Fondamenti anatomo fisiologia dell'attività psichica

Fondamenti anatomo-fisiologici dell'attività psichica

Cenni storici e metodologici

Le neuroscienze rappresentano una disciplina multidisciplinare, di fondamentale importanza per lo psicologo. Esse superano il dualismo mente-corpo integrando competenze e osservazioni di diverse discipline. Nel corso del tempo anche l’approccio allo studio delle funzioni cerebrali e mentali è evoluto significativamente. Uno degli approcci allo studio delle funzioni cerebrali è l’approccio riduzionistico, che consiste nel dividere la complessità del problema in piccole parti, limitando l’indagine cerebrale a specifici e singoli aspetti (cellulare, comportamentale). Tuttavia, oggi, il riconoscimento della complessità del cervello ha orientato lo studio verso principi basati sulle connessioni fra aree e strutture cerebrali. Il connessionismo, o connettomica, rappresenta infatti la nuova frontiera delle neuroscienze, poiché consente di superare un approccio frenologico all’indagine dei processi nervosi a favore di una visione più complessa e dinamica delle funzioni cerebrali.

Già dall’Antico Egitto, anche se con scarse conoscenze anatomo-fisiologiche, gli egizi riconobbero importanti funzioni all’organo del cervello. Le loro constatazioni derivano da osservazioni anatomo-antropologiche della pratica detta trapanazione cranica. Questa pratica consisteva nel provocare chirurgicamente dei fori nel cranio di individui ancora in vita con l’intento di curare specifiche malattie mentali e nervose, tra cui il mal di testa. Inoltre, si riteneva che tale pratica fosse utile per liberarsi degli spiriti del male e, si ritiene sia stata impiegata da alcune popolazioni fino al XX secolo. Recentemente, sono stati documentati dei casi di autotrapanazione per la cura di condizioni di malessere psichico come la depressione.

Verso il IV sec. A.C., nell’Antica Grecia, la medicina si inizia a interrogare sul ruolo del cervello rispetto a specifiche funzioni. Ippocrate definì il cervello come la sede dell’intelligenza e dell’elaborazione delle sensazioni. Egli partì da un assunto di base secondo cui vi è nell’anatomia umana una correlazione fra struttura e funzioni. Osservò, inoltre, come molte innervazioni si dirigono dagli organi di senso verso il cervello. Aristotele, invece, riconosceva nel cuore la sede dell’intelletto mentre attribuiva al cervello la funzione di raffreddamento del sangue pompato dal cuore. Quindi, il temperamento umano veniva interpretato alla luce delle capacità di refrigerazione del cervello.

Nel I sec. a.C., Galeno, medico e filosofo dell’antica Roma, condusse numerose osservazioni neuroanatomiche indicando un’importante distinzione fra encefalo e cervelletto, suggerendo il coinvolgimento del cervelletto nel controllo dei movimenti. La sua conclusione nacque da una particolare indagine: tastando il cervelletto notò che la sua consistenza era più dura dell’encefalo e ne ipotizzò, quindi, il coinvolgimento nel controllo motorio. Mentre l’encefalo, più morbido, era la sede delle memorie. Galeno condivise inoltre la teoria del bilanciamento dei quattro fluidi vitali o umori nel controllo del movimento. Ossia, lo spostamento dei quattro fluidi all’interno dei ventricoli, e dai ventricoli verso la periferia mediante i nervi, sarebbe responsabile del controllo dei movimenti. I nervi sono visti come tubi all’interno dei quali si spostano i fluidi.

Nel XVI sec., Andrea Vasavio fornì maggiori dettagli anatomici sulla struttura cerebrale mediante la sua pubblicazione “De humani corporis fabrica”. Cartesio, nel XVII sec., sostenne il dualismo mente-cervello, ovvero riconobbe la mente come entità spirituale e il cervello come entità meccanica, fisica. Riconobbe anche nella ghiandola pineale la struttura di connessione alla base del rapporto di comunicazione mente-cervello.

Verso la fine del XVII sec., grazie a tecniche di dissezione più specifiche per il cervello, si riconobbe che i ventricoli cerebrali non sono vuoti ma che contengono il liquido cerebro-spinale e che il tessuto cerebrale è suddiviso in due parti: la sostanza grigia e la sostanza bianca. La sostanza bianca cerebrale mostrava una continuità con i nervi, ovvero che contenesse le fibre che dipartivano dalla sostanza grigia. Si osservò inoltre che la distribuzione generale della superficie dell'encefalo presentava delle irregolarità simili in ogni individuo, favorendo le prime concezioni del cervello in mappe e ripartizione in lobi. Si riteneva, tuttavia, che diverse funzioni fossero localizzate in diverse prominenze del cervello, teoria definitivamente superata.

Gli sviluppi più importanti in neuroscienze avvennero a partire dal XIX sec. quando si riconobbe al cervello un ruolo fondamentale nell’elaborazione di funzioni quali percezione, movimento e pensiero. I nervi sono riconosciuti come fili e non come tubi come sosteneva la teoria galenica e, grazie agli esperimenti di Luigi Galvani, si osservò che la somministrazione di impulsi elettrici provocava la contrazione di alcuni muscoli, riconoscendo quindi la funzione fondamentale dei nervi nella trasmissione della energia elettrica. Grazie inoltre al metodo invasivo delle ablazioni sperimentali si osservarono delle associazioni dirette fra lesione cerebrale e sintomatologia.

Inoltre, lo sviluppo tecnologico, in particolare quello dei primi microscopi, consentì l’osservazione diretta dei neuroni e il loro riconoscimento come unità funzionale fondamentale del cervello. Sempre nel XIX sec. la frenologia si diffuse notevolmente sostenendo che la morfologia del cranio e del cervello indicherebbe particolari aspetti del temperamento e delle abilità individuali. Oggi tale teoria è ritenuta priva di fondamento scientifico. Tra i frenologi possiamo riconoscere il neurologo Broca che, insieme ai diagrammisti, tentò di identificare le aree cerebrali le cui lesioni possono interamente spiegare specifici disordini di carattere cognitivo e neurologico. Broca, inoltre, a seguito dello studio del caso di un paziente che, in assenza di deficit di comprensione, riusciva ad articolare una sola parola “tan tan”, identificò l’afasia motoria, sostenendo che il paziente avesse perso un tipo particolare di memoria, quella dei movimenti necessari per articolare le parole. Wernicke descrisse, invece, l’afasia sensoriale, causata da lesioni alla parte posteriore della prima circonvoluzione temporale sinistra.

Nel corso dell’800 venne definita la prima mappa citoarchitettonica del cervello grazie a Brodman. Egli osservò con l’ausilio della tecnica di colorazione dei tessuti, che le diverse aree della corteccia sono caratterizzate da una diversa architettura cellulare, ipotizzando che ciascuna area fosse associata a funzioni diverse. Negli stessi anni, Theodor Schwann, biologo tedesco, sostenne la teoria cellulare, secondo cui tutti i tessuti sono costituiti da unità microscopiche dette cellule. Questa teoria fu difficile da riconoscere anche al cervello poiché il tessuto nervoso appariva al microscopio come costituito da una rete di filamenti simili ai vasi sanguigni. In seguito agli sviluppi in microscopia il neurone è stato riconosciuto come unità funzionale e distinta. Schwann riconobbe un particolare tipo di cellule che portano il suo nome, le quali fanno parte delle cellule gliali e la loro funzione principale è di fornire un rivestimento protettivo ai neuroni.

Nel XX sec. Hodgkin e Huxley, dai loro studi sui meccanismi attraverso i quali i neuroni producono segnali elettrici e come questi segnali si propagano all’interno delle cellule, fecero una delle scoperte più importanti. Definirono un modello matematico che descrive il processo di depolarizzazione della membrana cellulare. Utilizzarono un calamaro per gli esperimenti, poiché possiede un assone gigante che consente di essere studiato più facilmente. Katz, Miledi e Castillo riconobbero la trasmissione chimica tra neuroni, in particolare, individuarono la presenza di neurotrasmettitori e recettori nello spazio inter-sinaptico.

A seguito degli sviluppi sperimentali tra il XIX e il XX secolo, la moderna biologia riconosce due principali classi di cellule nel sistema nervoso: i neuroni e la glia. Mentre i primi rappresentano l’unità fondamentale e principale della comunicazione nervosa, le seconde rappresentano una classe particolare di cellule che preservano i neuroni e ne consentono il corretto funzionamento.

Infine, tra le principali differenze dei metodi di studio in neuroscienze tra ‘800 e ‘900 si può riconoscere che, nel XIX secolo, erano frequenti gli studi dei singoli casi clinici e molti casi reputati meno interessanti sfuggivano all’osservazione, e si diffonde la frenologia. Mentre, nel XX secolo, nascono i modelli statistici che consentono un confronto sperimentale basato sulla quantificazione dei dati e non solo sull’osservazione clinica, e si utilizzano anche gruppi di controllo come elemento di paragone. Inoltre, le neuroscienze iniziano ad interagire con la psicologia dei processi normali, ponendo le basi per le neuroscienze cognitive.

Tecniche di indagine della struttura e delle funzioni cerebrali

Tra gli attuali metodi di indagine della struttura e delle funzioni cerebrali possiamo distinguere le tecniche di indagine strutturale e funzionale. Le tecniche di indagine strutturale restituiscono immagini della struttura cerebrale utili per l’identificazione di aree lesionate. Tra queste tecniche troviamo:

• Tomografia Assiale Computerizzata (TAC): le cui immagini dipendono dalla trasmissione di un fascio di radiazioni X. Il coefficiente di assorbimento del tessuto determina l’attenuazione del fascio di radiazioni, tradotte dal computer in diverse tonalità di grigio. Le lesioni più indagate con la TAC sono quelle di tipo vascolare come infarti ed emorragie. È uno strumento invasivo infatti è sconsigliabile un’esposizione frequente.
• Risonanza Magnetica Nucleare (RMN): ricorre all’uso di campi magnetici per ottenere immagini del tessuto oggetto di indagine. Restituisce immagini con risoluzione elevata ed è possibile distinguere bene la sostanza grigia da quella bianca e altre regioni cerebrali. Non è invasiva ma non è adatta ai portatori di pacemaker e ai claustrofobici.

Le tecniche di indagine funzionale consentono di osservare la funzionalità cerebrale attraverso diversi parametri tra cui l’afflusso di sangue poiché l’attivazione di un’area cerebrale richiede maggiore metabolismo, che è associato ad un maggiore apporto di sangue nelle aree coinvolte. Tra queste tecniche:

• Tomografia ad Emissione di Singoli Fotoni (SPECT): studia il flusso ematico cerebrale grazie alla rilevazione di un tracciante radioattivo mediante una gammacamera che ruota a 360 gradi intorno alla testa del soggetto. Non presenta rischi o effetti collaterali, tuttavia potrebbe essere definita come leggermente invasiva per via della necessità di somministrazione del tracciante. Restituisce immagini tridimensionali.
• Tomografia ad Emissione di Positroni (PET): fa uso di traccianti emittenti positroni, il tracciante più utilizzato è il 18-fluorodesossiglucosio che impiega circa 40 minuti dopo la somministrazione per raggiungere lo stato stazionario. Il suo vantaggio è quello di poter studiare il cervello durante l’esecuzione di compiti cognitivi.
• Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI): utilizza i principi della RMN per ottenere immagini strutturali del cervello. Si basa sulle proprietà magnetiche dell'emoglobina, che è la proteina che porta l’ossigeno al sangue. Quando cede ossigeno, l’emoglobina si trasforma in desossiemoglobina, producendo un segnale che viene definito BOLD (blood oxygen dependent level). Ha un’elevata risoluzione spaziale mentre la temporale è nell’ordine dei secondi. I disegni sperimentali che si ottengono sono di 2 tipi: a blocchi (soggetto esegue diversi compiti in un certo intervallo temporale) e evento-correlato (il segnale BOLD è correlato a specifici eventi). L’analisi dei dati ricorre al metodo sottrattivo, consiste nella sottrazione dell’attività cerebrale in stato di riposo dall’attività cerebrale in fase di attivazione.
• Magnetoencefalografia (MEG): registra i campi magnetici generati dall’attività elettrica del cervello con un’elevata risoluzione temporale ma bassa spaziale. È una tecnica poco diffusa a causa dei costi.
• Elettroencefalografia (EEG): rileva l’attività di popolazioni di migliaia di neuroni, ovvero la somma spazio-temporale dei potenziali post-sinaptici.
• Spettroscopia nel Vicino Infrarosso (NIRS): è la tecnica più recente di indagine della funzionalità corticale. È composta da una serie di sorgenti e detettori disposti su una cuffia o su una fascia (dipende dal numero). La NIRS misura l’ossigenazione tissutale mediante una radiazione ottica: la banda spettrale nel vicino infrarosso. Parte del fotone NIR emesso dalla sorgente viene assorbito dal tessuto, e parte viene rilevato dal detettore secondo una distribuzione detta a banana (banana shape). La distanza fra sorgente e detettore determinerà l’estensione e la profondità dell’area corticale indagata.

Esistono inoltre gli indici elettrofisiologici periferici associati alla funzionalità del sistema neurovegetativo e muscolare così come all’analisi dei movimenti oculari. Nel sistema neurovegetativo l’attività elettrica cutanea è connessa alle ghiandole sudoripare, le quali sono innervate di fibre del sistema nervoso simpatico, la cui attivazione è associata ad una maggiore secrezione di queste ghiandole. Le variazioni dell’attività elettrica della pelle in risposta ad eventi sensoriali o cognitivi vennero inizialmente indicate come riflesso psicogalvanico. Oggi si distinguono un’attività di base o tonica (SCL, skin conductance level), da un’attività in risposta a stimoli specifici (SCR, skin conductance response). La conduttanza cutanea viene rilevata mediante elettrodi posti sulla cute, tipicamente sui polpastrelli. Il segnale psicogalvanico fornisce diverse informazioni come: latenza e ampiezza e altri parametri come il tempo trascorso prima che il segnale ritorni ai valori di baseline. Nel campo delle emozioni questo parametro viene utilizzato per valutare il livello di attivazione simpatica in risposta ad eventi emotigeni.

Nel sistema muscolare l’elettromiogramma (EMG) consente di misurare l’attività elettrica associata alla contrazione muscolare. Viene misurata mediante elettrodi di superficie e può essere utilizzato come indice di risposta comportamentale o per lo studio delle contrazioni muscolari in aree di particolare rilievo psicologico.

In quanto al sistema oculare, l’elettrooculogramma (EOG) attraverso elettrodi di superficie registra le variazioni di potenziale elettrico durante i movimenti oculari. Ogni movimento oculare produrrà una variazione di potenziali elettrici rilevabili dall’EOG. È usato, in ambito sperimentale, per lo studio delle saccadi, ovvero movimenti oculari orizzontali molto rapidi. L’EOG viene utilizzato nell’EEG per monitorare i principali artefatti muscolari di tipo oculare, cioè quelle attività che non sono di origine cerebrale e che costituiscono un elemento di disturbo per il tracciato EEG. Gli artefatti oculari sono due: le saccadi e i blink (ammiccamento palpebrale).

Tra gli indici elettrofisiologici centrali le tecniche che consentono di studiare l’attività elettrica del cervello le principali sono: patch-clamp recording, single-unit recording, elettrocorticografia (ECoG) ed elettroencefalografia (EEG). L’elettroencefalogramma consiste nel posizionamento degli elettrodi sullo scalpo secondo un preciso sistema detto: sistema internazionale 10-20. Considerando due riferimenti auricolari, il nasion (in coincidenza dell’attaccatura del naso) e l’inion (protuberanza cranica in sede occipitale), bisogna anzitutto rilevare la lunghezza delle linee sagittale e trasversale, al centro delle quali posizionare l’elettrodo Cz, anche detto elettrodo di vertice (o vertex) in quanto posizionato al centro del cranio. Tutti gli altri elettrodi verranno conseguentemente disposti al 10% o al 20% della distanza totale delle due linee sopra descritte. I sistemi ad alta densità dispongono di una cuffietta sulla quale gli elettrodi sono già collocati. Ogni elettrodo è identificato da una sigla: la lettera iniziale è riferita al lobo sottostante mentre i numeri dispari si riferiscono all’emisfero sinistro ed i pari a quello destro.

Uno dei possibili metodi di analisi del segnale EEG è costituito dall’analisi delle frequenze. Secondo la teoria di Fourier ogni segnale periodico può essere considerato come costituito da una serie di onde sinusoidali. L'applicazione della trasformata di Fourier al segnale nel tempo determina la scomposizione del segnale nelle sue componenti di frequenza generando "uno spettro di frequenze". L'ampiezza di ciascuna delle componenti di frequenza indica il contributo di quella componente nel segnale originale.

Un secondo metodo di analisi di questo segnale consiste nell’estrazione degli ERP, ovvero dei potenziali correlati ad un evento di tipo sensoriale, motorio o cognitivo che costituirà il tempo 0 del segnale estratto. Caratteristica di questo metodo è la procedura dell’averaging (media) che si basa sulla sommazione algebrica del segnale estratto. La somma di diversi potenziali farà sì che il segnale finale riporti soltanto le attività evocate/correlate all’evento, consentendo così di eliminare ogni altra attività di fondo. Gli ERP sono caratterizzati da una specifica distribuzione sullo scalpo, oltre che da una particolare morfologia. Gli ERP vengono generalmente classificati con una lettera che ne indica la polarità: P (positiva) o N (negativa). In seguito, si attribuisce un numero che ne indica la latenza.