipoperfusione) precocemente rispetto ad altre tecniche (TAC).

Cellule corticali

• Neuroniproiezione: Glutammato -> strati III, V, VI
• Interneuroni: GABA -> tutti gli strati; Glutammato -> IV (talamo)

La corteccia cerebrale ha un’organizzazione a colonne, moduli elementari di analisi della neocortex.

Le funzioni delle aree associative

Seguono tre principi:

1. Le informazioni sensoriali vengono analizzate sia in serie che in parallelo;
2. Le informazioni sensoriali che provengono dalle aree unimodale convergono in aree multimodali;
3. Nel sistema motorio l’analisi delle informazioni procede con una disposizione gerarchica inversa.

Specializzazione emisferica

Nella popolazione generale, il 92-93% è destromano, mentre il 7-8% è mancino (di cui il 50% ha l’emisfero sn dominante e l’altro 50% il dx).

• L’emisfero sn è specializzato nel linguaggio nel 96% degli esseri umani.
• Asimmetrie anatomiche: Piano temporale > a sinistra.

L’emisfero sn è dominante per il linguaggio; l’emisfero dx è specializzato nei compiti visuospaziali.

Le principali zone del corpo calloso sono organizzate in aree funzionali:

• Parte posteriore: trasferimento di informazioni elementari, visive, uditive, tattili, motorie (disposizione postero-anteriore).
• Parte anteriore: trasferimento di informazioni di ordine superiore.

Le specializzazioni emisferiche sono elementi sovrapposti ad una simmetria di fondo. Nel linguaggio, l’emisfero dx isolato può mantenere alcune competenze linguistiche elementari (acquisire la capacità di produrre enunciati di una singola parola). Sebbene la sintassi generativa sia presente in un solo emisfero, tuttavia, l’emisfero dx con competenze linguistiche è in grado di comprendere giudizi di grammaticalità, o se una parola semanticamente anomala conclude una frase. I pattern del discorso vengono memorizzati, ma l’emisfero dx non è in grado di servirsene.

Prosodia emotiva: l’emisfero dx comprende il contenuto emotivo del linguaggio.

Riconoscimento dei volti

• L’emisfero dx prevale nel riconoscimento di volti familiari;
• L’emisfero sn prevale nel riconoscimento del proprio volto.

Nei soggetti con cervello diviso è ancora possibile un’integrazione interemisferica per la localizzazione spaziale. In questi soggetti, come in quelli normali, l’attenzione spaziale si orienta verso la posizione segnalata dal cue. I due emisferi usano un sistema di orientamento spaziale comune; anche nei soggetti con cervello diviso il sistema attenzionale è unifocale.

Pazienti con lesioni focali unilaterali

• Emisfero sn: target locali
• Emisfero dx: target globali

Asimmetrie funzionali in soggetti sani

“Vantaggio dell’orecchio dx”

Asimmetrie funzionali degli emisferi

Proprietà degli stimoli e dei compiti:

• Emisfero sn: funzioni linguistiche
• Emisfero dx: funzioni spaziali

Stili di elaborazione:

• Emisfero sn: analitico - sequenziale
• Emisfero dx: olistico - in parallelo

Correlazione compito/elaborazione:

• Emisfero sn: processi verbali/analitici
• Emisfero dx: processi spaziali/olistici

Mentre l’emisfero sn cerca una relazione causale tra gli eventi e interpreta questi ultimi, l’emisfero dx registra in modo realistico gli eventi. Tuttavia, l’emisfero dx non è privo del ragionamento causale.

• Emisfero sn: inferenza causale
• Emisfero dx: percezione causale

L’emisfero sn è specializzato in azioni sequenziali; Teoria di Corballis: produzione di una serie infinita di sequenze a patire da una serie finita di unità fondamentali.

Sistemi sensoriali

Tutti i sistemi sensoriali hanno in comune tre caratteristiche:

1. Uno stimolo fisico;
2. Una serie di eventi che trasformano lo stimolo in impulso nervoso;
3. Una risposta a questo stimolo sotto forma di percezione o di esperienza cosciente della percezione.

Tutti i sistemi sensoriali analizzano quattro attributi dello stimolo:

1. Modalità;
2. Sede;
3. Intensità;
4. Decorso temporale.

Il recettore sensoriale trasforma l’energia dello stimolo in energia elettrica (potenziale di recettore); tale processo è detto trasduzione dello stimolo; perché la trasduzione avvenga lo stimolo deve essere adeguato ed è necessario il codice della linea attivata. Gli interneuroni inibitori permettono una migliore definizione spaziale. Tutte le cortecce sensoriali hanno in comune l’organizzazione topografica e la magnificazione corticale.

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