Riassunto esame Neuroscienze cognitive, prof. Leggio, libro consigliato Neuroscienze cognitive, Purves Cabeza et al

Neuroscienze cognitive

I metodi

Le neuroscienze cognitive cercano di spiegare i processi cognitivi e il comportamento in termini di strutture e funzioni del cervello e del resto del sistema nervoso.

Modellizzazione al computer

Centrata sulle simulazioni computazionali delle funzioni cognitive, assimila l’intelligenza artificiale alle reti neurali del cervello umano. Questo approccio, tuttavia, si presta alla verifica di ipotesi formulate preventivamente ed implica l’utilizzo di modelli del sistema nervoso troppo semplificati.

Sperimentazione sugli animali

• Registrazione dell'attività di singole cellule: si effettua tramite microelettrodi fissati sul cranio, che rilevano i potenziali d’azione prodotti da ciascun neurone. Studiare l’attività di singole cellule pone problemi d’interpretazione: in tal senso, lo studio dei pattern di attività di gruppi di neuroni (macroelettrodi), permette di comprendere meglio la funzione di un’area cerebrale.
• Lesione: implica la distruzione di un’area cerebrale e la valutazione del comportamento animale. Possono essere provocate tramite aspirazione del tessuto (pipetta) o radiofrequenze elettriche. Tali metodi, però, sono poco selettivi poiché implicano la distruzione degli assoni che passano nelle vicinanze dell’area da lesionare, determinando danni cerebrali addizionali o effetti su aree vicine. Metodi più selettivi sono le lesioni chimiche (eccitotossiche), che sfruttano l’iniezione diretta di sostanze in specifiche aree del cervello al fine di agire su specifiche cellule o neurotrasmettitori. Vi sono infine le lesioni reversibili, o temporanee, causate da farmaci, anestetici locali, dal raffreddamento locale di una porzione del cervello o dalla stimolazione elettrica intra-cranica.
• Manipolazione genetica: la tecnica di knock-out genico permette di studiare l’effetto dell’assenza di una specifica proteina sulle caratteristiche fisiologiche e comportamentali di un animale. È una tecnica essenziale per comprendere il ruolo funzionale dei geni, e può riguardare l’espressione di una certa classe di cellule (cellule del Purkinje) oppure di recettori (recettori NMDA ippocampali).

Studio della patologia umana

Lo studio delle disfunzioni cerebrali (lesioni, ictus, tumori) contribuisce a identificare le componenti operative sottostanti alle normali funzioni cognitive. Se la lesione di un’area cerebrale danneggia una funzione cognitiva, infatti, è probabile che la regione lesa sia coinvolta nella prestazione di tale funzione. Tuttavia, gli studi sulle correlazioni anatomo-cliniche presentano diversi e importanti limiti:

• È molto difficile generalizzare i risultati, poiché la distribuzione delle regioni cerebrali che sottostanno alle funzioni cognitive varia da individuo a individuo.
• Il danno cerebrale può derivare da molti fattori che non controllabili dallo sperimentatore: di conseguenza, una singola lesione può avere effetti su più funzioni cognitive.
• Poiché il cervello dei mammiferi è una struttura assai interconnessa, il danneggiamento di un’area cerebrale potrebbe determinare la cessazione del funzionamento di altre aree che da questa ricevono segnali in entrata. Questo effetto, conosciuto come diaschisi, può portare ad attribuire erroneamente la funzionalità persa all’area lesionata, piuttosto che all’area “a valle”.

Per ovviare ai problemi di correlazione tra struttura e operazione cognitiva, negli studi di gruppo si usa confrontare le informazioni riguardanti le lesioni cerebrali di più soggetti sovrapponendo le scansioni cerebrali rilevate. L’individuazione di regioni di sovrapposizione permette ai ricercatori di identificare la regione implicata nella comune perdita di una particolare funzione.

Le più importanti tecniche di visualizzazione cerebrale strutturale sono:

• TAC (Tomografia Assiale Computerizzata): è una tecnica veloce ed economica che sfrutta un fascio di raggi X al fine di estrapolare molteplici immagini del cervello del paziente. Tuttavia, presenta diversi limiti derivanti dalla pericolosità dei raggi X e dalla limitatezza alla sezione orizzontale.
• RM (Risonanza Magnetica): consente una risoluzione più dettagliata e, a differenza dei raggi X, è una tecnica non invasiva e innocua per i tessuti. Tramite degli impulsi in radio frequenze si induce il passaggio di un campo magnetico nella testa: gli impulsi causano una modifica dell’orientamento degli atomi di idrogeno, che viene rilevata da uno scanner. Così, dal posizionamento degli atomi di idrogeno si possono evincere le zone cerebrali a maggiore/minore contenuto acquoso.
• ITD (Imaging con Tensore di Diffusione): sfrutta il continuo movimento delle molecole di H₂O nei tessuti, costruendo mappe di connettività strutturale in base alla diversa diffusività delle molecole d’acqua. Poiché quasi tutte le fibre di materia bianca nel cervello sono rivestite di mielina (idrofoba), le molecole d’acqua diffondono verso una direzione privilegiata (assiale): uno stato di anisotropia.

Tecniche neurofisiologiche

La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è una tecnica non invasiva in grado di alterare temporaneamente il funzionamento dei circuiti neurali. Potendo generare forti campi magnetici che influiscono sull’attività dei neuroni corticali, la TMS può eccitare la regione cerebrale oppure interferire con le sue funzioni, generando una sorta di “lesione virtuale”, chiaramente reversibile.

Una tecnica finalizzata a studiare i processi cognitivi è la stimolazione magnetica ripetitiva (rTMS): applicando una serie di impulsi TMS nell’arco di diversi minuti si può esaminare la loro influenza su una funzione cognitiva, confrontando i risultati dei test comportamentali effettuati durante e dopo la TMS. Questa tecnica, tuttavia, presenta diversi svantaggi:

• Tende ad influenzare un’area cerebrale relativamente grande.
• Può essere applicata a regioni del cervello relativamente superficiali.

Le registrazioni dell’elettroencefalografia (EEG) misurano le onde cerebrali elettriche che possono essere rilevate a livello del cuoio capelluto. Si tratta di una tecnica non invasiva, ma che presenta un grande svantaggio: il segnale EEG non riflette il potenziale d’azione di singoli neuroni, ma deriva da una somma dei potenziali d’azione di neuroni che scaricano nello stesso istante nella stessa area. Di conseguenza, la registrazione EEG non è correlata ad alcun particolare processo cognitivo.

Al fine di correlare l’attività elettrica a livello del cuoio capelluto alle funzioni cognitive si possono estrarre, dalla registrazione EEG, i potenziali evento-correlati (ERP). Ciò è possibile calcolando la media delle fluttuazioni di segnale EEG che avvengono in risposta a specifici eventi sensoriali, motori o cognitivi. In conseguenza di questi eventi, l’EEG varia più o meno casualmente, mentre l’ERP consente di cancellare queste fluttuazioni, lasciando solamente le variazioni di voltaggio strettamente associate con l’elaborazione dell’evento d’interesse. Un ERP, quindi, è una misura delle variazioni di voltaggio evocate nel tempo in cui il momento 0 rappresenta il momento di comparsa dell’evento.

Il maggiore vantaggio degli ERP nello studio dei processi cognitivi risiede nell’elevata risoluzione temporale, sebbene il principale svantaggio resti quello della scarsa localizzazione della fonte. Infatti, una data distribuzione di attività elettrica registrata dal cuoio capelluto potrebbe essere stata prodotta da una qualsiasi sorgente o rete neurale all’interno del cervello.

La magnetoencefalografia (MEG) è una tecnica non invasiva che registra le variazioni del campo magnetico al passaggio dei potenziali d’azione. Come si estraggono gli ERP dalle registrazioni EEG, dai segnali MEG è possibile estrarre delle risposte sincronizzate, dette risposte di campo magnetico evento-correlate (ERF). Nonostante tale tecnica abbia una maggiore accuratezza rispetto alla EEG, sia in termini di risoluzione temporale che spaziale, ha un importante svantaggio: la MEG, infatti, è principalmente sensibile all’attività neurale negli avvallamenti corticali, o solchi, mentre è quasi insensibile all’attività nei giri (per via dell’orientamento dei loro campi magnetici).

Neuroimaging funzionale

Queste tecniche registrano le variazioni del metabolismo e del flusso sanguigno nel cervello in vivo. Nella tomografia a emissione di positroni (PET), si iniettano nel flusso sanguigno delle dosi innocue di acqua radioattiva (¹⁵O), un isotopo instabile che si accumula nelle aree metabolicamente più attive del cervello. La scissione di questi isotopi viene registrata da sensori che consentono di ricostruire una mappa tridimensionale del cervello, dove il livello di radioattività è proporzionale al flusso ematico. I limiti di questa tecnica sono i costi elevati e la scarsa risoluzione temporale, la quale impedisce di rilevare eventi cerebrali rapidi (a causa del celere tasso di decadimento dell’agente radioattivo).

Il metodo con la migliore risoluzione spaziale e temporale è la risonanza magnetica funzionale (fMRI), che misura l’attività cerebrale in modo indiretto, rilevando il livello di ossigenazione del sangue. È detta tecnica BOLD (Blood Oxygen Level Dependent), poiché è basata sulla diversa risonanza magnetica di ossiemoglobina e deossiemoglobina: dato che le aree cerebrali attive usano più ossigeno delle aree inattive, richiedono anche un maggior flusso sanguigno locale (ricco di ossiemoglobina). Perciò, un maggior/minore flusso ematico rappresenta una maggiore/minore attività metabolica cerebrale. La fMRI è in grado di rilevare le variazioni di risonanza magnetica dovute alle modificazioni del rapporto tra ossiemoglobina e deossiemoglobina in una particolare area del cervello.

Rispetto alla PET, la fMRI presenta diversi vantaggi:

• Maggiore risoluzione spaziale
• Assenza di traccianti radioattivi
• Migliore localizzazione delle sorgenti neurali
• Migliore risoluzione temporale

La fMRI ha una risoluzione temporale sufficiente per esaminare la risposta evento-correlata (MRI E-C): i campioni di attività fMRI del cervello possono essere acquisiti in 1-2 secondi, consentendo di catturare la risposta emodinamica media a un singolo stimolo o evento cognitivo. In altre parole, questa tecnica permette di studiare il decorso dell’attività neurale in rapporto a un evento specifico.

Nonostante ciò, permane una notevole limitazione della fMRI, al pari della PET, ovvero l’asincronia tra la stimolazione funzionale e i cambiamenti del segnale, da cui deriva una bassa risoluzione temporale. Inoltre, l’esistenza di una correlazione tra la presentazione di uno stimolo e l’attivazione di un’area cerebrale non implica una relazione di causalità. Da ciò deriva l’utilità di associare più tecniche (fMRI, TMS), così da creare adeguati modelli delle connessioni funzionali tra le diverse regioni cerebrali.

Associazioni e dissociazioni

Mentre i precedenti metodi sono finalizzati ad “associare” sperimentalmente specifiche funzioni cognitive alle strutture o all’attività neurale ad esse sottostanti, esiste un approccio complementare, il cui scopo è di determinare le funzioni cognitive e i processi neurali che non sono connessi, ma “dissociati”.

Una dissociazione semplice implica che un eventuale danno in un’area cerebrale comprometta la prestazione nel compito A ma non nel compito B. Tuttavia, questa dissociazione potrebbe essere dovuta alla difficoltà dei 2 compiti o al grado in cui un sistema neurale è impegnato nel compito.

Una dissociazione doppia si verifica nel caso in cui una lesione nel sistema A comprometta la prestazione nel compito A ma non nel compito B, mentre una lesione nel sistema B compromette la prestazione unicamente nel compito B e non nel compito A. La configurazione opposta degli effetti sui 2 compiti è una prova convincente che i sistemi cerebrali A e B assolvono funzioni indipendenti.

Oltre che nei casi di lesione cerebrale, le dissociazioni doppie sono importanti nei compiti che misurano l’attività cerebrale durante i compiti cognitivi. Ad esempio, un esperimento di neuroimaging potrebbe indicare che una specifica area cerebrale è attiva durante il compito A, ma non durante il compito B.

Controllo del movimento

I principali movimenti che possono essere compiuti dai muscoli scheletrici, i muscoli striati connessi alle ossa e responsabili del movimento dello scheletro, sono principalmente flessione ed estensione. La struttura dei muscoli scheletrici si compone di 2 tipi di fibre muscolari:

• Fibre extrafusali: innervate dai motoneuroni alfa, la cui contrazione genera la forza muscolare. I motoneuroni alfa fuoriescono dalle radici ventrali del midollo spinale e rilasciano acetilcolina. Un motoneurone alfa, il suo assone e le fibre extrafusali da lui innervate costituiscono l’unità motrice.
• Fibre intrafusali: dette fusi muscolari, sono organi sensoriali innervati da un assone sensoriale e un assone motorio. La loro contrazione è determinata dai motoneuroni gamma; tale contrazione non contribuisce all’aumento della forza muscolare, bensì modula la sensibilità allo stiramento delle terminazioni afferenti. Nella regione centrale di queste fibre, o capsula, vi sono infatti terminazioni sensoriali sensibili allo stiramento di una fibra muscolare e che rilevano la lunghezza della fibra stessa: in altre parole, le fibre intrafusali segnalano i cambiamenti della lunghezza muscolare.

Controllo riflesso del movimento

Sebbene i comportamenti siano controllati dal cervello, il midollo spinale possiede una certa autonomia. Poiché le fibre intrafusali sono poste in parallelo a quelle extrafusali, sono stirate se il muscolo si allunga e arricciate se si accorcia. L'arricciamento o stiramento delle fibre intrafusali causato dai motoneuroni gamma determina degli archi riflessi, cioè movimenti involontari che modulano il tono del muscolo.

Nel riflesso miotatico (“estensorio” o da stiramento) la contrazione di un muscolo si verifica in risposta al suo rapido allungamento (riflesso patellare o del tendine del ginocchio). Nelle fibre muscolari intrafusali, i recettori dello stiramento attivano un neurone sensoriale, il cui impulso entra nel midollo spinale attraverso la radice dorsale. A livello della sostanza grigia, i bottoni terminali contraggono sinapsi sul motoneurone alfa, il cui assone esce dalla radice ventrale e innerva le fibre muscolari extrafusali del muscolo stesso. Nel circuito neurale, quindi, avviene una sola sinapsi: da qui il termine “monosinaptico”.

Ad esempio, se viene applicato un carico al muscolo, entrambe le fibre si distendono passivamente. In altre parole, la distensione del muscolo, percepita da un neurone sensoriale nelle fibre intrafusali, viene trasmesso ad un motoneurone alfa, che innerva le fibre extrafusali e fa contrarre il muscolo.

A differenza dei riflessi monosinaptici, i riflessi polisinaptici contengono almeno un interneurone tra il neurone sensitivo e il motoneurone alfa, a livello della sostanza grigia del midollo spinale. Oltre ad innervare le fibre extrafusali, i motoneuroni alfa ricevono input dalle fibre sensoriali dei muscoli (radici dorsali) e segnali inibitori dagli interneuroni. Ad esempio, se una forte contrazione muscolare minaccia di danneggiare i muscoli o gli arti, l’incremento della frequenza di scarica dei neuroni sensoriali stimola gli interneuroni inibitori, che a loro volta inibiscono i motoneuroni alfa di quei muscoli.

Nel riflesso flessorio (o di difesa), l’attivazione dei neuroni sensoriali dopo una sensazione di dolore stimola gli interneuroni eccitatori, che attivano i motoneuroni alfa causando la flessione muscolare.

I motoneuroni alfa ricevono inoltre segnali eccitatori ed inibitori da altre strutture subcorticali e corticali, in modo da regolare il movimento volontario. Grazie alla mediazione degli interneuroni, i segnali eccitatori ad un muscolo agonista sono sempre accompagnati da segnali inibitori al muscolo antagonista, e ciò permette di superare il riflesso miotatico e di muoversi volontariamente.

Modello gerarchico dei sistemi motori

Gli studi sul controllo motorio usano un modello gerarchico dei sistemi neurali che organizzano l’azione, secondo il quale i comportamenti complessi sono organizzati su più livelli. Al livello più basso della gerarchia, i motoneuroni inferiori localizzati nel tronco encefalico e nel midollo spinale rappresentano le “unità comportamentali elementari” che stimolano direttamente i muscoli. Quindi, i sistemi di livello inferiore sono i diretti responsabili della produzione del movimento. I motoneuroni inferiori sono controllati dagli interneuroni nei circuiti locali, che contribuiscono alla coordinazione locale dei riflessi coinvolti dalle attività ritmiche (camminare). Sebbene tali circuiti locali possano produrre autonomamente movimenti riflessi, essi sono regolati da proiezioni discendenti superiori nella corteccia cerebrale e nel tronco encefalico. Queste influenze discendenti determinano la produzione di movimenti coordinati e complessi, diretti a uno scopo. Questo controllo di ordine superiore del movimento è mediato dai motoneuroni superiori nella corteccia primaria e altre aree premotorie dei lobi frontali e parietali.