Neurofisiologia

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Processi sensori-motori integrati

Processi sensori-motori integrati a livello della corteccia, azione e percezione non sono concetti slegati. Si possono separare, per semplificare, funzioni motorie e sensoriali. Meccanismi che sottostanno al nostro comportamento, circuiti parieto-frontali mediano l’interazione con l’ambiente. Riconoscimento degli oggetti e della loro funzione legati all’esperienza che si ha dell’oggetto stesso (interpretazione del mondo favorita dalla creazione di rappresentazioni motorie). Numerosi esperimenti confermano la dipendenza fra i circuiti sensoriali e quelli motori, in particolare aree parietali e motorie collegate reciprocamente.

Movimenti presenti già nel periodo prenatale (dalla 22esima settimana), non sono movimenti casuali ma finalizzati, la registrazione cinematica es. portare la mano alla bocca si nota che la bocca si apre in anticipo come succede anche nell’adulto -> c’è già un’esperienza motoria e quindi ha rappresentazioni cinestesiche precedenti allo sviluppo del sistema visivo, quindi le prime interazioni con il mondo sono a livello motorio (es. orientamento del capo, raggiungimento e afferramento). Questa conoscenza mediata dai processi motori determina anche la creazione di mappe spaziali diverse, infatti la rappresentazione peripersonale riguarda la porzione di spazio esplorabile tramite il corpo (es. movimento del braccio) mentre lo spazio extra personale è esplorabile con gli occhi. Il sistema motorio delimita lo spazio peripersonale.

Anche le funzioni cognitive superiori sono legate ai processi sensori-motori, infatti le funzioni di ordine superiore derivano da circuiti di base che si sono evoluti nel tempo (filogenesi). Importanza dell’osservazione comparativa, ad esempio studio della lateralizzazione partendo dallo studio degli animali exp. RMN su scimmie antropomorfe (compaiono 6.000.000 di anni fa, gorilla, orango, scimpanzé) evidenziano a livello frontale inferiore una configurazione strutturale sx diversa da quella dx, exp. anche sulle vocalizzazioni, si nota attivazione corrispondente ad area di Brocà. Studio di diverse funzioni che segnala un continuum evolutivo.

Ricerca di omologie cervello scimmia – uomo: utilizzo della fMRI anche con le scimmie, es. nelle scimmie V1 occupa una parte notevole della zona esposta della corteccia occipitale mentre nell’uomo è più ruotata verso l’interno (implica un’estensione di altre aree); lobo prefrontale conformazione diversa nell’uomo e maggiore presenza di sostanza bianca (determina aumento della connettività). Uso di un tracciante neuroanatomico per evidenziare le connessioni tra le diverse aree.

Sistema visivo

Cellule ganglionari e vie visive

Cellule ganglionari si differenziano in magno -> grandi dimensioni del corpo cellulare, dell’albero dendritico, dell’assone (implica alta velocità di conduzione) e del cr (informazioni da porzione ampia della retina e rispondono a stimoli grandi – non come quelle in corteccia -), analisi delle caratteristiche grossolane degli stimoli luminosi e dell’analisi del movimento e parvo -> piccole dimensioni del corpo cellulare, dell’albero dendritico, dell’assone (velocità di conduzione più bassa) e del cr (rispondono bene a stimoli piccoli), inizio dell’analisi della forma e del colore.

Sottomodalità dell’analisi visiva: forma, colore, movimento e stereopsi (richiede binocularità); tali caratteristiche vengono trasportate da via magno (movimento e stereopsi) e parvo (forma, colore e stereopsi). Scomposizione dell’immagine luminosa a livello della retina, la risposta delle cellule ganglionari agli stimoli luminosi è ancora primitiva, non può rispondere ad esempio alle sagome ma risponde ai contrasti (cellule centro on-centro off). Siccome hanno organizzazione antagonista centro-periferia lo stimolo preferito è il contrasto luminoso -> il contrasto è un elemento fondamentale per l’analisi visiva.

Due stazioni a cui può arrivare l’informazione retinica: CS o CGL. Il CS è una struttura ancora presente nel primate ma ha valore maggiore in animali precedenti dal punto di vista evolutivo (es. anfibi) ma anche uccelli che sono temporalmente più vicini ai mammiferi. Presente una mappa retinotopica in ogni collicolo (rappresenta il campo visivo controlaterale) e proietta a pulvinar (nucleo talamico) che rimanda alla corteccia visiva (non a V1). Utilizza informazioni visive per organizzare risposte riflesse degli occhi e della testa, neuroni che permettono controllo dei muscoli oculomotori e del collo, sistema riflesso che permette di portare l’immagine sulla fovea. Al CS proietta solo la via magno (non è necessaria un’analisi fine dello stimolo, sarà poi in CGL a svolgere questo tipo di compito).

Corpo genicolato laterale

Il CGL è una struttura laminare, diversamente da altri nuclei talamici è diviso in una serie di lamine separate l’una dall’altra da sostanza bianca. Lo studio citoarchitettonico evidenzia una differenza fra i primi due strati ventrali (composti da cellule del sistema magno) e gli altri quattro (composti da cellule del sistema parvo). Si mantiene una divisione funzionale.

Divisione anche in base all’informazione che ricevono dai due occhi: i nervi ottici trasportano informazioni da retina temporale e retina nasale di ciascun occhio e si incrociano a livello del chiasma dove incrociano solo le fibre nasali -> implica che a livello del CS c’è un’alternanza di lamine che ricevono dall’occhio ipsilaterale (fibre temporali) e lamine che ricevono da quello controlaterale (fibre nasali), nello specifico le fibre nasali proiettano a 1, 4, 6 mentre fibre temporali 2, 3, 5.

La retina nasale guarda nel proprio emicampo mentre quella temporale guarda quello opposto (quindi la retina nasale dell’occhio sx e la temporale dell’occhio dx guardano l’emicampo visivo sx, mentre la retina nasale dx e la temporale sx guardano l’emicampo dx). Importante perché a livello di ogni genicolato si uniscono le fibre nasali di un occhio (lamine ipsilaterali) e quelle temporali dell’altro (lamine controlaterali), quindi ogni CGL ha una mappa completa dell’emicampo visivo controlaterale. Questo è il motivo per cui l’informazione visiva di un occhio arriva alla corteccia visiva opposta, come del resto gli altri sistemi sensoriali (ma anche il motorio). Il CGL non è un nucleo motorio come il CS ma ritrasmette le informazioni sensoriali alla corteccia.

Esperimenti sulla suddivisione magno-parvo

Exp. suddivisione magno – parvo a livello del CGL: studi di inattivazione tramite l’uso di “graticci” = stimoli determinati dall’alternanza di bande chiare e scure che possono essere variati in base a tre parametri:

• La frequenza spaziale, se le bande sono più piccole si parla di alta frequenza spaziale, se sono più grandi si ottiene invece bassa frequenza spaziale -> paragonabile alla risoluzione, ossia capacità di discriminare i dettagli.
• Frequenza temporale, presentazione in due tempi, da T0 a T1 le bande si invertono (le bianche diventano nere e viceversa), le bande rimangono le stesse in termini di grandezza ma vengono alternate nel tempo, il tempo che va da T0 a T1 è modificabile e si possono aumentare gli eventi nel tempo (più o meno modificazioni nel tempo).
• Cambiare i contrasti luminosi tra le bande, es. bianco-grigio invece di bianco-nero, si può vedere come varia la sensibilità al contrasto in relazione alla frequenza spaziale (man mano che aumenta la frequenza spaziale si riduce la sensibilità al contrasto) o a quella temporale (scende a frequenze temporali alte).

La frequenza spaziale serve a riconoscere i dettagli più fini (100 micron distanza minima per distinguere due punti, se la distanza è minore i punti vengono fusi), la frequenza temporale rappresenta invece la base per l’analisi del movimento. Si possono creare delle curve di sensibilità psicofisiche al variare delle frequenze.

Inattivazione selettiva degli strati magno e parvo a livello del CGL e confronto con le curve di sensibilità normali (contrasto – frequenza spaziale, contrasto – frequenze temporali) -> se inattivazione del sistema magno (primi due strati): la risposta alla variazione delle frequenze spaziali è inalterata mentre è alterata la risposta alle frequenze temporali, se inattivazione del sistema parvo (restanti quattro strati) la risposta alla variazione delle frequenze temporali è inalterata mentre è alterata la risposta alle frequenze spaziali -> supporta la distinzione tra sistemi magno e parvo.

CGL sistema ancora periferico, infatti se lesione talamica si hanno effetti sull’elaborazione sensoriale, se lesione corticale si hanno deficit a livello percettivo. La percezione implica la consapevolezza mediata da circuiti frontali. Proietta alla corteccia tramite la radiazione ottica (divisa in due parti, la parte dorsale e ventrale, l’immagine resta ancora invertita). La radiazione ottica termina nella scissura calcarina (solco della corteccia occipitale intorno al quale si trova V1), il labbro superiore riceve dalla parte superiore della retina e quindi dalla parte dorsale (parte bassa del campo visivo) mentre il labbro inferiore riceve dalla parte inferiore del campo visivo (parte superiore del campo visivo) -> esiste quindi un sistema di raddrizzamento (ancora sconosciuto). Stessa inversione anche degli altri sistemi e raddrizzamento in corteccia (es. Omuncolo motorio).

Corteccia visiva primaria

V1 subisce una rotazione (proto-gradazione) nell’uomo rispetto al cervello del macaco. Questo dipende dal fatto che nell’uomo si è estesa notevolmente la corteccia parieto-temporo-occipitale che ha spinto indietro le altre aree. Poiché ambiente e SN sono in continua relazione, in termini evolutivi questo significa che mutazioni abbiano portato alla selezione di cervelli con dimensioni aumentate di alcune aree (miglior adattamento all’ambiente), quindi gli individui mutati hanno dato origine a progenie con le stesse caratteristiche.

Mappa visiva anche in V1, la mappa è una rappresentazione dell’emicampo visivo controlaterale ma non rispetta le proporzioni retiniche (fovea piccola rispetto alla parafoveale e quella esterna), infatti sono rappresentate in maniera maggiore le parti che garantiscono una maggiore acuità -> ci sono più neuroni che ricevono dalla zona della fovea, è la più rappresentata in corteccia (1/3).

A livello di V1 rimangono ancora separati i sistemi magno e parvo anche se entrambe arrivano al 4 strato (talamo proietta sempre al 4 strato). In V1 il 4 strato si suddivide in 4a, 4b, 4c che a sua volta si divide in 4c alpha e 4c beta -> il sistema parvo cade nel 4c beta che mandano allo strato 4b, il sistema magno termina nel 4c alpha che proiettano agli strati sopragranulari 2 e 3.

Rispetto alle cellule ganglionari, nel CGL i cr sono più grandi e la risposta al contrasto aumenta, mantenuta la suddivisione centro on-off. In V1 succede una cosa particolare: scoperte da Hubel e Viesel cellule che rispondono non a spot luminosi ma a barrette -> cellule semplici, hanno cr allungato e non più circolare, rispondono solo se la linea cade al centro del cr e con un orientamento specifico, inizio della costruzione della forma (codificano un segmento del lato). Ogni cellula risponde a un orientamento diverso in una specifica zona del campo visivo.

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Elaborazione in V1

V1 area 17 di Broadmann, cambiamenti funzionali in V1 rispetto alle aree precedenti. Topografia del campo visivo esterno che però non è proporzionale a quelle della retina -> magnificazione corticale della fovea, indica che quella parte della retina è la più importante. Rimangono separate le vie magno (4c alpha) e parvo (4c beta).

Riconoscimento degli stimoli tramite cellule semplici: riesce a riconoscere stimoli allungati (linee/barrette luminose), cr sempre diviso in parte eccitatoria/inibitoria, molto importante l’orientamento -> cellule semplici sono specifiche per un orientamento (es. si attiva per barretta verticale ma non orizzontale), gli spot luminosi non evocano risposta a quel livello. Cr delle cellule semplici deriva dalla somma di cr delle cellule del CGL su un’unica cellula (convergenza anatomica, da tre cr circolari si ottiene un cr allungato).

Le cellule semplici si attivano per linee che entrano nel centro eccitatorio ma se cade anche nella zona inibitoria smette di rispondere, es. forma di un rettangolo non la riconosce ma può riconoscere un lato perché tante cellule semplici lo scompongono, risposta parziale anche a forme curve che cadono in campo eccitatorio, la risposta è migliore se la barra è retta ma c’è anche se è curvata.

Quando l’afferenza talamica arriva allo strato 4c di V1 ha ancora le caratteristiche delle cellule del genicolato (cr circolare) e non è detto che i neuroni che ricevono l’afferenza siano già cellule semplici: c’è un ulteriore passaggio, convergenza anatomica permette di ottenere cellule con cr allungato.

Hubel e Viesel notano in V1 la presenza di cellule complesse che hanno alcune caratteristiche in comune con le cellule semplici ma anche diverse -> risultano da un processo di convergenza anatomica da cellule semplici che hanno cr vicini, rispondono ancora allo stimolo orientato (es. se è obliquo o perpendicolare allo stimolo preferito non risponde), rispetto alle cellule semplici non c’è una distinzione così netta fra zona eccitatoria – inibitoria, quindi è ancora selettiva per l’orientamento ma poco selettiva per la posizione all’interno del cr (invarianza = se cambio la posizione nel cr mantenendo l’orientamento la risposta è la stessa).

Durante l’osservazione dello stimolo ci sono continuamente delle saccadi poiché se una cellula viene eccitata continuamente da uno stesso stimolo dopo un po’ cessa la risposta (abituazione), la saccade permette di attivare cellule semplici adiacenti in maniera alternata e la cellula complessa rimane eccitata. In V1 sono presenti anche cellule ipercomplesse che hanno cr simile a cellule complesse ma riconoscono i cambiamenti di inclinazione, rilevano gli angoli. Cellula semplice cr di 2 gradi, cellula complessa di 3-4 gradi -> non possono rispondere allo stimolo globale che viene “ricostruito” nelle stazioni successive.

Organizzazione colonnare

Già a livello di V1 iniziano a costituirsi dei sistemi organizzati in modo che le informazioni arrivino già strutturate nelle cortecce visive successive. Corteccia suddivisa in sei strati, esiste un’organizzazione verticale detta colonna -> proprietà funzionali che distinguono una colonna dall’altra, si riconoscono tre tipi di colonne, non esistono da un punto di vista citoarchitettonico ma funzionale, colonne per l’orientamento es. i neuroni semplici che rispondono all’orientamento non sono mescolati ma sono raggruppati in colonne, un orientamento corrisponde a una colonna, sono piuttosto piccole (100 micron), spostandosi da una all’altra cambia leggermente l’orientamento, se si percorre V1 in senso orizzontale si trovano colonne che variano di circa dieci gradi fino a ricomporre l’intero campo visivo (360 gradi).

Uso di un colorante istochimico per rilevare il metabolismo neurale, si evidenziano delle proprietà dei neuroni di V1, suddivisione in blobs -> cellule che rispondono solo ai colori e interblobs -> cellule che processano la forma, blobs più presenti in 2-3 strati, colonne blob e interblob.

Anche le informazioni provenienti dai due occhi rimangono separate, iniezione nell’occhio di un isotopo radioattivo (idrogeno triziato in aminoacidi) e si va a vedere come si dispone in corteccia: bande di dominanza oculare, generalmente più grandi di quelle di orientamento, sono prevalentemente nel 4 strato di V1 (non sono quindi colonne continue come quelle di orientamento), negli strati superiori e inferiori si formano neuroni binoculari tramite convergenza anatomica del cr di entrambi gli occhi (per quanto riguarda la via magno si trovano già in 4b mentre per la via parvo in 2-3 strati), struttura a mosaico che riconosce ancora le bande ma non è più così strutturata.

Colonne di orientamento, blobs e colonne di dominanza oculare formano la macrocolonna (definita in massima parte dalle colonne di orientamento, la macrocolonna copre i 360 gradi di angolo visivo riferiti ad una determinata proiezione retinica), quindi la corteccia visiva è composta da tante macrocolonne. Oltre V1 si mantiene la divisione fra magno e parvo ma aumenta la complessità per arrivare allo step finale che è il riconoscimento consapevole dello stimolo.

Esiste anche un’organizzazione orizzontale: le macrocolonne compongono V1 sono interconnesse fra loro, exp. si inietta un tracciante che permette di evidenziare i collegamenti dei neuroni di una colonna e si vede che l’assone si dirige verso regioni vicine orizzontalmente e comunica con cellule che hanno le stesse caratteristiche funzionali (colonne con stesso orientamento appartenenti ad altre macrocolonne) -> cosa succede quando vedo uno stimolo orientato? Registrazione di un neurone di V1, la barretta attiva la colonna che risponde a quello specifico orientamento e inizia una specie di sincronizzazione, i neuroni che rappresentano la stessa proprietà entrano in fase con quelli attivati primariamente e formano una rete (l’attivazione non è intensa allo stesso modo ma c’è anche se in maniera ridotta, potrebbe essere meccanismo alla base dell’attenzione).

Percezione e organizzazione delle informazioni

Percezione come elaborazione soggettiva della realtà, organizzazione e integrazione delle informazioni in corteccia. Es. puntini riconosciuti come linee vengono unificati in base a dei principi come la somiglianza di colore e della vicinanza, questi principi sono organizzati dal cervello perché fisicamente non esistono linee reali -> l’elaborazione non è perfettamente fedele alla realtà; tendenza a riconoscere linee continue ed eliminare le i