Riassunto esame psicobiologia, prof. Rusconi, libro consigliato Neuroscienze. esplorando il cervello, Connors

Capitolo 1: Le origini delle neuroscienze

Antica Grecia

Ippocrate (IV secolo a.C.): il cervello non è solo coinvolto nella sensazione, ma è anche la sede dell’intelligenza.

Aristotele (384-322 a.C.): il cuore è il centro dell'intelletto; il cervello serve soltanto a raffreddare il sangue surriscaldato proveniente dal cuore in ebollizione (la capacità di refrigerazione del cervello spiega il temperamento razionale proprio degli uomini).

Impero Romano

Galeno: segue la concezione di Ippocrate del cervello. Compì accurate dissezioni su animali grazie alle quali divise il cervello in due porzioni di dimensioni maggiori: l’encefalo anteriormente (che secondo lui era il recipiente delle sensazioni) e il cervelletto posteriormente (che comandava i muscoli). Inoltre G. notò che il cervello era cavo; in questi spazi cavi, chiamati ventricoli, c’era un fluido. Le sensazioni venivano registrate e i movimenti avviati a partire dallo spostamento dei fluidi da o verso i ventricoli del cervello attraverso i nervi (ritenuti essere tubi vuoti). La visione del cervello di Galeno prevalse per almeno 1500 anni.

Dal rinascimento al 19° secolo

Cartesio (1596-1650): teoria fluido-meccanica: il cervello è simile a una macchina nelle sue funzioni: i fluidi spinti fuori dai ventricoli attraverso i nervi vengono “pompati”, inducendo il movimento degli arti. Inoltre C. sosteneva che il cervello controllava solo gli aspetti del comportamento umano simili al comportamento delle bestie, mentre le capacità mentali unicamente umane esistevano fuori dal cervello, nella “mente”. La mente era un’entità spirituale che riceveva sensazioni e comandava i movimenti mediante la comunicazione con la macchina-cervello, attraverso la ghiandola pineale.

Invece, secondo la moderna ricerca neuroscientifica, la mente gode di una base fisica, che è il cervello. Gli scienziati del 17° e del 18° secolo osservano che il tessuto cerebrale è suddiviso in due parti: la sostanza grigia e la sostanza bianca.

Entro la fine del 18° sec il sistema nervoso viene dissezionato completamente e la sua anatomia microscopica è descritta in dettaglio: viene identificata una porzione centrale (cervello + midollo spinale) e una porzione periferica (rete di nervi). Si osserva che ogni individuo ha la stessa distribuzione generale di protuberanze (giri) e avvallamenti (solchi e fessure) sulla superficie dell’encefalo. In tutti i cervelli umani ritroviamo infatti la scissura di Silvio che divide lobo frontale da lobo temporale e il solco centrale (o scissura di Rolando) che separa lobo frontale e lobo parietale; il lobo occipitale si trova nella porzione posteriore del cervello. Il cervello viene quindi ripartito in lobi e da qui parte l’ipotesi secondo cui diverse funzioni possono essere localizzate su diverse prominenze del cervello (inizia l’era della localizzazione cerebrale).

La concezione del cervello nel diciannovesimo secolo

Conoscenze alla fine del 19° sec:

• Lesioni del cervello possono distruggere sensazioni, movimento, pensiero e possono causare la morte.
• Il cervello comunica con il corpo attraverso i nervi.
• Il cervello è costituito da parti ben identificabili che probabilmente presiedono a funzioni diverse.
• Il cervello opera come una macchina in accordo alle leggi di natura.

Galvani e Bois-Reymond dimostrano che i muscoli si contraggono in modo involontario quando i nervi vengono stimolati elettricamente e che il cervello stesso è capace di generare elettricità. Quindi non si pensa più che i nervi comunichino con il corpo attraverso il movimento di fluidi, ma il nuovo assunto è che i nervi sono “fili” che conducono segnali elettrici al cervello e dal cervello. Ogni nervo è costituito da numerosi filamenti sottili, detti fibre nervose.

Bell riscontrò che solo la recisione delle radici ventrali del midollo spinale (che entrano anteriormente) causava una paralisi muscolare; Magendie dimostrò che le radici dorsali (che entrano attraverso la porzione posteriore del midollo spinale) portavano informazioni sensoriali al midollo. Conclusero quindi che in ogni fibra nervosa sensitiva e motoria la trasmissione è rigidamente unidirezionale. I 2 tipi di fibre sono riuniti insieme in un fascio per la maggior parte della loro lunghezza, ma si separano anatomicamente quando entrano o escono dal midollo spinale.

Localizzazionismo

Differenti funzioni sono localizzate in differenti regioni del cervello. Il metodo usato per testare quest’ipotesi è il metodo di ablazione sperimentale: sistematica distruzione delle regioni del cervello per determinarne la funzione. Flourens (1823) applicò questo metodo su una gran varietà di animali per dimostrare che il cervelletto era implicato nella coordinazione del movimento. Franz Joseph Gall era convinto che le protuberanze sulla superficie del cranio riflettessero i rigonfiamenti sulla superficie del cervello; nel 1809 propose che la propensione per certi tratti della personalità potesse essere correlata alla dimensioni della testa (nuova disciplina detta frenologia). Flourens fu uno dei maggiori critici della frenologia: sosteneva che la forma del cranio non fosse in relazione con la forma del cervello e riteneva anche che tutte le regioni cerebrali partecipassero equamente a tutte le funzioni cerebrali (antilocalizzazionismo).

Paul Broca fece ritornare l’opinione scientifica in favore del localizzazionismo: nel 1861 esaminò il cervello di un paziente che riusciva a parlare ma non era in grado di comprendere il linguaggio e notò una lesione nel lobo frontale sinistro; basandosi su altri casi simili concluse che questa regione del cervello fosse specificamente responsabile della produzione del linguaggio parlato. Esperimenti su animali fornirono un solido supporto sperimentale alla localizzazione cerebrale (Fritsch e Hitzig). Oggi sappiamo che nel cervello esiste una suddivisione dei compiti molto chiara, per cui aree differenti presiedono a funzioni differenti. Diversamente dalla frenologia, gli scienziati odierni hanno bisogno di una solida evidenza sperimentale prima di attribuire una funzione specifica a una porzione del cervello.

Evoluzione e comportamento

1859: Darwin pubblica L’origine della specie in cui articola la teoria dell’evoluzione, secondo cui le specie dei vari organismi si sono evolute da un antenato comune; le differenze tra le specie derivano dal processo di selezione naturale. Anche il comportamento secondo D. è tra le caratteristiche ereditabili suscettibili di evoluzione (esempio: molte specie di mammiferi mostrano la stessa reazione quando sono spaventati). Il comportamento riflette l’attivista del sistema nervoso. Si ipotizza quindi che il sistema nervoso di specie diverse si sia evoluto da progenitori comuni e possa avere meccanismi di funzionamento analoghi (questo è il fondamento logico necessario per mettere in relazione agli esseri umani gli esperimenti fatti sugli animali). Gli adattamenti all’ambiente si riflettono nelle modificazioni della struttura e delle funzioni del cervello di ogni specie.

1839: Schwann enunciò la teoria cellulare: tutti i tessuti sono costituiti da unità microscopiche chiamate cellule. La cellula nervosa (oggi denominata “neurone”) venne riconosciuta quale unità funzionale fondamentale del sistema nervoso.

Le neuroscienze oggi

Per capire come funziona il cervello, i neuroscienziati lo hanno suddiviso in piccole parti (approccio riduzionistico), dato che questo consente un’analisi sperimentale sistematica. La dimensione dell’unità oggetto di studio definisce il livello di analisi.

• Neuroscienza molecolare: studio del cervello a livello elementare: si studiano le diverse molecole del sistema nervoso: messaggeri, sentinelle, conduttori, archivisti.
• Neuroscienza cellulare: studia il modo in cui tutte queste molecole lavorano insieme per conferire al neurone le sue speciali proprietà.
• Neuroscienza dei sistemi: si studia come circuiti neurali differenti analizzano le informazioni sensoriali, come formano la percezione del mondo esterno, come prendono decisioni ed eseguono movimenti.
• Neuroscienza comportamentale: si studia in che modo i sistemi neurali lavorano insieme per produrre comportamenti integrati.
• Neuroscienza cognitiva: si cerca di comprendere i meccanismi neurali responsabili dei livelli più alti dell’attività mentale umana (autocoscienza, immagini mentali, linguaggio). Si studia quindi in che modo l’attività del cervello crea la mente.

Caratteristiche del metodo scientifico

Consiste in 4 fasi essenziali:

1. Osservazione: le osservazioni vengono fatte durante gli esperimenti disegnati per testare una certa ipotesi, oppure provengono da un esame attento del mondo circostante, o dall’introspezione, o da casi clinici.
2. Replicazione: ripetere l’esperimento su soggetti differenti o fare osservazioni simili su pazienti diversi.
3. Interpretazione: dipende dallo stato di conoscenza presente nel momento in cui è stata fatta l’osservazione e dalle nozioni preconcette dello scienziato che l’ha fatta.
4. Verifica: l’osservazione è sufficientemente robusta per poter essere replicata da qualunque scienziato competente che segua in modo accurato la procedura dell’osservatore originario. Il processo di verifica se è affermativo stabilisce nuovi fatti scientifici; se è negativo suggerisce nuove interpretazioni dell’osservazione originale.

Principali disturbi del sistema nervoso

• Morbo di Alzheimer: malattia degenerativa progressiva del cervello caratterizzata da demenza; è sempre fatale. Demenza: stato di confusione caratterizzato dalla perdita della capacità di apprendere nuove informazioni e di rievocare conoscenze precedentemente apprese.
• Morbo di Parkinson: malattia progressiva del cervello che porta a difficoltà nell’iniziare il movimento volontario.
• Sclerosi multipla: malattia progressiva che colpisce la conduzione nervosa, caratterizzata da episodi di debolezza, mancanza di coordinazione e disturbi della produzione del linguaggio parlato.
• Depressione: grave disturbo dell’umore caratterizzato da insonnia, mancanza di appetito e sentimento di scoraggiamento.
• Schizofrenia: grave patologia psicotica caratterizzata da deliri, allucinazioni e disturbi di comportamento.
• Paralisi cerebrale: disturbo motorio dei bambini causato da una lesione dell’encefalo al momento del parto.
• Paralisi: perdita delle sensazioni e del movimento causata da una lesione traumatica del midollo spinale.
• Infarto cerebrale (Ictus): perdita delle funzioni cerebrali dovuta all’interruzione del rifornimento di sangue, che di solito porta a deficit permanenti di senso, di moto o cognitivi.
• Epilessia: disturbi periodici dell’attività elettrica del cervello; può portare ad attacchi, perdita di coscienza e disturbi sensoriali.

Capitolo 2: I neuroni e le cellule Gliali

La teoria del neurone

Uno degli ostacoli allo studio delle struttura delle cellule cerebrali consisteva nella piccola dimensione dei neuroni: da 0,01 a 0,05 mm di diametro. Introduzione del microscopio composto. La svolta finale nella neuroistologia avvenne con l’introduzione di tinture che colorassero selettivamente alcune parti delle cellule del tessuto cerebrale:

• Nissl (fine del 19° secolo) dimostrò che alcune tinte potevano colorare i nuclei di tutte le cellule e dei gruppi di materiale che circondavano tali nuclei (colorante di Nissl). Questo colorante è usato ancora oggi perché:
  • È in grado di distinguere i neuroni dalle cellule gliali;
  • Permette di studiare la disposizione o citoarchitettura dei neuroni in diverse parti del cervello. Lo studio della citoarchitettura ha portato alla comprensione che il cervello è costituito da parecchie regioni specializzate.
• Golgi (1873) scoprì che impregnando del tessuto cerebrale con una soluzione di cromato d’argento una piccola percentuale di neuroni diventava più scura rispetto alla totalità (colorante del Golgi).
• Il colorante del Golgi mostra che i neuroni hanno almeno 2 parti distinguibili: una regione centrale che contiene il nucleo della cellula, detta corpo cellulare o soma o pericario, e numerosi piccoli tubicini che si irradiano dalla regione centrale, detti neuriti. I neuriti si dividono in assoni e dendriti.

Generalmente il corpo cellulare dà origine a un singolo assone; esso ha un diametro unitario per tutta la sua lunghezza e se si dirama i rami si estendono ad angolo retto. Gli assoni possono estendersi lungo grandi distanze all’interno del corpo (un metro e anche più) e trasportano i messaggi in uscita dei neuroni. I dendriti invece raramente si estendono per più di 2 millimetri. Molti si estendono dal soma e generalmente si assottigliano fino a un punto finale. Vengono in contatto con molti assoni da cui ricevono i segnali in arrivo (input).

Cajal = la teoria del neurone = i neuriti dei diversi neuroni non sono connessi in maniera continua e comunicano con connessioni dette sinapsi.

Il neurone prototipico

Il soma del neurone

L’encefalo umano contiene almeno 100 miliardi di neuroni. Il neurone o cellula nervosa è formato da numerose parti: il soma, i dendriti, l’assone. L’interno del neurone è separato dall’esterno dalla membrana neuronale. Il soma o corpo cellulare è il centro metabolico del neurone e ha forma approssimativamente sferica. Il fluido acquoso interno alla cellula viene chiamato citosol ed è una soluzione salina ricca di potassio.

Nel soma ci sono una serie di strutture ricoperte da membrana chiamate organuli: nucleo, reticolo endoplasmatico rugoso, reticolo endoplasmatico liscio, apparato del Golgi e mitocondri.

• Il nucleo è sferico, posizionato al centro del soma e contenuto all’interno di un doppio involucro chiamato membrana nucleare.
• All’interno del nucleo ci sono i cromosomi, che contengono il DNA (materiale genetico). La “lettura” del DNA è chiamata espressione genica e il prodotto finale di tale espressione è la sintesi delle proteine (assemblaggio delle molecole proteiche), la quale si verifica nel citoplasma. L’acido ribonucleico messaggero (mRNA) fa sì che il messaggio genetico venga trasportato dal nucleo al citoplasma. Il processo di assemblaggio di un pezzo di mRNA che contiene l’informazione di un gene viene chiamato trascrizione.
• Le copie di RNA messaggero emergono dal nucleo attraverso i pori della membrana nucleare e viaggiano fino al sito in cui avviene la sintesi proteica; in quel punto viene assemblata una molecola proteica unendo aminoacidi. L’assemblaggio di proteine a partire da aminoacidi, sotto la direzione dell’mRNA, si chiama traduzione.

Il principio fondamentale della biologia molecolare è così riassunto:

• Il reticolo endoplasmatico rugoso consiste in gruppi di membrane cosparsi di dense strutture globulari chiamate ribosomi. La presenza di RE rugosi nei neuroni è molto alta, più che nella glia o nelle altre cellule del corpo. L’ RE rugoso è il sito di gran parte della sintesi proteica nei neuroni. Gli RNA messaggeri trascritti si legano ai ribosomi; i ribosomi prendono gli aminoacidi e creano delle proteine usando il programma genetico fornito dall’mRNA. Non tutti i ribosomi sono attaccati agli RE rugosi; molti galleggiano liberamente e vengono chiamati ribosomi liberi.
• Se una proteina è destinata a rimanere all’interno del citosol del neurone, allora essa viene sintetizzata dai ribosomi liberi; se invece la proteina è destinata a venire inserita all’interno della membrana cellulare o di un organulo, essa viene sintetizzata dall’ RE rugoso.
• Il reticolo endoplasmatico liscio compie diverse funzioni in diversi siti. Alcuni RE lisci stanno insieme agli RE rugosi e si ritiene che questo sia il sito dove le proteine sporgenti della membrana vengono avvolte, acquistando così la struttura tridimensionale. Altri tipi di RE lisci invece regolano le concentrazioni interne di sostanze quali il calcio.
• L’ apparato del Golgi è il gruppo di dischi di membrane che giacciono più lontano dal nucleo. È un sito di ampia elaborazione chimica dopo la traduzione proteica. Una funzione importante è quella di selezionare certe proteine che sono destinate a venir liberate in diverse parti del neurone, quali dendriti e assone.
• I mitocondri: strutture a forma di fagiolo. Sono la sede della respirazione cellulare:
  1. Il mitocondrio inspira acido piruvico (derivato dagli zuccheri e digerito dalle proteine e dai grassi) e ossigeno, che galleggiano nel citosol;
  2. Avvengono una serie di reazioni biochimiche chiamate ciclo di Krebs;
  3. Il prodotto biochimico di questo ciclo è l’ATP (adenosintrifosfato), che risulta dall’aggiunta di fosfato all’ADP (adenosindifosfato). L’ATP è la sorgente di energia della cellula, che serve per carburare gran parte delle reazioni biochimiche neuronali.

La membrana neuronale

La membrana neuronale serve come barriera per contenere il citoplasma all’interno del neurone, e per escludere alcune sostanze che galleggiano nel fluido extracellulare. È spessa circa 5nm ed è ricchissima di proteine. Alcune proteine pompano sostanze dall’interno verso l’esterno. Altre proteine formano dei pori che regolano quali sostanze possono avere accesso al neurone. La composizione proteica della membrana varia a seconda che si tratti del soma, dei dendriti o dell’assone. La membrana dota i neuroni della capacità di trasferire i segnali elettrici attraverso il cervello e il corpo.

Il citoscheletro

Il citoscheletro è l’impalcatura che dà al neurone la sua forma. Le sue “ossa” sono i microtuboli, i microfilamenti e i neurofilamenti. Il citoscheletro non è statico, ma anzi i suoi elementi sono con molta probabilità in continuo movimento. I microtuboli hanno grandi dimensioni e si distribuiscono longitudinalmente in direzione dei neuriti. Sono formati da proteine di tubulina.