Riassunto per esame di Psicobiologia della resilienza e della vulnerabilità, prof Pizzorusso, secondo modulo

Psicobiologia della resilienza e della vulnerabilità

Memorie di paura condizionata: formazione ed estinzione

Quando si studiano queste forme di memoria, si utilizza in genere il protocollo del condizionamento alla paura; possiamo indurre delle risposte di paura a stimoli che normalmente non avrebbero nulla di negativo: possiamo formare nuove associazioni tra stimoli e risposta emotiva a questi stimoli.

Ci sono delle paure innate, ma il sistema del controllo della paura è molto plastico (come è giusto che sia, poiché la paura è un fenomeno funzionale). Per studiare questi meccanismi, che possono andare fuori controllo nel caso di patologie (es. sviluppo di paure eccessive -> disordine da stress posttraumatico), si utilizzano come detto protocolli di condizionamento; in genere in questi protocolli abbiamo:

• Uno stimolo neutro (stimolo condizionato, SC o CS) che viene associato ripetutamente a uno stimolo doloroso (stimolo incondizionato, SI o US); lo stimolo incondizionato è già doloroso/pauroso di per sé, non dobbiamo imparare l’associazione tra quello stimolo e il pericolo.

È diverso quando ad esempio si apprende la paura verso una certa luce, un certo luogo, ecc. (stimolo condizionato). Questi protocolli possono essere fatti sia negli animali che negli umani (ottima validità di costrutto e di facciata); sottoposti a un protocollo di condizionamento, i soggetti apprendono due associazioni:

• L’associazione tra l’US e l’ambiente in cui è avvenuto l’apprendimento -> una volta formata questa associazione, la visita all’ambiente di condizionamento determinerà il manifestarsi della risposta di paura, anche in assenza dello stimolo incondizionato e dello stimolo condizionato; questa associazione dà origine al condizionamento alla paura al contesto (contextual fear conditioning).
• L’associazione fra il CS (suono, stimolo luminoso) e US: lo stimolo condizionato predice lo stimolo incondizionato. Anche quando il CS viene presentato in un ambiente nuovo, il soggetto mostrerà una risposta di paura a quello stimolo. Questa associazione dà origine a una risposta di paura condizionata allo stimolo (cued fear conditioning).

In entrambi i casi, per avere prove riguardo le risposte di paura si utilizzano indicatori fisiologici e aspetti comportamentali (freezing, assenza di movimenti); è importante inoltre che per quanto riguarda il condizionamento di paura allo stimolo, questo sia indipendente dal contesto, ciò che veramente l’animale ha appreso è l’associazione tra l’US (es. tono luminoso) e lo shock (es. scossa elettrica), ma non che l’US predice lo shock in quel particolare ambiente: deve poter essere generalizzabile a tutti gli ambienti. Solitamente è piuttosto semplice indurre questo tipo di condizionamenti, bastano solo 7/8 appaiamenti di stimoli; questa forma di apprendimento, questa memoria, è estremamente persistente e può durare anche anni.

Esperimenti su roditori

Esperimento Cued fear conditioning su roditori: shock a soglia del dolore associata con un suono, si vede che l’animale progressivamente somma le risposte di paura e si va poi a guardare la percentuale di freezing: del tempo di osservazione dell’animale, quanto tempo è stato in freezing? Si vede che con il passare delle associazioni suono-scossa, il tempo di freezing aumenta; un mese e mezzo dopo (fase di re-test) si va a testare in un nuovo contesto e si somministra il suono che precedentemente era associato alla scossa; si vede che immediatamente ci sono livelli di freezing simili a quelli di un mese e mezzo prima. Quindi un evento avvenuto in due minuti della vita del roditore, viene ricordato per un mese e mezzo, solo perché era un evento saliente a causa della minaccia provocata dal dolore.

Esperimento Contextual fear conditioning su roditori: si associa il contesto a uno shock, aumenta il freezing ricevendo le scosse; un mese e mezzo dopo, si rimettono nello stesso contesto ma stavolta privo di scossa: si nota una chiara risposta di paura in termini di freezing in risposta al contesto. Nell’uomo anziché il freezing, potremmo misurare il battito cardiaco, la conduttanza cutanea, la pressione sanguigna; potremmo usare altri parametri ma sostanzialmente il protocollo sperimentale sarebbe identico.

Formazione di una memoria emotiva

Come si forma una memoria emotiva? Quali strutture sono coinvolte nell’acquisizione e nel recupero a lungo termine di memorie di paura condizionata? L’amigdala è un nucleo fondamentale per questi apprendimenti; lavora all’interno di un circuito, ovvero il sistema limbico.

L’amigdala è formata da tre nuclei: amigdala centrale, amigdala basale, amigdala laterale; come sono collegati tra loro? La parte laterale è il punto d’ingresso dell’informazione sensoriale all’interno dell’amigdala (riceve informazioni dalla corteccia sensoriale); l’informazione arriva ai nuclei centrali, vi può arrivare:

• Direttamente;
• Indirettamente, attraverso l’amigdala basale (prima basolaterale e poi basale).

Il nucleo centrale rappresenta l’uscita dell’informazione, verso l’ipotalamo (attivazione ormonale) e altre strutture legate alla risposta alla paura (es. freezing -> neuroni del midollo allungato). Tutto questo passaggio di informazioni, è mediato da altre strutture; queste risposte spesso sono controllate dall’alto ovvero dalla corteccia (PFC), che ci permette di avere una certa regolazione delle emozioni.

Amigdala come rivelatore della paura

L’amigdala è una sorta di rivelatore della paura, che attiva istantaneamente delle risposte; questo strumento automatico è in parte gestibile dall’attività dei centri superiori come l’ippocampo e la PFC.

Come si integra l’amigdala nel circuito con le altre strutture? L’amigdala è modulata dall’ippocampo e ha azione sull’ipotalamo e su strutture sottocorticali importanti per l’espressione corporea della paura; allo stesso tempo ha connessioni con aree associative come la corteccia prefrontale: questo fa sì che la componente emotiva venga non solo controllata da parte delle cortecce, ma venga anche inviata alle cortecce in modo di avere coscienza del fatto di avere una certa emozione.

Le prove che l’amigdala hanno tutte queste funzioni, sia nel provare le emozioni che nell’apprendimento delle reazioni di paura:

• Se si stimola l’amigdala, provoco stati di paura;
• Le lesioni negli animali, danno assenza di risposta di paura;
• I pazienti con lesioni dell’amigdala non riescono a giudicare gli aspetti emotivi di un volto, sia pur riconoscendo il volto;
• Lesioni dell’amigdala impediscono la formazione di tracce di memoria di paura condizionata -> soggetti con lesioni dell’amigdala non imparano a reagire in maniera appropriata a uno stimolo.

Esperimento di neuroimmagine

Mostra che in soggetti normali a cui vengono mostrate facce con espressione impaurita o felice, si ha l’attivazione dell’amigdala, in particolare dell’amigdala sinistra; quest’attivazione è significativamente maggiore per le facce impaurite.

Condizionamento alla paura

Quando si fa un condizionamento alla paura si possono attivare due tipi di condizionamento:

• Cued -> associo CS (illuminazione) e US (scossa);
• Contextual -> associo US (scossa) a un ambiente.

Se andiamo a vedere quali strutture sono coinvolte in questi due tipi di condizionamento, per entrambi l’amigdala ha un ruolo fondamentale; però in particolare per il Contextual fear conditioning c’è un ruolo fondamentale anche dell’ippocampo: se c’è una lesione all’ippocampo, avremo una mancanza di apprendimento.

Esperimento Cued fear conditioning

• [Giorno 1] Il ratto viene abituato all’ambiente in cui viene fatto l’esperimento;
• [Giorno 2] Si fa il condizionamento (suono di 20 secondi accoppiato a una scossa di mezzo secondo) e lo ripeto per 4/5 volte, ogni volta c’è sempre più paura (freezing);
• [Giorno 3] Si fa il test, cambiando l’ambiente, ma comunque il ratto risponde con freezing al suono (CS).

Come gruppo di controllo uso un gruppo di animali con lo stesso numero di scosse e suoni, ma non nella corretta successione temporale; il suono predice la scossa, quindi l’associazione appresa è che c’è uno stimolo che mi prevede quello che mi succederà entro poco tempo: riceverò uno stimolo doloroso.

Informazione acustica e amigdala

Come riceve l’informazione di tipo acustico l’amigdala? A monte della corteccia acustica primaria, abbiamo il nucleo talamico del sistema acustico, ovvero il nucleo genicolato mediale; questo oltre a innervare la corteccia acustica, ha una proiezione diretta verso l’amigdala (nella zona laterale): questo vuol dire che l’amigdala riceve informazione acustica anche prima che venga elaborata a livello corticale. Il nucleo genicolato mediale, allo stesso tempo, invia l’informazione anche alla corteccia acustica primaria, che a sua volta invia alle cortecce associative, che proiettano all’amigdala. L’amigdala dello stesso stimolo riceve:

• Prima, una copia veloce, inviatagli dal nucleo genicolato mediale prima che ci sia il processamento corticale;
• Dopo, una copia elaborata a livello corticale, che avrà un contenuto informativo maggiore.

Se l’amigdala centrale sarà molto attivata, avremo l’attivazione di tutti i nuclei della risposta motoria e avremo più freezing.

Se non percepisco coscientemente una stimolazione emotiva, posso comunque avere una reazione? Il substrato anatomico ci sarebbe, perché l’amigdala riceve informazione anche prima che la corteccia sia informata.

Esperimento sull’uomo su risposte emozionali

Vengono mostrati due stimoli visivi in rapida successione (il primo viene presentano, scompare e viene sostituito dal secondo, che rimane): il primo stimolo viene visto ma per un tempo talmente breve che non si ha la percezione cosciente di averlo visto. Si usano delle facce [  alcune di queste  ] erano state utilizzate come US], per un condizionamento alla paura, per cui queste facce producono delle risposte emotive rilevate fisiologicamente. Si va a vedere l’ordine di somministrazione degli stimoli:

• Presento prima e poi ; percepisco -> la risposta emotiva di paura è normale.
• Presento prima e poi ; percepisco -> pur avendo una percezione positiva, vi era comunque l’attivazione emotiva di paura.

È quindi possibile evocare risposta emotiva di uno stimolo non visto (non si ha coscienza di averlo visto); attraverso l’imaging è stato visto che la risposta emotiva in questo caso era associata all’attivazione di aree visive sottocorticali. Inoltre, in questo caso, sembra maggiormente importante il ruolo dell’amigdala destra.

L’amigdala riceve connessioni da tutte le aree sensoriali, vi sono particolari connessioni sottocorticali che fanno sì che gli stimoli siano percepiti prima che vengano elaborate dalla corteccia e che quindi siano coscienti. Questo è un meccanismo adattivo, perché ci permette di dare una risposta immediata al pericolo, anche al costo di sbagliare (“meglio aver paura che toccanne”).

Plasticità dell’amigdala

Cosa accade nell’amigdala quando si forma una memoria di paura condizionata? Vi sono fenomeni di plasticità. L’amigdala laterale riceve informazione ad esempio dal cue acustico (CS) e in contemporanea riceve informazione di tipo dolorifico; c’è una convergenza di stimoli sensoriali e dolorifici: un neurone dell’amigdala laterale è quindi un punto di convergenza. Questa attivazione simultanea determina un fenomeno di LTP, secondo principi hebbiani di plasticità; il potenziamento della sinapsi ad esempio della via acustica, porterà ad un’attivazione maggiore dell’amigdala.

La forte depolarizzazione di un neurone dell’amigdala laterale evocata dallo stimolo incondizionato (US) ovvero dal dolore, porterà al potenziamento tutti gli stimoli deboli che erano attivi in quel momento, ad esempio anche quelli del contesto. Sono stati condotti esperimenti in cui elettricamente si stimolavano gli elettrodi dell’amigdala in simultanea alla presenza di stimoli neutri, realizzando un condizionamento; per realizzare un condizionamento, quello che conta è la simultaneità di attivazione dei neuroni: neuroni che sono coattivi ripetutamente insieme, fortificheranno la loro capacità di guidare l’amigdala e daranno luogo alla traccia di memoria. Altri esperimenti hanno bloccato la plasticità dell’amigdala e si è visto che così si bloccava anche la formazione della traccia di memoria.

Esperimento: il condizionamento alla paura comporta variazioni della trasmissione sinaptica fra i neuroni dell’amigdala. Si registrano i neuroni dell’amigdala e si danno come stimoli vari suoni di frequenza diversa. Cosa succede se sottopongo l’animale a un Cue fear conditioning utilizzando come stimolo sonoro uno stimolo di frequenza sui 5 kHz (frequenza non ottimale per quel neurone)? Dopo aver realizzato l’apprendimento se vado di nuovo a vedere le risposte del neurone, vedo che lo stimolo a 5 kHz diventa quello con picco più alto: questo ci dice che lo stimolo condizionato attiva di più il neurone dell’amigdala. Perché? Le sinapsi eccitatorie che portano l’informazione di quel suono su questo neurone diventano più forti, danno delle risposte maggiori.

A livello di meccanismi di base molecolare, tutti i meccanismi importanti nella plasticità sinaptica saranno coinvolti nel condizionamento alla paura. Tutto questo si basa su un modello hebbiano, anche detto modello di plasticità omosinaptica, perché tutti meccanismi che modulano la plasticità, avvengono a livello della sinapsi attiva (localmente); è stato però notato che questo modello ha alcune mancanze: ad esempio se c’è già una forte attivazione emotiva di per sé, l’attivazione è massima e così l’apprendimento, anche con stimoli molto deboli.

La capacità di apprendimento è modulabile dallo stato di attivazione emotiva (stato di allerta); lo stato di allerta a livello cerebrale non è altro che l’attività dei neuromodulatori, in questo caso importanti sono la noradrenalina e la dopamina. Questo meccanismo hebbiano di plasticità può essere influenzato anche da altre sinapsi, in particolare da quelle dei neuromodulatori: se c’è un forte rilascio di noradrenalina si facilita la formazione di una memoria emotiva; si parla così di plasticità eterosinaptica.

Ruolo del nucleo centrale dell’amigdala

Il nucleo laterale dell’amigdala proietta al nucleo centrale, che costituisce la principale uscita dell’amigdala; la maggiore risposta del nucleo laterale allo stimolo condizionato determinerà una maggiore attivazione del nucleo centrale. Le proiezioni del nucleo centrale sono dirette sia a zone sotto corticali che comandano il sistema nervoso autonomo (possono controllare reazioni come la pressione sanguigna, la sudorazione, ecc), sia all’ipotalamo (coinvolto nel rilascio di ormoni).

Esperimento: il ruolo del nucleo centrale dell’amigdala, è stato dimostrato anche con la stimolazione elettrica nell’amigdala centrale (divisa in laterale e mediale), si è fatto sì che i neuroni dell’amigdala centrale mediale esprimessero il fattore CHR2 (canale luce-sensibile), necessario per l’optogenetica. Perché? Basta un impulso di luce per stimolare solo quei neuroni; se si vuole verificare l’ipotesi che l’amigdala centrale guidi la risposta alla paura, se i neuroni hanno CHR2, li illumino, si attiveranno e vediamo se c’è una risposta di paura valutando il freezing.

Si vede che l’animale quando si accende la luce fa il freezing, la luce attiva solo i neuroni con CHR2 posti dell’amigdala centrale; questo dimostra che l’amigdala centrale è sufficiente per attivare una risposta di paura.

Sistema di messa in atto nell’amigdala centrale

Come funziona il sistema di messa in atto nell’amigdala centrale? Una cosa che è stata fatta è registrare con elettrodi da questi neuroni mentre l’animale è stato sottoposto al condizionamento, e vedere se questi neuroni quando do lo CS se si attivano o no (il CS causa paura nell’animale). Voglio dimostrare che si attivano anche non artificiosamente; è stato osservato che la situazione è un po’ più complessa della semplice attivazione dei neuroni, perché posso suddividere i neuroni dell’amigdala centrale in:

• Cell on -> quando si dà il CS aumentano la loro scarica (attivano la paura);
• Cell off -> quando si dà il CS diminuiscono la loro scarica (spengono la paura).

Quindi, da un punto di vista dei neuroni dell’amigdala centrale c’è un bilanciamento tra neuroni che se si attivano producono paura e neuroni che per avere la paura bisogna inattivarli; non è proprio un sistema automatico, ma un meccanismo graduabile: i Cell off possono limitare la risorsa di paura. Dipenderà da chi prevale perché si abbia paura; se lo stimolo è rilevante ed è stato anche potenziato grazie alla plasticità sinaptica, allora l’ingresso dall’amigdala basolaterale favorisce i Cell on e ciò si traduce in paura.

Chi esercita questo controllo? Una struttura fondamentale è la PFC, che ha delle innervazioni che arrivano a questi neuroni; inoltre la PFC stessa, senza controllare i Cell on e Cell off, può controllare l’attivazione. C’è un neurone inibitorio nell’amigdala, che è attivato dalla PFC (via IL, infra-limbica).