INTRODUZIONE ALLE NEUROSCIENZE CENNI STORICI

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1 Prof. Cinzia Giuli

2 INTRODUZIONE ALLE NEUROSCIENZE CENNI STORICI

3 Insieme di strategie teoriche e sperimentali per studio del cervello e del SN Presentano elementi particolari che le differenziano rispetto ad altre scienze Percorso storico importante Studiare l organo che permette di pensare, di studiare

4 Comprende: anatomia, biologia molecolare, biochimica, fisiologia, farmacologia, genetica, patologia del SNC, SNP, SNA Coinvolge vari livelli (molecolare, neuronale, percezione, corteccia cerebrale )

5 CAPIRE L ATTIVITÀ MENTALE MECCANISMI SECONDO CUI ABBIAMO PERCEZIONI, RICORDI, MOVIMENTI OGNI COMPORTAMENTO È ESPRESSIONE DI UNA FUNZIONE CEREBRALE

6 SPIEGANO COME IL CERVELLO GUIDI LE PROPRIE CELLULE NEL CONTROLLO DEL COMPORTAMENTO COME IL CERVELLO VENGA INFLUENZATO DALL AMBIENTE CIRCOSTANTE E DAL COMPORTAMENTO ALTRUI LA MENTE È IL RISULTATO DI UN GRUPPO DI FUNZIONI CEREBRALI

7 Metodi si intrecciano con scienze cognitive e filosofia della mente: CAMPO NEUROSCIENZE COGNITIVE

8 Interrelazione di sistemi cognitivi ed emozionali Regioni e processi cerebrali coinvolti nella percezione di stimoli sociali, nei processi decisionali e in emozioni profonde (paura, dispiacere, senso di colpa) Studio della complessità dell interazione sociale Approccio multidisciplinare nello studio di strutture cerebrali, ragionamento umano nella valutazione delle ipotesi

9 da Francis O. Schmitt (1962): NEUROSCIENCE Microscopista elettronico e neurochimico Scoperte su struttura della mielina

10 Per studiare il SN, bisognava associare vari scienziati: fisiologi, biochimici, matematici, fisici, chimici, microscopisti, neurologi, psichiatri Progetto di ricerca dal titolo Neurosciences Research Program (NRP) per coordinare le ricerche di base sul SN, a livello fisiologico, biochimico, geneticomolecolare, farmacologico, anatomo-istologico e patologico, per una nuova disciplina, «la neuroscienza» Dopo Schmitt, il termine si è diffuso e il concetto allargato Comprese anche chi si interessa di psicologia cognitiva, gli esperti di scienza della comunicazione e di teoria dei sistemi, sociologi e filosofi ( neurofilosofia )

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12 Associata alla teoria che a parti diverse del cervello corrispondono funzioni diverse All'inizio, la domanda era: "Perchè il cervello è speciale e perchè è differente dagli altri organi, come il cuore?. Man mano che le conoscenze sul cervello aumentavano, sorgevano nuove domande Alcune chiedevano se la memoria e le sensazioni dovessero essere localizzate nei ventricoli o nella massa cerebrale

13 Ci si interessa da molto tempo Papiro di Edwin Smith (XVII secolo a.c.), primo testo della storia dove è documentata la parola cervello Scritto in geroglifici egiziani, trattato medico, il termine cervello ricorre sei volte Egiziani operavano sul cervello, trapanavano il cranio in caso di lesioni ed in altre circostanze ed avevano grande conoscenza di questa struttura

14 1 Scuola di pensiero: attribuisce al cervello la localizzazione delle funzioni nervose più elevate: percezione, memoria, mente, conoscenza Alcmeone (medico) nel 450 a.c.

15 fa capo ad Aristotele quando uno pensa, immagina, si emoziona, è il cuore che con le sue palpitazione sembra reagire Non chiara la differenza tra nervi e vasi sanguigni Interpretava la massa di strutture più o meno tubulari che provenivano dal cuore e si irradiavano verso il resto del corpo come vie attraverso cui il cuore controllava, dalla sua posizione centrale, tutte le funzioni dell organismo

16 La psiche è atto o entelechia di un corpo fisico che ha vita in potenza Psiche è principio della vita Psiche: respiro, soffio vitale La psiche rappresenta le facoltà del vivente, non è separata dal corpo, è la sua forma e le sue funzioni, non ha una sede specifica inerisce a tutto l organismo vivente

17 Criticò la visione cardiocentrica (il cuore era organo centrale e sede delle funzioni mentali) Nonostante il cuore e il diaframma siano particolarmente sensibili, essi non hanno nulla a che fare con le operazioni della comprensione. Per tutte queste la causa è il cervello

18 Medico filosofo Osservazione dei cadaveri, conoscenza dell anatomia umana, primi esperimenti di vivisezione Studio dei nervi cranici, parte nervosa dell apparato visivo, funzioni del SNA Distinse le fibre nervose da quelle sensoriali

19 Visione pneumatista del cervello, immaginandolo come centro pulsante d origine (in particolare i ventricoli) Le funzioni mentali superiori non sono localizzate nella massa del cervello ma nei ventricoli cerebrali Dai ventricoli cerebrali proveniva un pneuma (o spirito animale o spiriti animali ), che dalle cavità cerebrali e dagli organi interni sarebbe stato insufflato nei nervi (tubicini cavi) andando poi ai muscoli, che per la sua azione si sarebbero contratti Dimostrava l importanza dei nervi con esperimenti animali e pochissime ricerche anatomiche sull uomo

20 Tripartizione dei ventricoli cerebrali: tre celle del cervello, dove risiedono funzioni attribuite al pneuma Nella CELLA ANTERIORE avrebbero sede funzioni sensoriali e immaginative, nella PARTE CENTRALE la cogitatio (funzioni razionali), nel TERZO VENTRICOLO la virtù della memoria (richiamare i ragionamenti e i ricordi complessi)

21 Arrivava ATTRAVERSO I NERVI nella parte anteriore del cervello Subiva PROCESSO DI PURIFICAZIONE (adatto alle funzioni nervose e mentali) Prendeva via del MIDOLLO SPINALE per arrivare ai muscoli attraverso la via dei nervi

22 Studi di anatomia Inizialmente segue idee galeniche delle tre celle Scopre che i ventricoli sono diversi: non sono tre globi, ma la loro una struttura è molto più complessa

23 Studi di Berengario da Carpi, Gabriele Falloppio, Andrea Vesallio Si scoprì che le conoscenze di anatomia umana attribuite a Galeno derivavano da studi animali La rete mirabilis (struttura vascolare trovata da Galeno alla base del cervello) non era presente nel cervello umano, ma solo animale

24 Vesalio, docente di anatomia, medico Rivoluzione nelle conoscenze dell anatomia umana, il primo a sottoporre ad una critica severa la concezione delle tre celle cerebrali Osservazioni anatomo-patologiche, rapporti tra strutture e funzioni nervose Sviluppa approccio fisiologico alla comprensione della neuroanatomia, supera l idea che le attività mentali siano nei ventricoli Legame tra dimensioni del cervello e capacità psicologiche

25 Marcello Malpighi (1600) fonda l anatomia microscopica, la botanica moderna, l entomologia, inizia lo studio dell anatomia patologica, scopre i capillari sanguigni, gli alveoli polmonari Si comincia a dare più importanza alla massa del cervello rispetto alle cavità Corteccia cerebrale: miriade di ghiandole produttrici di un fluido che poi scorre nei nervi (il fluido nerveo) Concetto di ghiandola e di secrezione (cervello come organo secretore)

26 Si sviluppa la microscopia moderna Cervello associato alla mente e all anima Difficoltà nello sviluppo degli studi a causa della complessità del cervello

27 Nuovo concetto di anima come coscienza, rapporto tra processi fisico-fisiologici e psichici Riflesso: comportamento come risultato di costanti processi di eccitazione e inibizione Se la vita è un meccanismo, l'anima non può più essere considerata vita o fonte di vita, come sostenevano Platone e Aristotele L'anima è privata delle funzioni vitali e ridotta a pensiero, a ragione ad autocoscienza Distingue il corpo (inteso come macchina), la materia che ha un'estensione, dall'anima che pensa, ma è priva di estensione e interagisce con il corpo a livello della ghiandola pineale Mente come sede delle idee (provenienti dai sensi, dalla memoria o dall'immaginazione)

28 l aspetto esterno del cervello comincia a corrispondere a quello moderno Miastenia gravis

29 Si interessa della contrazione muscolare, concetto di irritabilità Un muscolo può contrarsi in risposta ad uno stimolo esterno anche dopo la morte La capacità di contrarsi è una proprietà intrinseca del muscolo, dipende dalla sua struttura e da una sua specifica forza (l irritabilità ), non è secondaria all azione di un pneuma o fluido che arrivi ai muscoli per la via dei nervi L irritabilità è proprietà specifica dei muscoli, mentre ai nervi spetta la sensibilità Esperimenti: applicare alla struttura investigata uno stimolo (meccanico, chimico, elettrico) che se determina una contrazione locale allora è irritabile, se invece provoca reazione di sofferenza o disagio la struttura stimolata è sensibile

30 Arrivò a stimolare la corteccia cerebrale non trovando alcuna particolare reazione né di tipo contrattile né come sofferenza dell animale La conclusione che la corteccia non era né irritabile né sensibile ebbe influenza negativa sullo sviluppo dello studio del cervello il cervello è una struttura essenzialmente secretiva che elabora il fluido nerveo, la sua corteccia è insensibile ed ha una struttura essenzialmente omogenea, senza evidenti differenziazioni topografiche tra una parte e l altra della sua superficie

31 Notò la particolarità morfologica di striscia di corteccia nella regione occipitale del cervello Corteccia visiva primaria (stria di Gennari, futura area striata)

32 Riprende l irritabilità: nascita dell elettrofisiologia moderna Il primo a porre su basi sperimentali moderne l idea che il segnale nervoso fosse di natura elettrica

33 Studio del cervello e SN va avanti Nuova scienza: frenologia Medico Franz Joseph Gall ( )

34 dottrina pseudoscientifica di Gall Prima a postulare la connessione tra facoltà psicologiche e dimensione anatomo-funzionale del cervello Basi per ricerca della localizzazione delle funzioni cerebrali Le singole funzioni psichiche dipenderebbero da particolari zone o "regioni" del cervello In base alla valutazione di particolarità morfologiche del cranio di una persona: linee, depressioni, bozze, si potrebbe giungere alla determinazione delle qualità psichiche dell'individuo e della sua personalità

35 Le qualità morali e intellettuali sono innate, costituzionali La loro natura dipende dalla morfologia del cervello Il cervello è l organo dalla cui azioni scaturisce l espressione delle facoltà morali e psicologiche Il cervello è composto di zone ognuna per svolgimento di una funzione morale o psicologica

36 Studi importanti sulla struttura del midollo spinale Idea che il cervello con le sue circonvoluzioni sia suddivisibile in una moltitudine di sistemi particolari, ognuno sede di una funzione specifica Sviluppo anatomico in rapporto al grado di sviluppo che ciascuna funzione assume nei singoli individui Il maggiore o minore sviluppo anatomico dei vari sistemi cerebrali avrebbe portato ad una modificazione della forma del cranio (comparsa di bozze o protuberanze rilevabili dall esterno) l dea che il carattere e le qualità morali di una persona siano scolpite nella forma della sua testa

37 La maggior parte delle funzioni erano elevate, di tipo intellettuale, emotivo, istintivo o etico Vi erano zone del cranio a cui sarebbero corrisposte le regioni della mente, corrispondenti alle caratteristiche della personalità del soggetto la tendenza alla matematica, il linguaggio, la propensione verso l idealità, la causalità (facoltà di stabilire le relazioni di causa ed effetto) l amore parentale, la speranza, l amicizia, l autostima, la combattività, la distruttività, l amore fisico, la tendenza alla costanza, la tendenza all ordine, alla segretezza La frenologia fu osteggiata per motivi di ordine religioso, era considerata atea e materialista

38 19 zone in comune tra uomo e gli altri animali (dieci comuni a tutti i vertebrati, dall'undicesima alla diciannovesima condivise dall'uomo solo con i vertebrati superiori), e solo alcune facoltà esclusivamente umane Gall collezionava crani di persone che in vita si erano particolarmente distinte Per un certo tempo venne vista con interesse dai datori di lavoro, che giudicavano l'onestà delle persone da assumere per caratteristiche morfologiche Verso la fine del XIX secolo perse la sua credibilità

39 Differenze funzionali fra le grosse divisioni anatomiche del SN (midollo spinale, cervello, cervelletto) XIX secolo: possibilità che la corteccia cerebrale fosse suddivisa in regioni diverse, ognuna responsabile per una diversa funzione Nel 1861 Paul Broca ( ) presentò il primo esempio di localizzazione corticale (tentativo di suddividere il cervello in regioni funzionalmente sempre più piccole)

40 Broca (1861): connessione tra lesioni di aree specifiche del cervello e disturbi afasici, emisfero sinistro deputato al linguaggio Wernicke (1874): modello in cui il linguaggio veniva suddiviso in componenti separate, connesse tra loro, che avevano correlati anatomici distinti. 2 centri del linguaggio: 1) immagini acustiche-verbali (nelle regioni temporali) 2) motorieverbali (aree frontali) Jackson (1876): teorizzò che come l emisfero sinistro è competente per il linguaggio, è probabile che il destro abbia competenze specifiche non linguistiche (es. funzioni visuo-spaziali) Lichtheim (1885): elaborazione di concetti per semantica del linguaggio, spiegò disordini della lettura e della scrittura, centri specifici per immagini visive e innervazione di organi periferici implicati

41 Localizzazione lobo frontale lesioni per funzione linguaggio ( afemia e poi AFASIA) Caso di un paziente ricoverato nel suo ospedale in gravi condizioni per una gangrena alla gamba sinistra, incapace di parlare (il nome era Leborgne, ma era conosciuto come Tan) Quando il paziente morì Broca ne fece l autopsia e appariva una lesione situata nel lobo frontale Lesione ristretta ad una piccola area del lobo, nella terza circonvoluzione frontale dell emisfero di sinistra Altri pazienti con lo stesso disturbo mostravano lesione stessa zona Veniva identificata per la prima volta l area del linguaggio (area di Broca)

42 sede centro di programmazione motoria del linguaggio lesione produce difficoltà di pronunciare parole (afasia di tipo motorio ) Pz con afasia di Broca conserva capacità di riconoscere le parole sentite e lette

43 Altro disturbo del linguaggio, perdita selettiva capacità di capire parole ascoltate Pz non riesce a ripetere le parole che sente, ma può parlare, articolare discorsi anche complessi che non dipendano dalle parole ascoltate Wernicke: afasia sensoriale associata a lesione selettiva nel lobo temporale (esclusivamente a sinistra)

44 3 IMPORTANTI APPROCCI: Localizzazionismo Olismo Connessionismo

45 Principio biologico fondamentale per il quale strutture diverse devono avere funzioni diverse Applicata inizialmente a tutto il cervello e poi alle sue parti, di dimensioni sempre più piccole

46 Posizione filosofica: idea che le proprietà di un sistema non possano essere spiegate esclusivamente tramite le sue componenti Rapporto psiche/corpo La sommatoria funzionale delle parti è sempre maggiore/differente della somma delle prestazioni delle parti prese singolarmente L'organismo biologico va considerato sempre come unità-totalità non esprimibile con l'insieme delle parti che lo costituiscono Precursori: Georg Groddeck (psicoanalista, ), Edward Bach (naturopata, )

47 Correlazione tra funzioni ed aree o circuiti : le diverse regioni cerebrali sarebbero tra loro connesse e la correlazione non va fatta solo con l area lesa, ma con l intero circuito reso mal funzionante dal danno cerebrale focale (DIASCHISI) Anni 60: modelli di flusso (o di analisi) dell informazione che si differenziano dai modelli passati perchè non implicano la corrispondenza tra componente funzionale e localizzazione cerebrale precisa Il loro livello di descrizione concerne l architettura funzionale della mente e non i suoi correlati neurali

48 Nascita di ricerca per localizzare basi neurali delle diverse funzioni mentali Associazione tra disordine comportamentale specifico e lesione di una parte del cervello Inferenza che la base neurale della funzione sia localizzata in quell area cerebrale una lesione cerebrale può produrre disfunzioni in aree distanti da quella che ha subito la distruzione (diaschisi) Tecnologie dinamiche (P.E.T.) dimostrano che una lesione cerebrale può, oltre a causare la distruzione di una regione specifica, determinare una riduzione dell attività neurale di aree distanti da quella lesa, ma ad essa connesse Veniva così messo in crisi il presupposto dei modelli diagrammisti e cioè la possibilità di inferire la struttura dei processi cognitivi da una stretta correlazione anatomo-clinica

49 Spiega il funzionamento della mente si ispira alla struttura del cervello in quanto costituito da reti neurali psicologi americani David Rumelhart e James McClelland Il connessionismo nell'intelligenza artificiale propone un nuovo modello per la costruzione e programmazione informatica ispirati al cervello Le informazioni all'interno di una rete neurale sono distribuite per tutti i vari nodi della rete e non in un "posto" singolo Non si può più puntare ad una parte determinata del sistema e dire che qui si contiene una determinata informazione o si svolge un determinato compito specifico Connessionismo: simulazione su computer dei processi mentali; la metafora del computer viene sostituita da quella del cervello

50 L unità fondamentale di elaborazione è un neurone astratto che riceve e/o invia segnali (numeri) ad altri neuroni 3 tipi di unità fondamentali: unità di ingresso (ricevono segnali da sorgenti esterne al sistema), unità d uscita (inviano segnali fuori dal sistema), unità nascoste (le cui afferenze ed efferenze sono situate all interno del sistema) Ogni unità trasforma l insieme dei segnali ricevuti in un segnale di uscita, che manda ad altre unità ad esse connesse La conoscenza (M.L.T.), è depositata nelle connessioni Le reti artificiali sono un modello astratto e relativamente semplice dei circuiti neuronali reali, formati da dendriti ed assoni