Neuroscienze Cognitive - 1° parziale

Neuroscienze cognitive - Prima parte

Sistemi nervosi e neuroscienze

I sistemi nervosi sono reperibili in tutti gli animali. Il campo delle neuroscienze è interessato all'organizzazione e al funzionamento di tali sistemi, sia nell'uomo che negli altri animali. Il cervello degli esseri umani, dei primati animali e degli altri animali con cervelli molto evoluti mostra capacità dette funzioni cognitive. Queste includono la percezione, l'organizzazione dei movimenti complessi, l'attenzione, l'apprendimento e la memoria, le emozioni e le loro implicazioni sociali, il linguaggio e altre rappresentazioni simboliche, il ragionamento, il processo decisionale, la risoluzione di problemi, la coscienza e altre capacità di interesse sociale.

Lo studio di tali funzioni, dette anche “superiori”, avviene da parte della psicologia cognitiva. Poiché le funzioni cerebrali superiori e i comportamenti associati, ovvero gli interessi della psicologia cognitiva, dipendono in ultima analisi dal macchinario molecolare, cellulare e circuitale che è stato al centro dell'interesse delle neuroscienze, ha senso unire questi due campi in un'impresa comune: le neuroscienze cognitive.

Argomento 1 - Metodi: l’esplorazione dei processi cognitivi in termini neurali

Lo scopo generale delle neuroscienze cognitive è spiegare i processi mentali e il comportamento in termini di struttura e funzione delle regioni rilevanti del cervello e del sistema nervoso. È importante la misurazione delle risposte comportamentali per dedurre cosa traspare quando il sistema nervoso traduce gli stimoli in azioni appropriate.

Tali misurazioni possono avvenire in diversi modi:

• Studio di pazienti con lesioni cerebrali fisiche
• Studio di pazienti con lesioni cerebrali virtuali
• Visualizzazione cerebrale strutturale o funzionale

1) Studi su pazienti con lesioni cerebrali fisiche

Metodo anatomo-clinico: veniva studiato un disturbo del comportamento in un paziente e, in seguito al decesso, venivano studiate le zone cerebrali lesionate. Correlazioni clinico-patologiche è il metodo più antico per comprendere le basi neurali della funzionalità cognitiva. Ogni comportamento è legato al funzionamento di più strutture collegate in circuiti (networks), perciò la lesione di una di tali strutture porta alla scomparsa o al malfunzionamento di un determinato comportamento.

Modificazioni della lesione: tra il quadro clinico fatto al paziente durante la vita e l'osservazione del suo cervello dopo la morte, passa molto tempo; tempo in cui la lesione può subire modificazioni.

Assunti della neuropsicologia cognitivista assume a priori che:

• Cervello sano e lesionato: cervello sano = funzioni normali; cervello lesionato = funzioni compromesse
• Funzioni normali: che il paziente avesse delle funzioni normali prima della lesione
• Modificazioni locali: gli effetti della lesione diano origine solo a modificazioni locali del sistema

Critiche al paradigma neuropsicologico:

• Una volta che si presenta una lesione, il cervello si modifica funzionalmente per compensare al danno
• È difficile sapere se il paziente non avesse già problemi prima della lesione
• Una lesione in una determinata zona può causare danni anche a zone distanti ma ad essa connesse
• Nell’uomo è raro che una lesione colpisca un'area circoscritta della corteccia

Cause delle lesioni cerebrali:

• Ictus (ischemico o emorragico)
• Tumore
• Abuso di alcool o di sostanze stupefacenti
• Trauma cerebrale in seguito ad un incidente (Danno Assonale Diffuso, esami per i fasci neuronali)
• Malattie infettive (Herpes Simplex, HIV), degenerative (Parkinson, Alzheimer, Huntington) e autoimmuni
• Epilessia: attività elettrica abnorme, funzionale non strutturale. Può essere causa o effetto (a seguito di trauma)

Lesione in una determinata zona: concorre a un malfunzionamento o alla mancanza di un comportamento, ma non si ha la certezza che essa sia la causa principale. Inoltre, la lesione in una zona non compromette ogni aspetto di una funzione (es. paziente con una determinata lesione vede bene tutto ciò che è lontano, ma non percepisce lo spazio a lui vicino).

Dissociazione semplice e doppia

Principio metodologico per scoprire la multicomponenzialità dei processi cognitivi. Se alla base della mente vi sono diversi moduli, ognuno specifico per una data funzione, la lesione di uno specifico modulo causerà un deficit nei compiti cognitivi in cui si ritiene sia implicato il modulo, e solo in quelli. Altri compiti non saranno deficitari poiché non viene danneggiato il modulo implicato.

1) Dissociazione semplice: se il paziente ha una prestazione patologica per il compito C1 e una prestazione normale per il compito C2, si può concludere che i due compiti dipendono da due sottosistemi separati e isolabili.

2) Dissociazione doppia: si ha quando il paziente P1, con una lesione nell’area A, esegue normalmente il compito C1 e ad un livello ridotto il compito C2, mentre il paziente P2, con una lesione nell’area B, esegue in modo ridotto il compito C1 ed esegue normalmente il compito C2. Si può concludere che i compiti C1 e C2 soggiaciono a funzioni distinte e indipendenti l'una dall'altra e presentano una localizzazione cerebrale differente.

Esempio: il sistema per la comprensione di parole presentate oralmente contiene una parte (o modulo) non contenuta nel sistema alla base della comprensione di parole presentate per iscritto (e viceversa). La dissociazione doppia è lo strumento più potente per dimostrare la specializzazione funzionale cerebrale. È la prova dell'esistenza di due sistemi separati, due moduli cognitivi per l'esecuzione dei due compiti, che possono essere compromessi singolarmente da una lesione nelle rispettive aree.

Lo studio di lesioni può avvenire su singoli o su gruppi. Entrambi i metodi presentano vantaggi e svantaggi.

• Singolo: vantaggio, di far rilevare nuove componenti funzionali che possono servire da punto di partenza in studi di casi successivi; svantaggio, sarà difficile trovare due pazienti con la stessa identica lesione.
• Gruppo: svantaggio, ogni individuo ha una distribuzione diversa delle lesioni delle aree cerebrali e, perciò, è difficile generalizzare un risultato; vantaggio, è possibile confrontare le TAC di tutto il gruppo ed individuare nel punto di sovrapposizione maggiore (piccola zona dove la lesione è comune a tutti) l'area collegata alla funzione.

2) Studi su soggetti con lesioni virtuali

• Lesioni indotte: sono stati condotti diversi esperimenti su animali con lesioni indotte chirurgicamente. Questi oltre ad aver sollevato problemi etici, sono stati ritenuti poco specifici, data l'inesatta corrispondenza tra animali ed esseri umani.
• Stimolazione elettrica intracranica: allo stesso modo sono stati effettuati studi con questa tecnica.
• TMS (Stimolazione Magnetica Transcranica): nessuno dei due metodi precedenti è utilizzabile in modo sicuro sull’uomo. Tramite un insieme di bobine che crea un campo magnetico, detto Coil, si va ad interferire con il flusso elettromagnetico che i neuroni utilizzano per comunicare fra di loro.

1) Area stimolata: a seconda dell'area stimolata cambiano i compiti in cui il soggetto è impossibilitato. Area di attivazione neurale 1 cm². 2) Finestra temporale in cui avviene l’interferenza: la stimolazione viene effettuata in diversi momenti durante un compito per vedere in che modo cambia l'interferenza. Aree motorie 20 ms; aree visive 70/140ms. La stimolazione che avviene subito prima tende ad interferire poco e per poco tempo; se, invece, la stimolazione avviene durante la prova, ha effetti più visibili e che durano di più.

Su soggetti normali: viene tranquillamente usata. Su pazienti si rischia: hanno già aree danneggiate e può scatenare una crisi epilettica. Nei pazienti si applica all’emisfero sano per inibirlo, così l’emisfero danneggiato è costretto a compensare, per quanto possibile. In questo modo le funzione cerebrali vengono riequilibrate.

Lati positivi: non invasività e basso costo. Lati negativi: tende ad influenzare un'area piuttosto grande; non può essere utilizzata su aree profonde, ma solo su quelle superficiali; inoltre, non può essere utilizzata su soggetti epilettici.

4) Farmacologia

Sostanze che passano la barriera ematoencefalica. Caffè, Alcol, Cocaina, ecc. Sistema dopaminergico: valutazione costi/benefici. Chi lo ha più attivo, è più propenso a muoversi per raggiungere guadagni. Antagonisti recettoriali (aloperidolo antagonista della dopamina) - più lenti nell’apprendimento di stimoli associati ad un guadagno. Antagonista recettoriale della dopamina (Ldopa) - più veloci nell’apprendimento di stimoli associati ad un guadagno. Limiti: mancanza di specificità. Hanno effetti collaterali/effetti sistemici (es caffè viene bevuto). Per superare i limiti: iniezione diretta in una regione cerebrale specifica.

5) Manipolazioni genetiche

Possibili implicazioni per disordini genetici. Corea di Huntington -> demenza. All’inizio movimenti non controllati, poi porta a problemi cognitivi. Tecniche per intervenire sui geni aberrati, modificandoli o impedendone l’espressione. Funzioni cognitive sono ereditarie? In parte predisposizioni genetiche. Es velocità di lettura, orientamento spaziale… Stress: inibisce l’apprendimento. Persone con ippocampo più piccolo sono predisposte a sviluppare PTSD (guerra, incidente auto, ecc…)

6) tDCS (Stimolazione transcranica in corrente continua)

Usata per eccitare o inibire funzioni neurali. TMS e tDCS: vantaggi: sono sicure, non invasive, non alterano le funzioni del cervello nel suo complesso. Svantaggi: non funzionano nelle aree profonde, sono temporanee.

3) Studi tramite visualizzazione cerebrale

Un altro approccio per comprendere la relazione tra le funzioni cognitive e i processi neurali che le originano è misurare l'attività cerebrale.

A) Visualizzazione strutturale

Permette di visualizzare la struttura del cervello (estensione delle varie zone ed eventuali patologie; tumori, emorragie, infarti).

• Angiografia. Permette di visualizzare, più specificatamente, la distribuzione dei vasi sanguigni cerebrali.
• TAC (Tomografia assiale computerizzata). Radiografia, Raggi X. Misura la densità dei tessuti attraversati. Foto del cervello tagliato a strati/fette. Svantaggi: risoluzione 0,5-1 cm, metodo invasivo, soggetta ad artefatti. Bambini vanno sedati. Vantaggi: poco costosa.
• NMR (Risonanza magnetica nucleare). Soggetto immesso in un campo magnetico. Allineamento dei nuclei degli atomi con il campo -> irradiati con onde radio -> i nuclei si rilassano emettendo energia, con tempi diversi. Non è possibile per chi ha pezzi di metallo o pacemaker, ti fanno togliere anelli, piercing. Svantaggi: costosa. Vantaggi: risoluzione più precisa, 1 mm; metodo non invasivo
• DTI (Diffusion tensor imaging) usa la NMR applicata alla diffusione dell’acqua. Studia i fasci di fibre. Le fibre di sostanza bianca, ricoperte di mielina, sostanza grassa, e non lasciano passare l’acqua.

B) Visualizzazione funzionale

Permette di misurare l'attività delle varie zone correlate a una determinata funzione o comportamento ed eventuali patologie (autismo, schizofrenia).

Essa può essere:

• Diretta: rileva direttamente l’attività neuronale. Effettuata durante lo svolgimento di determinati compiti per sapere quali aree del cervello si attivano. Alta risoluzione temporale (pochi millisecondi), bassa risoluzione spaziale
  • Registrazione attività singole cellule.
  • EEG (Elettroencefalogramma)
  • ERP (Potenziali evento-correlati)
  • MEG (Magneto-encefalografia)
• Indiretta: rileva indirettamente l’attività neuronale, direttamente l’attività metabolica. Effettuata dopo un certo tempo di latenza rispetto all'azione compiuta, per controllare i cambiamenti di metabolismo.
  • PET (Tomografia a emissione di positroni)
  • fMRI (Risonanza magnetica funzionale)

Vantaggi e svantaggi: per ognuna di queste modalità di misurazione cambiano:

• Costi
• Invasività
• Risoluzione temporale: l'accuratezza per quanto riguarda il quando avviene una modificazione a livello cerebrale
• Risoluzione spaziale: l’accuratezza per quanto riguarda il dove avviene una modificazione a livello cerebrale

Il modo per essere il più accurati possibile è unire i risultati delle varie tecniche, di modo da essere accurati sia temporalmente che spazialmente. Il progresso delle neuroscienze richiede la convergenza e integrazione delle diverse modalità di studio.

Registrazione attività singole cellule

Animali: si registra lo “sparo” del singolo neurone. Registrazione intracellulare = danneggia il neurone; più precisa. Registrazione extracellulare = non danneggia il neurone; meno precisa, può derivare da neuroni adiacenti. Uomo: durante interventi chirurgici (calotta aperta) o epilessie non trattabili farmacologicamente. Tumore: il chirurgo vede quanto può asportare, controllando le aree buone da quelle asportabili. Risveglia il paziente, durante l’operazione, e gli fa dei test. Es aree del linguaggio.

EEG (Elettroencefalogramma)

Vantaggi: non invasiva; Svantaggi: bassa risoluzione. Registrazione dei segnali elettrici: il metodo fa uso di un insieme di elettrodi di superficie, i quali sono incastonati in una cuffia elastica e applicati sul cuoio capelluto. Gli elettrodi sono portati ad avere un buon contatto elettrico con la pelle mediante un gel conduttore, o una pasta salina, e la pressione dell'elasticità della cuffia. Il voltaggio di ciascun elettrodo, insieme a quello di un elettrodo di riferimento posto su un sito a una certa distanza dal cervello, viene immesso negli amplificatori differenziali. Gli amplificatori aumentano le differenze di voltaggio tra ciascun elettrodo e l'elettrodo di riferimento. L’ampiezza varia da -100 a + 100 μV, e la cui frequenza raggiunge i 40 Hz o più.

Segnali EEG in progressione sono ampiamente utilizzati in situazioni cliniche per valutare vari aspetti della funzionalità cerebrale. I segnali vengono analizzati in relazione alle varie bande di frequenza a cui ogni elettrodo appartiene. La potenza di tali bande può essere utilizzata per valutare cose come il livello di arousal, gli stadi di sonno e l'attività caotica associata con l'epilessia. Limite dell'EEG è quello di mostrare la somma di attività di tutti i processi in corso nella regione cerebrale monitorata dall'elettrodo o elettrodi di interesse. L’informazione non può essere facilmente ricollegata a specifiche funzioni cognitive.

Per differenziare i vari elettrodi, a ognuno di essi viene assegnata:

• Una lettera in base al lobo su cui si trova (T=Temporale; F=Frontale; O=Occipitale; P=Parietale; C=Centrale, ecc…)
• Un numero a seconda dell'emisfero (numeri pari per il destro e numeri dispari per il sinistro. Se si trova al centro invece sarà indicato con z).

ERP (Potenziali evocati evento-correlati)

Un modo migliore per collegare l'attività elettrica rilevata dal cuoio capelluto alla funzionalità cognitiva è l'utilizzo degli ERP, i quali possono essere estratti dall'EEG. Fluttuazioni di voltaggio: piccole variazioni di voltaggio in un EEG, causate da stimoli, eventi sensoriali o cognitivi. Si misura il tempo di latenza tra presentazione di uno stimolo e il cambio di risposta che si presenta nell’EEG. Registra da una popolazione di neuroni che hanno risposto in modo sincrono. Gli ERP sono estratti calcolando la media di EEG ricavati in seguito alla presentazione di un evento sensoriale, motorio o cognitivo specifico. L'EEG in progressione mostra sia variazioni dovute all'oscillazione casuale che all'elaborazione di una risposta in seguito alla presentazione di uno stimolo. Facendo la media di più EEG, le prime tendono a scomparire.

Risposte cerebrali (misurate come variazione del segnale EEG) di pochi μV “legate nel tempo” (time-locked) allo stimolo. La registrazione degli ERP comincia circa 100 ms prima e termina circa 1000 msec o più dopo la presentazione di uno stimolo.

Picchi N e P: la traccia così ottenuta mostra picchi denominati N (negativi) o P (positivi) in base alla loro polarità e numerati in base al tempo di latenza in cui si presentano (100 se si presenta dopo 100ms, 200 se si presenta dopo 200ms e così via). Talvolta vengono numerati semplicemente in base all'ordine in cui si presentano. Normalmente, i tracciati ERP in forma grafica presentano i picchi negativi verso l'alto e quelli positivi verso il basso. Es: l’onda P3 o P300 rappresenta un’onda a polarità positiva (picco rivolto in basso) e latenza di circa 300 ms. L'attività viene registrata contemporaneamente in tutti i siti in cui sono presenti gli elettrodi e lo sperimentatore deve selezionare quale insieme o insiemi sono importanti per il comportamento che va a studiare.

Tempo di latenza: 100 ms poca elaborazione -> Zone “basse” 300 ms in su elaborazione più complessa -> Zone “alte” I, II, III ecc… - elaborazione sottocorticale N, P - elaborazione corticale. La scala su cui vengono misurati gli ERP è più piccola di quella degli EEG e presenta una maggiore risoluzione temporale. Essa può essere utilizzata anche per ricavare informazioni spaziali, ma, poiché gli elettrodi sono posti sul cuoio capelluto, è difficile scoprire se una variazione di segnale deriva dalla superficie cerebrale o da una zona profonda. È possibile identificare l'origine di un segnale, anche se in modo non esatto, tramite l'utilizzo di algoritmi matematici: grazie ad essi si può identificare l'origine a partire dall'intensità del segnale.

Vantaggi e Svantaggi: ottima risoluzione temporale, scarsa r...