psicobiologia e psicologia fisiologica

Psicobiologia e psicologia fisiologica

Psicologia biologica e psicofisiologia nelle neuroscienze

Per neuroscienze s’intendono gli insiemi di studi condotti sul sistema nervoso. La psicologia biologica o psicobiologia è una branca delle neuroscienze, studia il comportamento e i processi mentali dell’individuo in relazione alle sue basi biologiche cioè alle strutture e ai processi corporei del sistema nervoso. Gli studi degli psicobiologi sono condotti su animali o uomini sani o con lesioni del sistema nervoso. Questa disciplina si sovrappone alla neuropsicologia che studia il cervello e i processi cognitivi in ambito clinico, cioè di soggetti con patologie in seguito ad alterazioni o lesioni cerebrali. La psicobiologia è influenzata soprattutto dalla psicologia cognitiva che studia i processi cognitivi attraverso i quali l’individuo riceve, trasforma e recupera le informazioni provenienti dall’ambiente esterno. La psicologia fisiologica o psicofisiologia studia come le connessioni cerebrali determinano e controllano il comportamento.

Le origini delle neuroscienze

Fin dalla preistoria gli uomini avevano tentato di fare operazioni sul cranio; gli egizi ritenevano che la sede del pensiero fosse il cuore e di conseguenza era questo a governare i comportamenti. Ippocrate rivoluzionò questo pensiero affermando una correlazione tra struttura e funzione per cui è il cervello, l’organo della percezione e dell’intelligenza, tuttavia, suoi contemporanei come Aristotele non accettava il suo pensiero. Aristotele sosteneva, infatti, che il cervello servisse a raffreddare le passioni del cuore. In età romana, Galeno si discostava dal pensiero di Aristotele, grazie agli esperimenti condotti sul cervello di capre, concluse che il cervello fosse diviso in due parti: l’encefalo sede della memoria e della percezione e il cervelletto sede del movimento. All’interno del cervello si trovano delle cavità (i ventricoli) dove si forma uno dei fluidi vitali che scorre attraverso i nervi (tubi vuoti).

Cartesio offre il primo punto di partenza per una psicologia fisiologica sostenendo che il corpo e la mente comunicano attraverso l’epifisi pur rimanendo delle entità autonome.

Alla fine del ‘700, si ritiene che il sistema nervoso sia diviso in due parti: centrale (cervello – encefalo, cervelletto e tronco encefalico- e il midollo spinale) periferico (nervi e cellule nervose). Il cervello è ripartito in lobi con protuberanze (giri) e avvallamenti (solchi o fessure) e ci si avvicina alla localizzazione delle funzioni.

I concetti chiave delle neuroscienze nel 1800

Nel 1800 si diffondono 4 concetti chiave.

• Il primo concetto è che i nervi sono come fili. Galvani sostiene che il cervello trasmette le informazioni ai muscoli e agli organi sensoriali per mezzo dei nervi. Bell e Magendie sostenevano che i nervi fossero costituiti da fibre nervose diverse e prima che entrano nel midollo spinale, si dividono in due radici dorsali e ventrali. Muller diffonde la teoria dell’energia nervosa specifica secondo la quale la sensazione dipende dal tipo di nervo stimolato.
• Il secondo concetto chiave è che nel cervello esistono regioni specifiche con altrettante funzioni specifiche. Flourens diffuse il metodo dell’ablazione sperimentale che consisteva nel rimuovere parti del cervello di un animale e osservarne il comportamento dal quale s’inferiva la funzione della parte mancante. Broca usando questo metodo sul paziente Tan scoprì l’area deputata alla produzione del linguaggio (piede della terza circonvoluzione frontale sinistra). Con Broca nasce la neuropsicologia moderna.
• Il terzo concetto è l’evoluzione del sistema nervoso umano che, influenzando il comportamento, ha portato vantaggi selettivi per la specie umana. Teoria di Darwin.
• Il quarto concetto chiave è lo sviluppo di una teoria cellulare secondo la quale l’unità fondamentale di costituzione del sistema nervoso è la cellula (il neurone). Teoria di Schwann.

Negli anni 50 gli esperimenti di Laborit suggeriscono che il cervello deve dare una risposta altrimenti ci si ammala.

L'approccio contemporaneo della psicobiologia

Oggi la psicobiologia usa un approccio a diversi livelli:

• Osservazione del comportamento
• Misurazione dell’attività cerebrale
• Determinazione dell’attività delle singole cellule nervose
• Le misurazioni di parametri biochimici e clinico-molecolari per cogliere la relazione tra i processi cognitivi e gli aspetti biologici.

Il metodo d’indagine principale è la dissociazione, che si ha quando un paziente mostra un danno selettivo a una particolare componente del sistema cognitivo, ciò fa dedurre che esista un modulo nel cervello deputato a rispondere a un particolare tipo di stimolo.

Metodi di ricerca

Metodi di ricerca: istologici, tecniche di neurovisualizzazione, registrazione di segnali elettrici e magnetici, tecniche di stimolazione, tecniche di lesione, metodi farmacologici e metodi genetici.

Le cellule del sistema nervoso

Il tessuto nervoso è costituito da due tipi di cellule: i neuroni e le glia. La presenza di queste due cellule è stata oggetto di lunghe discussioni che hanno visto come protagonisti Golgi e Cajal. Entrambi sostenitori di idee opposte. Golgi: il tessuto nervoso è come una rete, dove i neuroni si fondono tra loro attraverso prolungamenti. Cajal: neuroni sono unità singole che comunicano tra loro per contatto e non per continuità (Teoria del neurone).

Nel 1906 entrambi ottengono il Nobel per motivi diversi. Cajal per la sua teoria del neurone. Golgi per aver scoperto un colorante (cromato d’argento) che permetteva l’identificazione della struttura del neurone e sostituiva il colorante usato fino a quel momento (colorante di Nissl) che aveva permesso l’identificazione solo del nucleo e degli organelli vicini.

I neuroni sono circa 100 miliardi e sono i centri di trasmissione ed elaborazione dell’informazione del sistema nervoso, infatti, registrano le informazioni dall’ambiente esterno, le comunicano ad altri neuroni, che a loro volta le inviano alla corteccia cerebrale, che li elabora e invia informazioni attraverso altri neuroni ai muscoli che rispondono.

Il neurone è costituito da quattro strutture principali (soma, dendriti, assone e bottone terminale).

Struttura del neurone

Il corpo cellulare o soma del neurone contiene il nucleo e il citoplasma. Il citoplasma è costituito da una parte fluida (citosol ricco di potassio) e una parte solida (organelli). Il nucleo si trova in posizione centrale all’interno del soma, ha una forma sferica ed è ricoperto da una membrana perforata da pori detta membrana nucleare. All’interno del nucleo sono presenti 46 cromosomi che contengono il nostro patrimonio genetico (costituiti da una doppia elica di DNA). I cromosomi sono presenti in tutte le cellule del corpo ma ognuna si differenzia dall’altra per il diverso segmento di DNA (gene) che viene letto per formarla.

Il DNA non può uscire dal nucleo ma deve essere letto, la sua lettura si chiama espressione genica il cui fine è la costituzione di proteine cioè la sintesi proteica. Un segmento di DNA si despiralizza e stampa la sua sequenza di acidi nucleici sul mRNA (costituito da una sequenza di 4 acidi nucleici). Questo processo si chiama Trascrizione. L’mRNA esce dal nucleo attraverso i pori e si dirige verso i Ribosomi dove vengono assemblate le proteine a partire da aminoacidi. Questo processo si chiama Traduzione.

Gli organelli presenti nel corpo cellulare sono:

• Reticolo endoplasmatico: composto da strati paralleli di membrana. Si divide in rugoso (contenente i ribosomi) e liscio (sintesi e demolizioni di lipidi).
• Apparato del Golgi: sistema membrane che imballa e trasporta le proteine. Produce i lisosomi contenenti enzimi in grado di demolire i prodotti di scarto della cellula.
• Mitocondri: costituiti da una doppia membrana. Esterna liscia e l’interna si ripiega su se stessa formando creste e matrice. Inspirando ossigeno e utilizzando una molecola che deriva dal metabolismo degli zuccheri (acido piruvico), producono una molecola di ATP che è la fonte di energia per tutti i processi cellulari.

Dendriti sono ramificazioni attaccate al soma. Il loro diametro si riduce man mano che si allontanano dal corpo cellulare. Sono lunghi qualche mm e possono presentare dei prolungamenti elastici chiamati Spine dendritiche (zone dove arrivano le informazioni dagli altri neuroni). I dendriti di ogni neurone sono chiamati albero dendritico che serve per classificare il neurone. La ricerca di Purpura dimostra che un ambiente impoverito durante la fase neonatale e la prima infanzia determina un cambiamento delle spine dendritiche causando disabilità intellettiva.

Assone è una ramificazione che parte dal soma, lunga e sottile che, a differenza del dendrite, mantiene lo stesso diametro per tutta la sua lunghezza. È lungo da 2 a 25 micrometri. La parte iniziale si chiama cono d’integrazione. si ramifica in assoni collaterali. Nell’assone non ci sono né ribosomi né RE rugoso, ciò vuol dire che al suo interno non avviene la sintesi proteica. Le proteine sono trasportate lungo l’assone attraverso il trasporto Assoplasmatico. Esso può essere: anterogrado (lento/passivo cioè le proteine si spostano di qualche mm e va dal soma verso il bottone terminale) o retrogrado (veloce/attivo perché richiede ATP e le proteine si spostano di un metro dalla periferia al soma). Il trasporto dimostra che se si recide un assone, la parte a valle degenera perché non è più nutrita (degenerazione walleriana).

Bottone terminale è la parte terminale dell’assone che si presenta come un disco piatto. Al suo interno si trovano le vescicole sinaptiche (contenenti una sostanza chimica detta neurotrasmettitore che cambia il segnale elettrico che viaggia lungo l’assone in segnale chimico) e i gangli secretori (contenenti neurotrasmettitori di peso molecolare maggiore cioè i peptidi).

L’impalcatura del neurone è il citoscheletro formato da microtubuli (tubicini di proteine che conferiscono la forma al neurone), microfilamenti (conferiscono il movimento) e neurofilamenti (forti e robusti).

Il neurone è avvolto dalla membrana neuronale che lo separa dall’ambiente extracellulare. È formata da un doppio strato fosfolipidico che la rende impermeabile ad alcune sostanze. Vi sono teste idrofile (i fosfati) che si sciolgono in acqua. Vi sono code idrofobe (idrati di carbonio) che respingono l’acqua. Nella membrana si trovano delle proteine che permettono il passaggio di alcune sostanze attraverso la membrana. Le proteine transmembrana più importanti sono: i canali ionici (formati da diversi polipeptidi che permettono il trasporto passivo degli ioni e hanno due caratteristiche: la selettività ionica e dipendenza cioè la loro permeabilità dipende dai cambiamenti del microambiente), pompe ioniche cioè enzimi che usano energia per trasportare gli ioni attraverso la membrana contro il gradiente di concentrazione e di elettricità.

Tipi di neuroni

• In base alla loro struttura si dividono in:
  • Neuroni unipolari (hanno un solo assone che si divide a T, una parte riceve informazioni sensitive e l’altra le trasmette. Si tratta dei neuroni sensitivi che si trovano nei gangli dei nervi cranici e spinali).
  • Neuroni bipolari (un assone + un dendrite e si associano alle vie dei sensi specializzate es: sistema visivo, acustico e vestibolare).
  • Neuroni multipolari (assone + molti dendriti).
• In base alla struttura dell’albero dendritico si dividono in:
  • Cellule stellate (dendriti che partono in tutte le direzioni).
  • Cellule piramidali (a forma di piramide es: neuroni corteccia motoria).
• In base alle spine dendritiche si dividono in:
  • Neuroni spinosi (cellule stellate).
  • Non spinosi (cellule stellate e piramidali).
• In base alla lunghezza dell’assone si dividono in:
  • Neuroni di I° tipo di Golgi (assoni lontani alcuni metri dal soma con struttura piramidale e fungono da relay inviando info a un’altra area del sistema nervoso centrale o nel caso dei motoneuroni agli organi effettori).
  • Neuroni di II° tipo di Golgi (assone vicino al soma con struttura stellata e fungono da neuroni associativi o interneuroni).
  • Cellule di Purkinje (albero dendritico elaborato e un unico assone che si proietti ai nuclei del cervelletto).
• In base alle connessioni dei neuroni si dividono in:
  • Neuroni sensitivi primari.
  • Neuroni motori.
  • Interneuroni.

Le cellule del tessuto nervoso

Altre cellule del tessuto nervoso sono le Glia dette anche neuroglia. Sono circa 10 volte il numero dei neuroni e hanno la funzione di sostenere e proteggere il sistema nervoso. Le più importanti del sistema nervoso centrale sono:

• Astrociti: forma di stella, hanno prolungamenti che collegano il neurone ai vasi sanguigni garantendone il nutrimento. Isolano le sinapsi evitando la dispersione di neurotrasmettitore. Eliminano i neuroni morti rimpiazzando lo spazio vuoto con tessuto cicatriziale.
• Oligondendroglia: producono mielina che protegge l’assone, permettendo il passaggio dell’impulso nervoso. Formano segmenti di guaina mielinica di un mm interrotta dai nodi di Ranvier.
• Microglia: fagociti di neuroni morti e danneggiati.
• Ependimali: rivestono i ventricoli.

Nel sistema nervoso periferico si trovano le cellule di Schwann che formano la guaina mielinica di questi assoni.

La barriera ematoencefalica si trova tra il sangue e il fluido che circonda le cellule del cervello e permette il passaggio solo di alcune sostanze.

La comunicazione all’interno del neurone

Tra l’interno del neurone e l’esterno vi è una differenza di cariche elettriche, l’interno negativo (-70mV) e l’esterno positivo. Questa differenza di cariche si chiama Potenziale di membrana. Se il neurone non è stimolato, si trova in una condizione di riposo, si parla così di potenziale di riposo. Se il neurone è stimolato, il suo potenziale di riposo subisce delle modifiche e varia rapidamente il potenziale di membrana, cui fa seguito il ritorno alla condizione di riposo. Questo fenomeno si chiama potenziale d’azione e permette la conduzione dell’informazione lungo l’assone fino ai bottoni terminali.

Il potenziale di membrana è garantito dall’equilibrio tra due forze: la diffusione (processo attraverso il quale le molecole si distribuiscono in modo uniforme all’interno del fluido in cui sono disciolte, diffondendosi dalle zone ad alta concentrazione a quelle a bassa) e la pressione elettrostatica (le molecole disciolte in acqua si dividono in particelle cariche elettricamente dette ioni. Particelle cariche dello stesso segno si respingono e quelle cariche di segno opposto si attraggono. La forza di attrazione o repulsione delle particelle cariche si chiama pressione elettrostatica e sposta gli ioni).

Nel fluido intracellulare ed extracellulare sono presenti ioni in diverse concentrazioni (anioni inorganici A-, ioni cloro CL-, ioni sodio Na+ e ioni potassio K+).

All’interno della cellula si trovano: anioni inorganici che non possono attraversare la membrana e conferiscono la carica negativa; K+ che tende a essere spinto fuori, per via della forza di diffusione, tuttavia per via della positività esterna della cellula, la pressione elettrostatica lo spinge e tende mantenerlo verso l’interno.

All’esterno della cellula si trovano: CL- che è spinto verso l’interno dalla forza di diffusione, tuttavia, data la negatività interna, la pressione elettrostatica lo mantiene all’esterno. Il Na+ è spinto dalla forza di diffusione all’interno e la pressione elettrostatica lo attrae per via dell’interno negativo. Entra in gioco la forza esercitata dalla pompa sodio-potassio che usando molecole di ATP porta fuori 3 ioni sodio per ogni 2 di potassio introdotti all’interno.

Se si stimola negativamente la membrana avremo un aumento della negatività interna della membrana a riposo, questo processo si chiama iperpolarizzazione e ostacola gli impulsi. Se si stimola positivamente la membrana, la negatività interna diminuisce e questo processo si chiama depolarizzazione. Lo stimolo depolarizzante produce un aumento della permeabilità della membrana agli ioni sodio. Man mano che le cariche positive entrano si riduce la negatività ma non appena la depolarizzazione raggiunge un livello critico, detto soglia di attivazione per cui il potenziale di membrana è a -55mV, la membrana si depolarizzerà completamente e si avrà un’inversione di potenziale (+30mV). In questa fase si trova il periodo refrattario assoluto cioè i canali sodio si disattivano pian piano e non si può creare un altro potenziale. Dopo aver raggiunto questa soglia, inizia la ripolarizzazione che inverte la condizione di permeabilità degli ioni sodio a potassio che si diffondono verso l’esterno e si ristabilisce la condizione di riposo. In questa fase si trova il periodo refrattario relativo, per cui per ottenere un nuovo potenziale d’azione mi occorre più corrente del normale.

L’ampiezza del potenziale d’azione non dipende dall’intensità dello stimolo ma rimane costante. Il potenziale d’azione obbedisce alla legge del tutto o nulla ed è senza decremento cioè si propaga per tutta la membrana identico a se stesso. Per trasferire l’informazione, il potenziale d’azione, dopo essere stato generato, deve propagarsi lungo l’assone per arrivare al bottone terminale. Si propaga in una sola direzione (dal soma verso il bottone terminale) in 2 msec. La velocità di conduzione della fibra nervosa dipende dal diametro, dalla temperatura e dal grado di isolamento cioè dalla presenza di guaina mielinica.

Nelle fibre amieliniche la conduzione è punto a punto. Il potenziale d’azione si sposta lungo l’intera membrana diffondendosi in modo sequenziale da un segmento all’altro, in quanto la depolarizzazione di un segmento produce una corrente ionica tale...