Struttura e funzionamento dei sistema nervoso - la psicologia fisiologica

Psicologia fisiologica

I metodi d’indagine nell’uomo

I risultati delle ricerche sulla base neurologica delle attività cognitive sono strettamente legati alle metodiche d’indagine utilizzate. Due postulati stanno alla base delle neuroscienze cognitive:

• L’architettura funzionale e neurologica della mente è multicomponenziale;
• Il comportamento di un soggetto portatore di una lesione cerebrale è determinato dall’attività complessiva del cervello, meno la componente danneggiata della lesione stessa; non ha quindi luogo una riorganizzazione post-lesionale del sistema nervoso, tale da renderlo radicalmente diverso rispetto a prima della lesione.

Lo studio della specializzazione emisferica può avvenire attraverso due metodologie:

• Metodi invasivi;
• Metodi non invasivi.

Metodi comportamentali non invasivi

I metodi comportamentali per lo studio della specializzazione emisferica sono basati su una caratteristica anatomo-fisiologica delle vie sensori-motorie. Il segnale evocato raggiunge la corteccia controlaterale, il trasferimento dell’informazione all’altro emisfero avviene solo successivamente attraverso un passaggio intercommissurale. Sulla base dell’ipotesi che l’emisfero cerebrale che riceve il segnale per primo sia in qualche modo avvantaggiato rispetto al controlaterale, è possibile esplorarne la specializzazione funzionale.

Il metodo della presentazione lateralizzata può essere associato a compiti concomitanti, per indagare la specializzazione emisferica attraverso gli effetti dell’interferenza fra due attività. Ad esempio, il compito motorio è svolto dall’emisfero sinistro: se questo deve rispondere anche a stimoli visivi (presentati in emicampo visivo destro), vi è interferenza ed i tempi di reazione aumentano, suggerendo una specializzazione funzionale emisferica sinistra nella programmazione motoria.

In paradigmi di cui vengono misurati i tempi di reazione unimanuali a stimoli lateralizzati è possibile determinare se, per un dato compito sperimentale, la specializzazione di uno degli emisferi sia assoluta (l’altro emisfero non è in grado di svolgere il compito), o relativa (entrambi gli emisferi sono in grado di svolgere il compito ma uno dei due è più efficiente). La limitazione principale di tutti questi metodi è che non sono in grado di fornire informazioni sulla specializzazione funzionale intraemisferica, ovvero su quali aree cerebrali all’interno di un emisfero siano coinvolte in una data operazione mentale.

Metodi invasivi: l’inattivazione funzionale di un emisfero cerebrale

Dato che l’inattivazione interessa l’intero emisfero, questo metodo non offre dati né sulla localizzazione intraemisferica delle attività oggetto d’indagine né su eventuali interazioni interemisferiche. Il test di Wada consente di diagnosticare, sulla base della comparsa di un’amnesia globale temporanea, la presenza di una lesione temporale controlaterale al lato dell’iniezione: in questi pazienti, infatti, l’inattivazione farmacologica dell’unico lobo temporale indenne causa il grave deficit mnestico tipico delle lesioni temporali mesiali bilaterali.

In alcuni studi recenti, il test di Wada è stato associato a metodiche elettrofisiologiche o di neuroimmagine funzionale, al fine di poter determinare se, all’interno dell’emisfero inattivato, vi sono delle regioni in cui la sofferenza funzionale è particolarmente intensa. La logica di questi studi è che se l’inattivazione dell’emisfero destro causa un peggioramento del difetto afasico, mentre l’iniezione sinistra ha effetti scarsi o nulli, allora l’emisfero destro è la base neurale del linguaggio residuo o del recupero funzionale.

Un altro metodo che può fornire informazioni sulla lateralizzazione funzionale degli emisferi cerebrali è l’elettroshock unilaterale, il quale, come il test di Wada, causa una disfunzione transitoria nell’emisfero cui è applicato il trattamento. L’elettroshock sia unilaterale che bilaterale causa inoltre amnesia transitoria, che può essere oggetto di ricerca neuropsicologica.

Le lesioni sperimentali nell’animale

Procedura secondo la quale, il ricercatore distrugge una specifica parte del cervello e osserva gli effetti comportamentali prodotti dalla lesione. La generalizzazione dei risultati dall’animale all’uomo è tanto meno problematica quanto più l’organizzazione cerebrale dell’animale sperimentale prescelto è simile a quella umana. Esso ha consentito di indagare la base neurale delle funzioni sensori-motorie, e di processi mentali complessi, quali l’attenzione, la memoria e la percezione.

Il controllo post mortem è essenziale, affinché la correlazione con i difetti comportamentali sia valida. Ad esempio, in alcune ricerche è stato interrotto nella scimmia il fornice (un compatto fascio di fibre nervose che connette la regione ippocampale con i corpi mammillari) mediante sezione chirurgica, al fine di indagarne il ruolo nei processi di memoria. Anche qui è indispensabile il sacrificio dell’animale dopo lo studio sperimentale, al fine di controllare che la lesione sia stata limitata alla struttura oggetto dello studio.

Effetti a distanza di una lesione cerebrale focale: la diaschisi

Per diaschisi, si intende gli effetti a distanza causati da una lesione cerebrale focale. Ad esempio, la distruzione dell’area A che causa i difetti S1, S2, S3 determina una disfunzione delle aree connesse B e C. Questi studi dimostrano come lo studio dei correlati neurali dei sintomi causati da lesioni focali non possa limitarsi alla loro sede ed estensione, ma debba anche prendere in considerazione l’attività di regioni non direttamente danneggiate, ma connesse con l’area distrutta.

Il difetto comportamentale osservato è prodotto in modo specifico dalla distruzione di quella particolare area cerebrale, oppure è l’effetto generico del danno cerebrale in quanto tale, indipendentemente dalla sua localizzazione? La doppia dissociazione è lo strumento più potente per dimostrare la specializzazione funzionale del cervello. Si verifica una doppia dissociazione quando un paziente cerebroleso P1 presenta un deficit nel compito A, ma non in B, in cui la prestazione è normale, mentre il paziente P2 ha un comportamento opposto. Questo quadro permette di concludere che i compiti A e B esaminano funzioni distinte e indipendenti (localizzate in regioni cerebrali diverse, se lo studio ha una componente anatomica).

L’esame anatomo-patologico “post-mortem”

Le inferenze che possono essere tratte dipendono da due fattori: il metodo utilizzato per localizzare la lesione cerebrale; l’analisi psicologica del comportamento del paziente. Come il metodo delle lesioni sperimentali, anche quello della correlazione anatomo-clinica ha fatto registrare notevoli affinamenti nel corso degli anni. Quest’ultimo ha consentito di raccogliere informazioni cruciali sulle basi neurali delle funzioni mentali nell’uomo.

L’esame post-mortem è stato anche utilizzato per studi anatomici in soggetti normali, al fine di identificare aspetti morfologici, come asimmetrie tra i due emisferi cerebrali, che possono essere messi in relazione con differenze funzionali, evidenziate attraverso il metodo della correlazione anatomo-clinica. La correlazione post-mortem presenta tuttavia alcuni limiti: l’esecuzione di un esame anatomo-patologico completo dell’encefalo (macroscopico e microscopico) è una procedura lunga e complessa, che richiede una buona organizzazione e tecniche specifiche.

Se è trascorso molto tempo, inoltre, tra l’esordio della malattia che ha causato i sintomi oggetto di studio e la morte del paziente, manca la corrispondenza temporale tra il deficit neuropsicologico osservato a suo tempo e la lesione cerebrale. Per tutte queste ragioni, l’esame post-mortem è di solito limitato ai casi cosiddetti positivi, cioè a pazienti che avevano suscitato l’interesse del ricercatore per la presenza di qualche particolare sintomo e che vengono quindi seguiti con cura.

L’intervento neurochirurgico

Una possibilità di correlazione anatomo-clinica in vivo è offerta dalla localizzazione della lesione cerebrale responsabile della sintomatologia neuropsicologica durante intervento neurochirurgico, ad esempio d’ablazione di una neoplasia cerebrale. Questo metodo permette una visione della parte del cervello sede della lesione e delle regioni limitrofe, senza i problemi di corrispondenza temporale dell’esame post-mortem.

Un altro caso in cui l’intervento chirurgico può determinare situazioni fonte d’informazioni utili, è quello in cui il paziente è sottoposto ad ablazione di un’area cerebrale. Un secondo esempio è costituito dalla sindrome da disconnessione interemisferica causata dalla commessurotomia cerebrale, intervento chirurgico praticato per il trattamento d’epilessie resistenti alle terapie farmacologiche. Questi interventi di neurochirurgia funzionale hanno, ai fini della correlazione anatomo-clinica, il vantaggio che le lesioni sono delimitate con precisione.

Metodi elettrofisiologici: l’elettroencefalogramma (EEG)

L’elettroencefalogramma standard fornisce una registrazione dell’attività elettrica cerebrale, mediante elettrodi posti sulla superficie cranica. Non produce un’immagine diretta del cervello ed ha una capacità localizzatoria molto scarsa.

Potenziali evento-correlati

I potenziali evento-correlati, detti anche potenziali evocati (ERPs) sono piccole modificazioni dell’attività elettrica cerebrale spontanea sincronizzati con un evento definibile sperimentalmente come il momento d’inizio di uno stimolo in movimento. Hanno una dimensione molto ridotta rispetto agli EEG e vengono quindi estratti dal rumore di fondo mediante numerose registrazioni.

Componenti esogene (precoci) degli ERPs: applicazioni neuropsicologiche

Un uso neuropsicologico delle componenti esogene degli ERPs è per determinare se un dato disordine cognitivo sia attribuibile o meno a un deficit sensoriale. In pazienti cerebrolesi destri con emianopsia e emianestesia sinistra, affetti da eminegligenza spaziale, sono stati registrati ERPs precoci normali a stimoli visivi somatosensoriali, che il paziente non era in grado di percepire. Questi risultati, dimostrando con una metodica elettrofisiologica che l’analisi sensoriale dello stimolo è relativamente preservata, suggeriscono che l’emianopsia e l’emianestesia possono essere una manifestazione di eminegligenza, anziché un difetto sensoriale primario.

Componenti endogene (tardive) degli ERPs: applicazioni neuropsicologiche

Uno degli obiettivi più importanti della psicofisiologia cognitiva è quello di identificare componenti specifiche degli ERPs, come indicatori fisiologici di fasi o aspetti distinti dell’analisi dello stimolo. Il potere di localizzazione anatomico degli ERPs non è elevato. È possibile migliorarlo mediante procedure invasive, come la registrazione intracranica degli ERPs. Negli ultimi anni sono state sviluppate numerose tecniche d’analisi che cercano di localizzare le sorgenti cerebrali degli ERPs, facendo uso di un numero elevato d’elettrodi.

Magnetoencefalografia (MEG)

La registrazione e l’analisi della distribuzione dei campi magnetici che accompagnano i potenziali elettrici cerebrali permettono una localizzazione della loro sorgente intracerebrale più precisa di quella consentita dagli ERPs e dallo EEG. La localizzazione della corteccia uditiva e di quella somatosensoriale sono esempi applicativi di questo uso della MEG.

Stimolazioni cerebrali: stimolazione elettrica

Questo metodo consiste nella stimolazione di aree specifiche della corteccia cerebrale mediante elettrodi. Il limite principale di questa procedura è che può essere applicata solo a pazienti in cui, per ragioni cliniche, è necessario esporre la corteccia cerebrale. Il trattamento può interferire con l’attività d’altre strutture cerebrali, oltre a quelle direttamente stimolate di cui si vuole indagare la funzione. Inoltre l’uso di un maggior numero d’elettrodi consente la costruzione di mappe funzionali corticali più precise. In generale, i risultati ottenuti con questa metodologia concordano con quelli basati su altre procedure d’indagine nel suggerire un elevato grado di specializzazione funzionale del cervello.

Stimolazione magnetica transcranica (SMT)

La SMT permette di stimolare in modo non invasivo la corteccia cerebrale, con due effetti principali rilevanti per lo studio delle basi neurali delle funzioni cognitive. Gli effetti collaterali della SMT sono scarsi, anche se non del tutto assenti: ad esempio in soggetti predisposti possono verificarsi crisi convulsive.

Risposte autonome

L’utilizzazione in neuropsicologia degli indici autonomici (risposte di conduttanza cutanea e variazioni della frequenza cardiaca e respiratoria e della pressione arteriosa) concerne due aree di ricerca principali:

• Lo studio delle asimmetrie emisferiche e della specializzazione cerebrale funzionale;
• L’impiego di queste risposte, come indice del fatto che i soggetti sono in grado di analizzare e discriminare informazioni anche se non sono consapevoli di queste operazioni mentali.

Visualizzazione “in vivo” della morfologia dell’encefalo

Vi sono vari metodi che consentono di visualizzare “in vivo” la morfologia dell’encefalo, sia in condizioni di normalità sia in presenza di lesioni. L’uso dei metodi radiologici tradizionali ai fini della correlazione anatomo-clinica ha un interesse quasi esclusivamente storico. Essi sono la radiografia del cranio, l’angiografia cerebrale, pneumoencefalografica, la scintigrafia cerebrale. La tomografia computerizzata (TC) è uno sviluppo dei principi fondamentali della radiologia tradizionale. La risonanza magnetica nucleare (RM) è basata su principi fisici radicalmente diversi da quelli della radiologia tradizionale, di cui la TC rappresenta un’evoluzione, sebbene molto sofisticata. La RM ha un potere di risoluzione spaziale e tissutale molto maggiore di quello della TC. È quindi possibile la localizzazione diretta dei solchi e circonvoluzioni corticali e delle strutture cerebrali profonde. Come la TC, anche la RM è un esame non invasivo che, inoltre, non richiede la somministrazione dei raggi X. La RM costituisce attualmente il “gold standard” nei metodi di localizzazione morfologica “in vivo”. Il campo delle possibili applicazioni neuropsicologiche della RM è assai vasto e copre i principali settori di ricerca.

Visualizzazione “in vivo” dell’attività cerebrale: metodi funzionali

Flusso ematico cerebrale regionale

Questa è una tecnica invasiva, che limita l’utilizzo del metodo a pazienti in cui vi è un’importante motivazione clinica, e consente la visualizzazione della perfusione corticale del solo emisfero ipsilaterale al lato dell’iniezione impedendo la raccolta dei dati dall’altro emisfero.

Misurazione del rCBF in condizioni statiche: studi in pazienti cerebrolesi

Questo metodo di misurazione del rCBF ha avuto larghe applicazioni in campo neuropsicologico. Molte ricerche hanno misurato il rCBF in condizioni “statiche” in cui il soggetto non svolge alcuna attività e non riceve alcuna stimolazione sensoriale.

Studi di attivazione

La misurazione del rCBF in soggetti normali durante l’esecuzione di compiti di vario genere ha consentito i primi studi sistematici cosiddetti di “attivazione”, in cui variazioni locali del flusso ematico cerebrale vengono messe in relazione con l’attività neuronale corticale indotta dal compito in cui è impegnato il soggetto. Gli studi di misurazione del rCBF in soggetti normali durante l’esecuzione di varie attività hanno dimostrato come anche compiti relativamente semplici diano luogo all’attivazione di diverse aree cerebrali, spesso bilateralmente.

Tomografia ad emissione di fotone singolo (SPET)

La tomografia di emissione di fotone singolo (SPET) consente di determinare il rCBF, fornendo ricostruzioni tomografiche tridimensionali del cervello, sotto forma di sezioni assiali. La radiazione gamma emessa dal tracciante (somministrato al paziente ed in grado di attraversare la barriera emato-encefalica e la cui distribuzione sia proporzionale al rCBF) viene registrata da una gamma-camera rotante attorno alla testa del paziente. I dati così acquisiti vengono successivamente elaborati da un computer, che fornisce immagini tomografiche della distribuzione dell’isotopo nel cervello, che vanno poi riferite alle strutture anatomiche. In pazienti portatori di lesioni cerebrali focali, la SPET, così già come la misura del rCBF ha dimostrato la presenza di ipoperfusione in regioni cerebrali apparentemente indenni e lontane dalla sede del danno focale.

Tomografia ad emissione di positroni (PET)

La tomografia ad emissione di positroni (PET) produce un’immagine della distribuzione in qualunque sezione del corpo di un radionuclide precedentemente somministrato al soggetto. Quest’immagine è equivalente alle autoradiografie quantitative ottenute negli animali da laboratorio, ma la PET ha il vantaggio d’essere poco invasiva, rendendo possibili gli studi nell’uomo. Le immagini PET vanno poi messe in relazione con le strutture anatomiche d’interesse. In campo neurologico, la PET può essere usata per misurare il rCBF, il metabolismo del glucosio e dell’ossigeno, la cinetica recettoriale dei neurotrasmettitori.

Studi in condizioni statiche in pazienti cerebrolesi

In pazienti portatori di lesioni cerebrali focali, la PET ha confermato e precisato il fenomeno degli effetti a distanza in strutture lontane dalle aree distrutte, ma ad esse connesse. Un esempio...