Riassunto esame Neuroscienze 2, prof. Cappa, libro consigliato The student's guide of cognitive neuroscience, Ward

Il termine cognitivo e le neuroscienze cognitive

Il termine cognitivo indica i processi superiori della mente quali memoria, pensiero, percezione, immaginazione. Le neuroscienze cognitive sono una disciplina recente nata dall’interazione tra la psicologia cognitiva, la biologia e le neuroscienze. Già dai tempi antichi si cercava di capire come il cervello creasse la nostra mente.

Teorie storiche sulla mente e il cervello

Cartesio propose l’idea che mente e cervello fossero fatti di due diverse sostanze (teoria del dualismo) dove la mente era non fisica e immortale. L’interazione tra i due corpi avviene a livello della ghiandola pineale, situata al centro del cervello. Spinoza, nella teoria dell’aspetto duale, propose che il cervello e la mente sono due livelli diversi della stessa cosa. Altri teorici sostengono la teoria riduzionista e pensano che prima o poi qualsiasi funzione mentale sarà scoperta come funzione di qualche aspetto biologico.

Già Aristotele era arrivato alla conclusione che a cranio, quindi cervello, maggiore corrispondeva più alto livello cognitivo, ma pensava che il cervello servisse come refrigeratore e la mente fosse a livello del cuore. Galeno, con le prime dissezioni, sostenne che la mente doveva fare capo ai ventricoli dove avveniva la cognizione. Questa idea fu conservata sino al 1700 quando Gall, con la sua teoria della frenologia, sostenne che diverse regioni cerebrali servono a diverse funzioni e che le dimensioni di queste regioni sono in relazione con l’importanza di questa regione per un individuo. Questa teoria della specializzazione funzionale è alla base delle moderne neuroscienze.

Broca e la localizzazione funzionale

Successivamente, Broca confermò la teoria della localizzazione funzionale analizzando pazienti con problemi nel linguaggio e una corrispondente lesione cerebrale. Osservò che le zone in relazione con le funzioni linguistiche si possono dividere in comprensione, produzione e conoscenze semantiche, e che ognuna di queste funzioni poteva venire danneggiata a sé. Da questo momento si svilupparono correnti che tentarono di fare delle mappe cognitive senza direttamente studiare il cervello e la pratica di usare pazienti con lesioni per studiare anche il funzionamento normale della mente. Queste tecniche danno l’avvento alla neuropsicologia cognitiva.

Le neuroscienze cognitive moderne

Verso la fine dell’800 nasce la disciplina della psicologia a sé che via via si allontana sempre più dalla biologia in quanto i fondatori di essa si interessavano di argomenti ancora troppo specifici per le neuroscienze cognitive. Ad oggi le neuroscienze cognitive lavorano sulla metafora del processore, osservando il cervello come se fosse un computer e immaginando le varie facoltà come una sequenza di processi. Gli schemi ricorrono puntualmente ai diagrammi scatola-freccia.

Le neuroscienze cognitive si basano su due appunti: il primo è la teoria dell’interazione dove un processo può iniziare prima che il processo antecedente sia concluso e la teoria del parallelismo sostiene che il cervello analizza più informazioni in parallelo. La disciplina ha avuto un sostanziale miglioramento con l’avvento delle tecnologie di imaging per osservare il cervello in vivo. Con alcune di queste tecnologie sono state confermate alcune teorie processuali. Principalmente le tecnologie possono essere divise in due gruppi: le tecnologie che registrano (fMRI, MEG) e quelle che stimolano (stimolazione cellulare, TMS).

Tecnologie di imaging e loro caratteristiche

Queste macchinari possono essere distinti ulteriormente a seconda della loro risoluzione temporale, ovvero quando avviene un evento (MEG, TMS hanno risoluzione temporale in millisecondi, fMRI e PET hanno risoluzione temporale di minuti). Possono essere distinti secondo la loro risoluzione spaziale che indicano dove un evento accade (metodi migliori: registrazione cellula, imaging funzionale), altrimenti possono essere diversificati secondo la loro invasività.

È possibile che gli schemi della psicologia cognitiva informino su possibili esperimenti da fare con le neuroscienze e che le informazioni fornite dalle neuroscienze possono in qualche modo dare qualche informazioni in più in relazioni a compiti di natura cognitiva. Solitamente il metodo usato dalla psicologia cognitiva è quello della misura di reazione rispetto a un determinato compito, e questo ha permesso di scoprire che se uno stimolo è stato già presentato prima del compito la risposta sarà più veloce. Studi di neuroscienze informano anche sul luogo dove avviene una determinata reazione.

Neuroni e sinapsi

Unadifferenza da riferire a proposito della psicologia cognitiva rispetto alle neuroscienze è che la nota teoria del computer non può essere totalmente riferita al cervello che diversamente dal pc elabora le informazioni in parallelo data la lentezza dei neuroni. L’information processing ci parla della struttura del processo ma non è in grado di dirci perché questo avviene. Infine, le neuroscienze hanno avuto un grosso sviluppo grazie all’avvento dei metodi di registrazione in vivo, ciò nonostante non devono separarsi dalla psicologia cognitiva che può fornire i giusti spunti per le ricerche.

I neuroni sono composti da soma, assoni e dendriti che diversificano i vari neuroni a seconda della loro disposizione. I dendriti servono per ricevere l’informazione e sono numerosi, gli assoni inviano l’informazione e sono uno per cellula. I neuroni tra loro formano una sinapsi (assone presinapsi, dendrite postsinapsi) e si passano una corrente elettrica sotto scarica d’energia. A livello della sinapsi, la scarica (potenziale d’azione) libera agenti chimici, neurotrasmettitori, che passano da un neurone all’altro e in seguito permettono al neurone postsinaptico di continuare la scarica di energia. A livello del neurone postsinaptico si attiva il potenziale sinaptico passivo che se arrivando al soma, sommando l’insieme di tutti i potenziale sinaptici contemporaneamente, supera il livello soglia attiva il p. d’azione.

Il potenziale d'azione e la trasmissione dell'informazione

La membrana del neurone permette a ioni negativi e positivi di entrare e uscire dalla cellula, che a riposo ha un potenziale di -70mV. L’assone possiede canali voltaggio dipendenti che si attivano all’aumentare del potenziale. Inizialmente si attivano i canali Na⁺ del sodio che inizia a entrare nella cellula finché essa non raggiunge un potenziale di -50mV. A questo punto tutti i canali Na⁺ si aprono e permettono un’ulteriore depolarizzazione (potenziale d’azione). Per tornare a livello del potenziale di riposo la cellula gli ioni K⁺ escono dalla cellula ripolarizzandola. Segue un’iperpolarizzazione (stato di inattività) ed infine la cellula torna al potenziale di riposo.

Il potenziale d’azione viaggia lungo l’assone grazie all’apertura in successione dei canali voltaggio dipendenti per il sodio. Se l’assone è ricoperto di mielina il potenziale d’azione salta le zone mielinizzate e viaggia secondo una conduzione saltatoria, i luoghi non coperti di mielina si chiamano nodi di Ranvier. A livello della sinapsi il neurotrasmettitore, a seguito del p. d’azione viene rilasciato, e recepito da appositi recettori che sono connessi con canali trasmettitore dipendenti che a loro volta permettono il passaggio a ioni positivi (depolarizzano la cellula postsinaptica) e negativa (iperpolarizzano).

Non varia l’intensità del potenziale d’azione ma cambia il numero di potenziali al secondo che un neurone fa in un determinato compito. Un neurone risponde meglio a un’azione piuttosto che un’altra. I neuroni che rispondo bene a un determinato compito sono raggruppati insieme. L’informazione trasportata da un neurone è determinata da cosa riceve l’input questo determinato neurone e a chi lo manda. Variando l’input una zona cerebrale senza modifiche strutturali cambia funzione.

Anatomia del cervello e funzioni

Il cervello è composto da materia grigia (i corpi dei neuroni) e la materia bianca (assoni + cellule gangliari di supporto). Osservando un cervello si nota in superficie uno strato di materia grigia separato da un altro strato di materia grigia dalla materia bianca, questi due strati prendono il nome di corteccia cerebrale e subcorteccia.

Gli assoni possono proiettare verso altre zone dello stesso emisfero (tratti associativi), verso zone dell’altro emisfero (congiunzioni, la più nota il corpo calloso) e verso zone della subcorteccia (tratti di proiezione). All’interno del cervello si possono notare i ventricoli pieni di liquido cerebrospinale che ha funzioni metaboliche, non cognitive. Il cervello nell’evoluzione ha aggiunto materiale nervoso, non ha sostituito le vecchie strutture (vedi, visione collicolare).

Per orientarsi nella spiegazione del cervello si usano i termini anteriore (rostrale), posteriore (caudale), superiore (dorsale) e inferiore (ventrale). Le zone periferiche sono dette laterali, quelle centrali mediali. CI sono diversi possibili modi di tagliare il cervello: taglio coronale, sagittale, mediale e assiale.

La corteccia cerebrale, aumentata parecchio di dimensione è impacchettata nel cervello e per questo si possono notare i giri e i solchi. La corteccia ha zone con diverse disposizioni neurali a seconda della funzione, solitamente i neuroni nella Neocorteccia sono disposti in 6 strati. Altre zone corticali sono la mesocorteccia e l’allocorteccia. Il cervello si può dividere in 4 lobi: frontale, temporale, parietale e occipitale. Sotto la corteccia c’è un’altra zona corticale detta insula.

Divisione e funzioni delle aree corticali

• Divisione per solchi e giri.
• Divisione per architettura cellulare, operazione compiuta da Broadmann che ha individuato 52 aree diverse.
• Divisione per funzione effettiva (corteccia visiva primaria, etc.).

La subcorteccia e i sistemi ad essa associati

Sotto la corteccia cerebrale troviamo la subcorteccia. In essa troviamo diversi sistemi:

• Gangli della base: nucleo caudato, globo pallido e putamen regolano le azioni motorie e sono situati nelle profondità cerebrali. Disturbi ai gangli della base causano ipocinesia o ipercinesia. Queste strutture sono implicate nell’apprendimento di compiti e azioni.
• Il sistema limbico: importante per l’adattamento all’ambiente. È assai importante per le risposte emozionali. L’amigdala è implicata nella paura, il giro cingolato è implicato nella rilevazione di alcune emozioni. L’ippocampo è importante per la memoria e per la rilevazione di eventi nuovi. Amigdala e ippocampo sono presenti ciascuno in ognuno dei 2 emisferi. I corpi mamillari sono implicati nei compiti di memoria e collegato al sistema limbico troviamo i bulbi olfattivi che indicano l’importanza degli odori.

Le strutture che compongono il diencefalo sono il talamo e l’ipotalamo. Il talamo è una struttura posta nel centro del cervello che crea una zona di relè tra gli organi sensoriali e la corteccia. Dentro di esso troviamo giro genicolato laterale e giro genicolato mediale, importanti rispettivamente per la vista e per l’udito. L’ipotalamo è situato sotto il talamo e consiste in una serie di nuclei che gestiscono una serie di funzioni primarie relative al corpo, quali la temperatura, l’attività sessuale, le funzioni endocrine.

Mesencefalo, cervelletto e le loro funzioni

Il mesencefalo contiene collicoli superiori e inferiori (nuclei materia grigia) che rispettivamente integrano informazioni di vari sensi primari e hanno a che fare con l’udito. Sono strutture molto anteriori alla corteccia e costituiscono vie secondarie. Contiene anche una zona detta substantia nigra connessa con i gangli della base. Lesioni a questa zona sono associate al Parkinson.

Il cervelletto si trova dietro il romboencefalo ed è una struttura di materia grigia composta da due lobi diversi, è implicato nell’integrazione di comandi motori e l’esecuzione di essi. Lesioni unilaterali causano deficit alla parte del corpo ipsilesionata. Il ponte connette il cervelletto al cervello e riceve informazioni dal movimento oculare. Il midollo allungato collega il ponte al midollo spinale e regola alcune funzioni vitali quali la respirazione, il battito cardiaco, etc.

Rappresentazione neurale e metodi di registrazione

I neuroni, tramite i diversi spike d’azione, prevedono di rappresentare non soltanto il mondo fisico ma anche quello astratto (sentimenti, …). Con questo non significa che i neuroni hanno una copia del mondo all’interno di essi, è giusto distinguere tra rappresentazione mentale (fedele copia del mondo) e rappresentazione neurale che correla con la rappresentazione esterna. Per valutare la rappresentazione neurale è stato introdotto il metodo di registrazione di singola cellula, altrimenti più simile ai compiti di reazione ad oggi disponiamo dell’ERP (potenziali evocati) che con degli elettrodi posti su uno scalpo ci indica il tempo di reazione di un determinato compito cognitivo, questo permette di fare inferenze sui sistemi alla base della cognizione.

Registrazione cellula singola: impiantando un minuscolo elettrodo nell’assone di un neurone (intracellulare) o nella membrana circostante (extracellulare) è possibile valutare la differenza di risposta di un neurone (numero di volte che un p. d’azione avviene) in relazione a uno stimolo (es. visivo) o un compito. È un metodo invasivo, solitamente viene effettuato sugli animali o in sede di operazione chirurgica. Ad oggi è possibile, con la registrazione di più cellule, registrare contemporaneamente l’attività di 100 neuroni.

Tipi di rappresentazione neurale

È stato osservato che l’informazione è analizzata gerarchicamente, partendo da stimoli semplici (forma) sino a quelli più complessi (semantici). Al top della gerarchia tuttavia non esiste una cellula della nonna che corrisponde in maniera multimodale a un individuo. Scienziati hanno individuato tre tipi di rappresentazione neurale:

• Locale: una cellula che risponde meglio a un determinato stimolo.
• Distribuito totalmente nella popolazione.
• Distribuito localmente nella popolazione.

Esperimenti dimostrano che esistono anche gruppi di cellule (non singole) che rispondono al volto e addirittura più specificatamente al volto di persone famose (indipendentemente dalla foto o dal vestito). Sono stati individuati anche neuroni che rispondono meglio se lo sguardo di una persona è rivolta verso di noi o se è abbassato, discrimina gli stimoli anche se essi appartengono a una stessa categoria. I neuroni hanno due modi di rappresentare le informazioni ovvero uno è l’aumento della risposta di un singolo neurone, l’altro è l’aumento di potenziali d’azione di diversi neuroni in sincrono. Il fatto che l’informazione sia rappresentata in una vasta popolazione di neuroni può avvenire per evitare la perdita dell’informazione in caso di lesione e per avere un migliore magazzino di memoria.

EEG e ERP: tecniche di registrazione non invasive

EEG: (elettroencefalografia) nasce dalla registrazione della corrente postsinaptica passiva. La registrazione avviene tramite degli appositi elettrodi posti sullo scalpo. È un metodo non invasivo. Per avere una registrazione sufficiente è necessario che sia attivata una vasta popolazione di neuroni e che essi siano posti parallelamente agli elettrodi (e così è nella corteccia). Il metodo consiste nella comparazione tra il segnale e una zona non influenzata dal potenziale d’azione o tra il segnale e una media dei segnali degli elettrodi. Solitamente gli elettrodi sono posti con il sistema 10-20 e sono chiamati secondo il lobo dove sono posti e numero pari per gli elettrodi di dx, numero dispari per gli elettrodi di sx e z per il centro. È noto che la registrazione di un elettrodo non per forza corrisponde al segnale SOLO dei neuroni sottostanti.

ERP: (potenziale evento correlato). Ad oggi è l’uso maggiore che viene fatto dell’EEG. Questo metodo valuta l’attività elettrica di tutto il cervello in relazione ad un determinato stimolo/compito. Ovviamente il segnale elettrico non indica soltanto l’attività elettrica relativa al compito ma anche relativa ad altro. Per incrementare la differenza tra segnale legato al compito e segnale di disturbo è necessario fare una media del segnale del segnale totale su un numero tot. di presentazione dello stimolo. Otterremo così un diagramma dove sull’asse delle x troviamo il tempo (ms) e sull’asse delle y troviamo il potenziale degli elettrodi. Il grafico è costituito da una serie di picchi positivi e negativi (P e N) che sono dati dalla media di tutti gli elettrodi e per nominarli è necessario indicare anche i ms in cui è apparso il picco (N400). Interessanti in questo metodo sono l’ampiezza e il tempo di ogni picco. Non è possibile registrare la voce dato che il movimento delle labbra disturba molto il segnale.

Processi cognitivi e metodi di ricerca

In esperimenti che valutavano la capacità di leggere i numeri è stato osservato che questi non sono fatti dentro al cervello ma che leggere numeri è un processo che implica la lunghezza della cifra da leggere. Il compito di leggere i numeri in ogni caso è composto da diverse fasi quali il riconoscimento visivo della cifra, l’elaborazione del numero e la pronuncia di questo.

Sternberg ideò il metodo di fattori additivi e è stato sperimento su un compito dove andava ricordata una cifra e poi premuto un tasto se il numero presentato dopo era uguale o no. Questo compito è suddiviso in 4 fasi: percezione delle cifre, comparazione delle cifre con quelle nella mente, decisione sulla risposta, risposta tramite il pulsante. Queste 4 fasi sono ognuna dipendente da fattori interattivi che la causano e i 4 fattori invece hanno un valore additivo sul compito finale. Con questo metodo è possibile fare ipotesi su cose non note quali i diversi passaggi di un compito o percezione di uno stimolo. I limiti di questo studio sono che esso prevede passaggi sequenziali.

Conclusioni sulle neuroscienze e la psicologia cognitiva

Per correlare, infine, gli schemi cognitivi con gli esperimenti di ERP si pensa che i picchi di questo metodo corrispondano con le diverse fasi del processo, quindi questo porta a farsi delle ipotesi su cosa influenza l’inserimento di nuovi stimoli.