Neurofisiologia

Neurofisiologia

Testi principi di Neuroscienze (consiglia di consultarlo in biblioteca per alcuni capitoli non approfonditi in quelli consigliati dalla prof. Curia).

Tecniche di studio della fisiologia cerebrale

Per studiare il sistema nervoso una delle prime modalità è stata studiare gli effetti delle lesioni che potevano essere accidentali (ferite arma da fuoco, incidenti sul lavoro) o sperimentali (su animali da esperimento). Lesioni causate su topi, scimmie e ratti andando a ledere alcune aree del sistema nervoso e capire cosa ci dicono su quella struttura in condizioni di normalità.

Il nostro sistema nervoso funziona molto attraverso l’utilizzo di segnali elettrici.

I tessuti eccitabili sono il tessuto nervoso e tessuto muscolare.

Tessuto eccitabile: tessuto in grado di generare e condurre potenziali d’azione.

Essendo che i fenomeni elettrici sono così importanti per il sistema nervoso, ad un certo punto nella storia della neurofisiologia si è scoperto che se si andava a stimolare i neuroni con stimolazioni elettriche questi ultimi rispondevano. La stimolazione elettrica è ancora utilizzata molto a livello di esperimenti, anche se il suo uso è più limitato a livello dell'essere umano.

Molto più recentemente si è sviluppata una tecnica analoga che però usa dei magneti TMS (stimolazione magnetica transcranica). Questa tecnica consiste nell’applicare un magnete sullo scalpo e attraverso il campo magnetico questo induce delle correnti che stimolano la zona sottostante.

Sempre per il motivo che l’elettricità è un linguaggio molto usato nel sistema nervoso, oltre che andare a stimolare con delle correnti elettriche per generare potenziali d'azione e vedere cosa succede, si può anche andare a registrare qual è l'attività di pezzi di membrana neuronale, oppure si può registrare potenziali d'azione da neuroni o gruppi di neuroni: registrazione elettrofisiologica.

Queste tecniche sono tecniche classiche della neurofisiologia.

Tecniche un po' più nuove (nel senso che sono nate più o meno 20/30 anni fa) sono le tecniche di mappatura funzionale per immagini: vuol dire che si ottiene una mappa del cervello, la rappresentazione delle regioni che hanno un’attività metabolica più alta, che consumano più zucchero o più O2 oppure che hanno attività elettrica diffusa maggiore.

Non permettono di vedere il potenziale d’azione di un singolo neurone, ma di ottenere un quadro dell’attività di aree cerebrali.

• Tecnica del 2-desossiglucosio: che si deposita sui neuroni attivi (in animali da esperimento);
• PET: le cellule più attive consumano più zucchero, e questo zucchero modificato è radioattivo e si deposita su neuroni più attivi;
• EEG e potenziali evocati: registra l’attività elettrica di superficie e di massa;
• MEG: registra campi magnetici generati dall'attività del sistema nervoso;
• fMRI: immagini di risonanza magnetica funzionale. È la stessa apparecchiatura utilizzata per ottenere immagini anatomiche. Questa stessa macchina impostata in modo particolare dà delle immagini non anatomiche, non strutturali, non morfologiche, bensì funzionali: fa vedere quali sono le regioni cerebrali che richiamano più sangue e che quindi consumano più O2 quando il soggetto svolge un determinato compito.

Tutte queste tecniche hanno dei pro e dei contro.

Occorre vedere che accuratezza danno nel tempo e nello spazio per vedere l'attività cerebrale, si parla di risoluzione spaziale e risoluzione temporale.

• Risoluzione spaziale: tecnica con alta risoluzione spaziale permette di distinguere l'attività di due neuroni uno affianco all'altro;
• Risoluzione temporale: tecnica con alta risoluzione temporale permette di distinguere eventi separati nel tempo da pochi millisecondi.

La tecnica perfetta dovrebbe avere un’altissima risoluzione spaziale e un’altissima risoluzione temporale e dovrebbe essere poco invasiva. Una tecnica che sia troppo invasiva non la si utilizza sugli umani.

• Encefalogramma: permette un’estrema risoluzione temporale ma una misera risoluzione spaziale.
• Risonanza magnetica: rappresenta un buon compromesso fra risoluzione temporale dell’ordine di secondi e una risoluzione spaziale che scende sotto al mm e non è invasiva. Una delle tecniche più usate per lo studio dell'essere umano.

Anatomia macroscopica del sistema nervoso

• Sistema nervoso centrale: midollo spinale e encefalo
• Sistema nervoso periferico: nervi periferici e gangli

Nel sistema nervoso centrale (SNC) distinguiamo:

• Midollo spinale
• Tronco encefalico: bulbo, ponte e mesencefalo;
• Cervelletto: appoggiato posteriormente al tronco encefalico;
• Diencefalo: connessione fra ponte e cervello;
• Emisferi: costituiti dai gangli della base e dalla sostanza bianca internamente;

Organizzazione generale del sistema nervoso

Si può pensare che sia organizzato con delle strutture che hanno una funzione afferente, che vuol dire che dalla periferia si va verso il centro. È quindi organizzato con vie sensoriali che partono dalla periferia: le informazioni attraverso le vie afferenti arrivano alla corteccia e qui arrivano a coscienza diventando percezioni.

Questi sono i sistemi afferenti o sensoriali.

Dopo di ché il nostro sistema nervoso è in grado di organizzare delle risposte motorie, delle azioni, attraverso delle vie che sono definite vie efferenti. (Da ex fero: porto fuori).

Attraverso una serie di percorsi, queste vie partono dalla corteccia e arrivano alla periferia (ad esempio sui muscoli, che sono quelli che compiono realmente e concretamente le azioni e quindi le risposte).

In mezzo troviamo una serie di regioni, strutture, aree cerebrali, che sono responsabili degli aspetti cognitivi, affettivi emotivazionali dell'individuo.

Capacità intellettuali che caratterizzano un essere umano:

• Cognitive: memoria, linguaggio
• Affettive: tono dell’umore, trovare qualcosa piacevole, sgradevole, pericoloso o antipatico
• Motivazionali, cioè quello che porta a cercare quello che ci fa stare bene, quello che ci fa sopravvivere (fame, sete) e rifiutare ciò che ci porta dolore o spiacevolezza.

I sistemi efferenti tengono conto delle informazioni che arrivano dalla periferia e organizzano delle risposte motorie.

In linea generale, il sistema nervoso è una specie di arco che tiene conto di ciò che c'è all'esterno, delle esigenze individuali e organizza delle risposte motorie o delle azioni che servono per raggiungere obbiettivi.

Se vogliamo rapportare ad una organizzazione anatomica lo stesso discorso, possiamo vedere una via efferente che parte dalla cute: ad esempio c'è un neurone a T (neurone pseudo-polare che si trova nei gangli, che a loro volta si trovano nelle radici posteriori di neuroni spinali).

Un’informazione viene dalla periferia (dalla cute ad esempio) e attraverso il collegamento periferico del neurone a T, che fa un percorso afferente, con possibili tappe intermedie, arriva al talamo (che fa parte del diencefalo, quindi sta alla base degli emisferi). Dal talamo l’informazione arriva alla corteccia, come ad esempio alla corteccia somatosensoriale primaria, poi passa alla corteccia motoria, da cui scendono vie efferenti, che scendono fino al midollo spinale, da cui partono motoneuroni.

Principi organizzativi generali del sistema nervoso

Il sistema nervoso ha alcuni principi organizzativi generali che valgono più o meno in vari tipi di circuiti, in varie regioni.

1. Principio di organizzazione topografica

Esiste una rappresentazione topografica della periferia nel SNC. Topografia: rappresentazione di luoghi su un foglio di carta.

Nel SNC il concetto è lo stesso. In molte regioni cerebrali c'è una rappresentazione topograficamente ordinata di alcune regioni della periferia corporea. Si parla in questo caso di somatotopia: rappresentazione di luoghi del corpo.

I nervi periferici che innervano la superficie cutanea non sono distribuiti a caso.

Un altro esempio di somatotopia nella corteccia somatosensoriale primaria o nella corteccia motoria primaria è la rappresentazione dell’omuncolo di Penfield.

Penfield era un neurochirurgo che negli anni ’40, facendo interventi chirurgici, si accorse che a seconda di dove andava a stimolare elettricamente, provocava movimenti involontari di varie parti del corpo. Così costruì una mappa ordinata in cui un'area corrisponde a una determinata area.

Questo omuncolo di Penfield in realtà non è un omuncolo, è totalmente deforme perché vi è una regione della faccia molto estesa, così come la mano, che tuttavia non rappresentano una regione corporea così estesa. Al contrario la regione del tronco che è una regione corporea molto estesa, nell'omuncolo è rappresentato in dimensioni minime. Nell’omuncolo troviamo una rappresentazione precisa ma deforme, perché troviamo una rappresentazione più ampia delle aree che hanno un’elevata densità di innervazione.

Rappresentazione più ampia delle aree che hanno più alta densità di innervazione: parlando di corteccia somatosensoriale, un’alta densità di innervazione vuol dire che ci sono tanti recettori e molto fitti. Nell'area motoria invece, vuol dire che ci sono tanti motoneuroni dedicati al movimento di quella regione, tante unità motorie. Questo vuol dire che sono aree ad alta risoluzione spaziale, quelle ad alta densità di innervazione: questo discorso vale sia a livello sensoriale che motorio.

Wilder Penfield è morto nel 1976.

Nel caso dell'occhio si parla di retinotopia: rappresentazione topografica della retina sulla corteccia visiva.

2. Incrociamento

Tale incrociamento c'è anche nel sistema visivo.

Nel sistema visivo la retina nasale di un lato si incrocia nel chiasma ottico e va a finire nel lato opposto.

La retina laterale non si incrocia e va a finire nello stesso lato.

Questa particolarità porta a dei quadri di cecità completamente diversi.

3. Gerarchia

Nel sistema nervoso, come in qualsiasi struttura e organizzazione, c'è un principio di gerarchia.

Questo significa che c'è una base di strutture che fanno un certo tipo di lavoro che fanno riferimento e che vengono comandate da strutture che le regolano. Si può quindi parlare di livelli: il midollo spinale fa riferimento a strutture superiori per un livello di organizzazione.

Avere una struttura gerarchica non vuol dire che ci sono strutture importanti e altre no.

Immagine slide: si parte dalla periferia, ad esempio dalla superficie cutanea con delle vie afferenti, dopo di ché queste arrivano al midollo spinale. A questo punto si fermano e in parte non si fermano, fanno sinapsi o vanno più in alto, passano nel tronco encefalico (bulbo, ponte, mesencefalo). Qui troviamo decussazione, quindi incrociamento delle vie afferenti. Infine arrivano al talamo e poi arrivano alla corteccia.

Questa è una organizzazione gerarchica, arriva a livelli più alti di elaborazione dell'informazione.

Viceversa il percorso delle attività motorie, che parte da aree della corteccia e scendono via via.

4. Organizzazione in parallelo

Molte vie di cui parleremo hanno dei percorsi in parallelo, che in parte si sovrappongono e si duplicano e in parte no.

Questo vuol dire che, per esempio, le vie che portano la sensibilità dalla periferia cutanea al centro, sono almeno due, perché in realtà l'informazione è scissa e scomposta in informazioni che riguardano varie caratteristiche dello stimolo.

Riguardo al discorso delle vie in parallelo occorre considerare che alcune vie parzialmente si duplicano. In questo caso si parla di ridondanza ovvero quando una via è ripetuta molte volte. C'è ridondanza di informazioni che passano per diverse vie.

In queste vie però si possono avere anche fenomeni come la convergenza e la divergenza.

Divergenza: una via parte unica ma poi va ad interessare più centri e più strutture.

Convergenza: per esempio i motoneuroni che troviamo nel midollo spinale sono definiti vie finali comuni.

Sono definiti così perché i motoneuroni α sono l'unico modo per far contrarre un muscolo fisiologicamente.

I muscoli striati volontari fisiologicamente si contraggono e si attivano soltanto quando viene attivato il loro motoneurone α.

Quindi qualsiasi input che deve dare l'attività di contrazione di un muscolo deve convergere sul motoneurone α.

Saranno tante vie diverse che convergono su di un’unica struttura, come il motoneurone α.

Sistemi sensoriali

Sono quei sistemi che raccolgono informazioni dalla periferia e utilizzano queste informazioni o per organizzare dei movimenti riflessi oppure per avere una percezione cosciente.

Psicofisica: è una branca particolare della fisiologia che studia il rapporto che esiste fra le caratteristiche dello stimolo (qualche variazione di energia che può essere meccanica o termica) e l’intensità della sensazione soggettiva, cioè quello che il soggetto effettivamente percepisce.

Noi abbiamo l’illusione che le nostre percezioni siano uno specchio fedele della realtà, ma questo non è vero e ce ne accorgeremo quando parleremo del dolore.

Di solito non esiste una relazione diretta, semplice, lineare fra intensità dello stimolo e percezione soggettiva.

Un primo esempio è la definizione di soglia: definiamo una:

• Soglia assoluta
• Soglia differenziale

Soglia assoluta idealmente è l'intensità dello stimolo sotto cui non percepisco e sopra cui percepisco.

In realtà la definizione di soglia assoluta si basa su di un concetto statistico. La soglia assoluta è quell'intensità dello stimolo sopra il quale io percepisco lo stimolo in almeno il 50% dei casi.

Già la soglia, che dovrebbe essere un concetto semplice, in realtà si basa sulla statistica. Questa soglia assoluta in realtà ha un grosso elemento di relatività.

Psicofisica: scienza che studia la relazione fra le caratteristiche oggettive misurabili dello stimolo e la percezione del soggetto.

Anche la soglia assoluta deriva da definizione statistica, perché ci sono molti motivi per cui in realtà vicino alla soglia alcuni stimoli li sento e altri no.

Quindi quando siamo intorno alla soglia ci sono molti motivi legati all'eccitabilità del recettore che rileva lo stimolo, così come ci possono essere motivi legati a tutto il soggetto nel suo complesso, ad esempio il grado di attenzione, stanchezza, agitazione ecc.

Soglia assoluta è definita statisticamente come quella intensità alla quale io soggetto percepisce il 50% degli stimoli.

Soglia relativa o differenziale: quella entità, intensità dello stimolo che viene percepita come differente rispetto a uno stimolo di partenza usato come riferimento.

Anche la soglia differenziale non è costante in valore assoluto, si percepisce una differenza proporzionalmente all'intensità di base dello stimolo di riferimento.

Per descrivere questo fenomeno, nel corso dei decenni sono state scritte delle leggi matematiche.

Quello che è importante è che in realtà quello che noi percepiamo del mondo esterno non è un’immagine fedele, una fotografia precisa. Il nostro sistema nervoso elabora sempre gli stimoli e ce n'è da un’immagine elaborata.

1. Legge di Weber o legge della “differenza appena percettibile”

Dice che deltaS, quindi la differenza della intensità dello stimolo che si può percepire, fratto S, cioè l'intensità dello stimolo di partenza, è uguale ad una costante. DeltaS/S=K.

Legge matematica come risultato l'entità della soglia appena percettibile.

In realtà andando a studiare meglio le relazioni in tanti ambiti dei sistemi sensoriali, non c'è una relazione così lineare, ma si sono complicate le cose nel senso che si sono introdotti dei rapporti logaritmici.

2. Legge di Weber-Fechner o del rapporto fra lo stimolo S e sensazione

Dice che la sensazione o percezione (R) è uguale a una costante (A) moltiplicata per il logaritmo dello stimolo percepito (S) fratto lo stimolo iniziale (S0). R= A* log S/S0.

Il concetto è che le differenze che riesco a percepire variano in funzione dello stimolo iniziale che uso come riferimento. È come se il sistema nervoso già discriminasse.

3. Legge di Stevens

R= K (S-S0) alla n.

Utilizza una formulazione esponenziale.

Come funzionano i nostri sistemi sensoriali? Funzionano a partire da recettori.

Quando si parla di sistemi sensoriali, si intendono come recettori delle strutture che sono in grado di trasdurre gli stimoli.

I recettori sono entità anatomiche diverse: possono essere una cellula, un pezzetto di membrana che fa parte di una cellula, un corpuscolo costituito da più cellule. Quindi non esiste una definizione anatomica di recettore. Sono strutture in grado di trasdurre gli stimoli.

Uno stimolo è sempre una variazione di energia.

Alla fine vi è in ogni modo un certo tipo di energia, che in quanto tale il nostro SNC non può capire e interpretare.

Per cui il compito dei recettori è rilevare uno stimolo, ma non è sufficiente: lo devono trasdurre (trasformare), tradurre un linguaggio in un altro linguaggio.

Il linguaggio che il nostro sistema nervoso capisce è un linguaggio elettrico.

Quindi, quando parliamo di recettori parliamo di trasduzione, parliamo di strutture più o meno semplici che devono trasdurre gli stimoli.

Arrivano varie forme di energia, che vengono raccolte dal recettore e il risultato è che il recettore produce un potenziale di recettore.

Il potenziale di recettore è l’analogo del pote