LE BASI NEURALI. Il neurone. Il neurone. Il neurone. Il neurone. Il neurone

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1 Laboratorio di Sistemi Cognitivi LE BASI NEURALI Il cervello è l organo che sta alla base della nostra vita psichica e che produce, come risultato del suo funzionamento, la mente. Come ogni organo del nostro corpo, il cervello è formato da miliardi di cellule. Queste si distinguono in due grandi categorie: le cellule gliali o glia i neuroni. Le cellule gliali, il cui numero è circa dieci volte superiore a quello dei neuroni, erano tradizionalmente considerate come cellule di supporto per l attività dei neuroni. Le cellule gliali sono in grado di fornire nutrimento, riparare i danni, ripulire i rifiuti, servire da tessuto connettivo e protettivo. In questi ultimissimi anni si è scoperto però che il loro ruolo risulta molto più importante di quanto si ritenesse e che esse danno un contributo importante all attività cerebrale. All interno del nostro organismo, l unità fondamentale di elaborazione delle informazioni resta comunque costituita dai neuroni. I neuroni sono cellule specializzate nella comunicazione e nella trasmissione delle informazioni. Essi differiscono dalla maggior parte delle altre cellule in quanto sono eccitabili: un neurone accumula e trasmette attività elettrica agli altri neuroni. Il nostro cervello contiene circa un centinaio di miliardi di neuroni (e dieci volte questo numero di cellule gliali). In ogni istante, una parte sostanziale di questi neuroni è impegnata a raccogliere e a trasmettere segnali elettrici. Tutta la nostra vita mentale dall ascoltare una sinfonia al rispondere al telefono, dal guardare una fotografia al risolvere un problema di matematica dipende da un appropriata comunicazione fra questi neuroni. Da un punto di vista funzionale, un neurone può essere considerato come un rilevatore (analogo ai rivelatori di fumo che si trovano nelle stanze d albergo o ai rilevatori di gas posizionati vicino alle caldaie per il riscaldamento) Possiamo pensare al neurone come a un entità deputata a rilevare l esistenza di un certo insieme di condizioni e a rispondere con un segnale che informa del grado in cui tali condizioni si sono verificate. 1

2 Ad esempio, vi sono nel cervello neuroni che rilevano la presenza di pattern visivi molto semplici come, ad esempio, barre luminose poste in una certa posizione e con un certo orientamento Vi sono neuroni che rilevano se e quando sia il caso di eseguire una certa risposta motoria Come rilevatore, il neurone raccoglie in input le informazioni che gli provengono da fonti diverse, le integra e le sintetizza in un segnale che riflette quanto queste informazioni corrispondono all entità o al fenomeno che il neurone è supposto rilevare, e quindi invia in output tale segnale In termini più astratti, anche il prestare attenzione a un certo stimolo o il recuperare dalla memoria il nome di un amico possono venire considerate come prestazioni attivate da neuroni che rilevano le condizioni adatte per il loro manifestarsi. Come rilevatore, il neurone raccoglie in input le informazioni che gli provengono da fonti diverse, le integra e le sintetizza in un segnale che riflette quanto queste informazioni corrispondono all entità o al fenomeno che il neurone è supposto rilevare, e quindi invia in output tale segnale È questo in sintesi il cosiddetto modello integrate-and-fire del funzionamento neuronale. In relazione alla funzione che svolgono i neuroni possono distinguersi in: neuroni sensoriali (input: organo di senso, output: altri neuroni) neuroni motori (input: altri neuroni, output: muscoli, ghiandole) interneuroni (input: altri neuroni, output: altri neuroni). Oltre che per la loro funzione, i neuroni differiscono fra loro per forma e dimensioni, in relazione alla loro localizzazione e, per l appunto, alla loro funzione Da un punto di vista strutturale, il neurone prototipo consta di quattro parti fondamentali: il corpo cellulare (o soma) i dendriti l assone i bottoni terminali. 2

3 Il corpo cellulare (soma) di un neurone ha dimensione variante dai 5 ai 100 millesimi di millimetro (10-6 m) Il corpo cellulare (soma) di un neurone ha dimensione variante dai 5 ai 100 millesimi di millimetro (10-6 m) Come avviene per la maggior parte delle cellule del nostro organismo, il soma di un neurone contiene i meccanismi metabolici necessari per il mantenimento della cellula. Il corpo cellulare (soma) di un neurone ha dimensione variante dai 5 ai 100 millesimi di millimetro (10-6 m) Come avviene per la maggior parte delle cellule del nostro organismo, il soma di un neurone contiene i meccanismi metabolici necessari per il mantenimento della cellula Nel soma troviamo quindi il nucleo, il reticolo endoplasmatico, i ribosomi, i mitocondri, l apparato di Golgi ecc. ecc. Il corpo cellulare (soma) di un neurone ha dimensione variante dai 5 ai 100 millesimi di millimetro (10-6 m) Come avviene per la maggior parte delle cellule del nostro organismo, il soma di un neurone contiene i meccanismi metabolici necessari per il mantenimento della cellula Nel soma troviamo quindi il nucleo, il reticolo endoplasmatico, i ribosomi, i mitocondri, l apparato di Golgi ecc. ecc Queste strutture sono circondate dalla membrana cellulare e sono sospese nel citoplasma, il fluido che è presente in ogni cellula. 3

4 Dal soma si dipartono i dendriti, un insieme di ramificazioni simili a quelle di un albero e l assone, una specie di tubicino la cui lunghezza può variare da pochi millimetri a oltre un metro. Dal soma si dipartono i dendriti, un insieme di ramificazioni simili a quelle di un albero e l assone, una specie di tubo la cui lunghezza può variare da pochi millimetri a oltre un metro Verso la sua fine, l assone si ramifica in un certo numero di fibre terminali ciascuna delle quali termina con un bottone che va praticamente a toccare i dendriti (o talvolta il soma) di un altro neurone, dando luogo a quella che viene detta sinapsi. La distanza che separa il bottone di un neurone e il dendrite di un altro neurone (fessura sinaptica) è molto piccola, nell ordine dei milionesimi di millimetro (10-9 m). 4

5 Controversie fra premi Nobel: Santiago Ramon y Cajal Descritta la struttura fondamentale di un neurone, esaminiamone adesso il funzionamento. Camillo Golgi Come abbiamo detto, i neuroni sono cellule specializzate nella trasmissione delle informazioni Le informazioni sono rappresentate attraverso impulsi elettrici Come tutte le soluzioni saline, anche il fluido interno al neurone (citoplasma) è formato da ioni, atomi che, invece di avere un ugual numero di protoni ed elettroni (e risultare quindi elettricamente neutri), hanno qualche elettrone in più (negativi) o in meno (positivi) del dovuto. A differenza della comune corrente elettrica, che dipende dal passaggio degli elettroni attraverso un corpo conduttore, gli impulsi elettrici dei neuroni sono determinati dal movimento di interi atomi. A riposo, l interno di un neurone presenta un maggior numero di cariche negative rispetto alla parte esterna, il che porta a una differenza di voltaggio fra l esterno e l interno della membrana cellulare. Se piazziamo un microelettrodo nel fluido interno del neurone e un microelettrodo nel fluido esterno, troviamo una differenza di potenziale di circa -70 mv Da cosa dipende questa differenza di potenziale fra l interno e l esterno di un neurone a riposo? L esistenza della polarizzazione dipende dalle proprietà della membrana di cui è costituito il neurone e dai fenomeni cui queste proprietà danno vita. Questa differenza di potenziale fra l interno e l esterno del neurone viene detta polarizzazione. 5

6 La membrana neuronale è costituito da un doppio strato di molecole lipidiche che separa lo spazio intracellulare (il dentro del neurone) dalla spazio extracellulare (il fuori del neurone) Essendo composta da lipidi, la membrana non si dissolve nell ambiente acquoso che forma sia l interno sia l esterno del neurone La membrana forma una barriera che delimita e protegge l interno della cellula. La barriera formata dalla membrana non è però completamente impenetrabile. In essa si trovano infatti i canali degli ioni, dei pori attraverso i quali gli ioni possono passare da una parte all altra della membrana. Tali canali conferiscono alla membrana una determinata permeabilità. Esitono diversi tipi di canali degli ioni. Anzitutto facciamo notare come tali canali determinino una permeabilità selettiva, vale a dire ogni canale permette il passaggio di un particolare tipo di ione. In secondo luogo, è possibile fare una distinzione fra canali passivi e canali attivi. I canali passivi funzionano senza consumo di energia, sono sempre aperti e permettono quindi il passaggio selettivo di un determinato tipo di ioni. I canali attivi per funzionare richiedono degli stimoli che, come vedremo, possono essere di natura fisica (= elettrica) o chimica. I canali passivi sono localizzati in tutta la membrana cellulare: nel soma, nei dendriti e nell assone. La maggior parte dei canali attivi basati su stimoli chimici si trova localizzata nei dendriti e nel soma. La maggior parte dei canali attivi basati su stimoli elettrici si trova localizzata nell assone. La polarizzazione del neurone a riposo dipende dall azione di diversi fattori che interagiscono fra loro. Un ruolo chiave, in questo processo, viene svolto dai canali (passivi) del sodio (Na + ) e del potassio (K + ) che permettono il passaggio selettivo di questi due tipi di ioni. Un ruolo di minore importanza viene svolto dai canali passivi degli ioni cloro (Cl - ). 6

7 Cosa spinge gli ioni ad andare da una parte all altra? Gli ioni disciolti in un fluido tendono a muoversi in continuazione con un movimento casuale Tutti gli ioni si spostano, come abbiamo detto, a caso. Ma se in una zona ci sono più ioni di un certo tipo rispetto a un altra, è statisticamente più probabile che ci siano più ioni che vanno dalla prima verso la seconda di quanti ce ne siano che vanno dalla seconda verso la prima. In questo loro vagabondare a caso, può capitare che uno ione di un certo tipo varchi un canale (passivo) selettivamente permeabile a quel tipo e quindi passi da una parte all altra della membrana. Come conseguenza, dopo un determinato periodo di tempo, gli ioni Tenderanno a distribuirsi ugualmente fra le due zone (una specie di effetto caffè macchiato ). Questo fenomeno può essere concettualizzato come se esistesse una forza (gradiente di concentrazione) che spinge gli ioni da una zona ad alta concentrazione ad una a bassa concentrazione determinando, a lungo andare, un omogenea distribuzione degli stessi. C è un secondo fattore, oltre al gradiente di concentrazione, che favorisce l omogenea distribuzione degli ioni. Questo fattore è costituito dalla cosiddetta pressione elettrostatica e che si basa sul noto principio che cariche dello stesso segno tendono a respingersi (mentre cariche di segno opposto tendono ad attrarsi). In base a tale principio, ogni accumulo di cariche dello stesso segno in una certa zona tende ad essere disperso dalla repulsione che esiste fra di esse. Ora, è un dato di fatto che nel neurone a riposo: - la concentrazione di ioni K + maggiore all interno rispetto all esterno del neurone, mentre Questa ineguale distribuzione dei diversi tipi di ioni dipende dall esistenza di due altri proprietà della membrana neuronale che contrastano l azione del gradiente di concentrazione e della pressione elettrostatica. - la concentrazione di ioni Na + è maggiore all esterno rispetto all interno - e anche gli ioni Cl - sono concentrati maggiormente all esterno. 7

8 La prima è costituita dal fatto che nella membrana i canali passivi per il potassio (e per il cloro) sono molto più numerosi di quelli del sodio Di conseguenza gli ioni K + (e Cl -) possono muoversi più liberamente da una parte all altra della membrana di quanto avvenga per gli ioni Na + Dal momento che ogni ione K +, attraversando la membrana, porta al di fuori del neurone una carica elettrica positiva e ogni ione Cl - porta dentro una carica elettrica negativa, si dovrebbe, per l appunto, ottenere che l ambiente esterno al neurone diventa più positivo dell ambiente interno (o, se si vuole, l interno diventa più negativo rispetto all esterno). Come conseguenza, ci saranno più ioni K + che escono dal neurone di quanti ioni Na + ne riescano a entrare. Occorre far notare come le due forze (quella determinata dal gradiente di concentrazione e quella determinata dalla pressione elettrostatica) siano in opposizione fra loro per quanto riguarda gli ioni K + (e anche per gli ioni Cl-). Gli ioni potassio tendono infatti ad essere spinti infatti fuori dal neurone dal gradiente di concentrazione ma ad essere respinti dall esterno, e quindi mantenuti dentro il neurone, dalla pressione elettrostatica. Ogni ione K + che esce aumenta infatti la carica positiva dell esterno e rende pertanto più difficile per gli altri ioni potassio positivi lasciare il neurone (cariche elettriche uguali, infatti, si respingono). Prima o dopo si raggiunge un punto in cui la forza del gradiente di concentrazione che spingerebbe gli ioni K + fuori dal neurone viene compensata dalla forza del gradiente elettrico (pressione elettrostatica) che tende a trattenere gli ioni K + dentro il neurone Quando si raggiunge questo punto si dice che le due forze sono in equilibrio elettrochimico La differenza di potenziale vista in precedenza (circa -70mV) fra l esterno e l interno della membrana, potrebbe essere una conseguenza di questo equilibrio elettrochimico? In una serie di celeberrimi esperimenti condotti negli anni 50 del secolo scorso e che valsero loro il premio Nobel, Alan Hodgkin e Andrew Huxley calcolarono la pressione elettrostatica necessaria per contrastare nei diversi ioni l azione del gradiente di concentrazione che spingerebbe a un omogenea distribuzione degli ioni stessi. Nel caso degli ioni Cl -, Hodgkin e Huxley trovarono che il gradiente di concentrazione che spinge tali ioni dentro il neurone (70 mv) viene esattamente controbilanciato dalla pressione elettrostatica (-70 mv) che li tiene fuori. In questo caso la polarizzazione del neurone coincide esattamente con l equilibrio elettrochimico. La situazione è comunque ben diversa nel caso degli ioni K + e Na +. 8

9 Nel caso di K +, Hodgkin e Huxley calcolarono che la forza necessaria per impedire l uscita degli ioni dal neurone era di 90 mv, 20 in più della differenza di potenziale che si trova nel neurone a riposo. Nel caso di K +, Hodgkin e Huxley calcolarono che la forza necessaria per impedire l uscita degli ioni dal neurone era di 90 mv, 20 in più della differenza di potenziale che si trova nel neurone a riposo. Nel caso degli ioni Na + la differenza è ancora più drammatica in quanto, sia il gradiente di concentrazione sia la pressione elettrostatica agiscono nel senso di spingere gli ioni all interno del neurone, per cui le loro forze (50 mv di gradiente di concentrazione e 70 mv di pressione elettrostatica) si sommano a fornire una spinta di 120 mv. Questi dati, confermati da numerosi esperimenti successivi, mostrano che gli ioni K + sono spinti fuori dal neurone a riposo da una pressione di 20mV e che, nonostante la resistenza posta dalla membrana al passaggio degli Ioni Na + questi sono spinti all interno del neurone da una forza di 120 mv. Qualunque cosa questo significhi, non è certo il caso di parlare di equilibrio elettrochimico! Hodgkin e Huxley scoprirono che ci sono dei meccanismi attivi nella membrana cellulare che contrastano/controbilanciano l ingresso degli ioni sodio e l uscita degli ioni potassio dal neurone. A differenza di quello che avviene nei canali degli ioni, questo processo è basato sul consumo di energia che viene fornita alla cellula dai mitocondri che si trovano nel nucleo. Venne scoperto in seguito che questo fattore di riequililbrio è determinato dall esistenza, nella membrana cellulare, delle cosiddette pompe sodio-potassio. Oltre ai canali degli ioni, la membrana cellulare contiene delle proteine che funzionano come pompe in grado di scambiare gli ioni sodio (Na + ) che si trovano all interno del neurone con gli ioni potassio (K + ) che si trovano all esterno Il gradiente di concentrazione e la pressione elettrostatica, da un lato, e la permeabilità selettiva della membrana unita all esistenza delle pompe sodio-potassio, dall altro, contribuiscono a creare la differenza di potenziale (polarizzazione) che si riscontra nella membrana a riposo. Per ogni due ioni K + che vengono fatti entrare nel neurone, vengono espulsi tre ioni Na + Come conseguenza, si ha che all interno del neurone il potassio risulta circa 10 volte più abbondante rispetto all esterno. Viceversa, all esterno è il sodio ad essere 10 volte più abbondante. 9

10 A riposo, dunque, un neurone risulta polarizzato, presenta cioè una differenza di potenziale fra l interno e l esterno. Un neurone polarizzato è una piccola batteria, ha cioè la capace di generare una corrente elettrica. In effetti, quando sono attivati, i neuroni trasmettono impulsi elettrici L assone rappresenta la via obbligata attraverso la quale i neuroni comunicano l uno con l altro In particolare, quando un neurone è eccitato, dai bottoni terminali dell assone vengono rilasciate nelle sinapsi delle particolari sostanze chimiche dette neurotrasmettitori. Un (inter)neurone riceve i segnali provenienti dagli altri neuroni nei suoi dendriti e li ritrasmette, attraverso il suo assone, agli altri neuroni con i quali è in contatto sinaptico. Sono noti all incirca un centinaio di neurotrasmettitori Queste sostanze hanno nomi piuttosto complessi, tipo: serotonina dopamina acetilcolina epinefrina (adrenalina) norepinefrina colecistochinina (CCK), ecc. ecc. Una volta rilasciati, i neurotrasmettitori attraversano lo spazio intersinaptico che si trova fra la membrana dell assone e quella dei dendriti del neurone cui l assone è collegato, finendo col legarsi a particolari recettori che sono contenuti nella membrana dendritica È importante far rilevare come ogni neurone rilasci un solo tipo di neurotrasmettitore. I neurotrasmettitori reagiscono chimicamente con i recettori della membrana e tali reazioni possono provocare l apertura dei canali attivi degli ioni causando l ingresso nella cellula di ioni provenienti dall esterno Questo ingresso provoca, a sua volta, un cambiamento nel voltaggio della membrana nelle zone in cui avviene il flusso degli ioni. 10

11 A seconda della natura del neurotrasmettitore, la differenza di potenziale può aumentare o diminuire Le connessioni sinaptiche che diminuiscono la differenza di potenziale sono dette eccitatorie (non è un errore, vedremo fra poco il perché) mentre le connessioni che aumentano tale differenza sono dette inibitorie. Ogni dendrite presenta all incirca un migliaio di sinapsi con altri assoni e ogni assone ha collegamenti con un migliaio di altri neuroni I cambiamenti che si verificano in ciascuna di queste sinapsi sono molto piccoli ma i singoli effetti eccitatori e inibitori si sommano La caduta del voltaggio provoca l apertura dei canali (attivi) del sodio e l ingresso di ioni Na + all interno della cellula con il risultato che una piccola zona della membrana diventa carica in senso positivo. Qualora ci sia un sufficiente effetto eccitatorio, quando esso cioè supera un determinato valore di soglia, la differenza di potenziale cala rapidamente producendo una depolarizzazione della membrana dell assone nel punto in cui questo si stacca dal soma (cono d integrazione). 11

12 A questo punto, la caduta del voltaggio provoca l apertura dei canali del sodio e l ingresso di ioni Na + all interno della cellula con il risultato che una piccola zona della membrana diventa carica in senso positivo Questa inversione locale di voltaggio provoca allora la chiusura dei canali (attivi) del sodio e l apertura di quelli (attivi) del potassio. La fuoriuscita degli ioni K + riporta rapidamente il voltaggio di quella zona all originale valore negativo. A questo punto, la caduta del voltaggio provoca l apertura dei canali del sodio e l ingresso di ioni Na + all interno della cellula con il risultato che una piccola zona della membrana diventa carica in senso positivo Questa inversione locale di voltaggio provoca allora la chiusura dei canali (attivi) del sodio e l apertura di quelli (attivi) del potassio. La fuoriuscita degli ioni K + riporta rapidamente il voltaggio di quella zona all originale valore negativo Questa nuova inversione, a sua volta, provoca un altra apertura dei canali del sodio nella direzione di propagazione dell impulso, con conseguente ripetizione di tutta la sequenza di depolarizzazione. 12

13 Il risultato complessivo è che l onda di modificazione del voltaggio, da valori negativi a positivi e poi nuovamente negativi, scorre lungo la membrana fino a raggiungere le fibre terminali dell assone La rapida inversione di voltaggio che si propaga lungo la membrana cellulare è detta potenziale d azione e può essere rappresentata come un picco (spike) simile a quelli rilevati dagli oscilloscopi. La velocità alla quale viaggia il potenziale d azione varia da 0.5 a 130 m/s, in relazione alle caratteristiche dell assone Un parametro critico nel determinare tale velocità è rappresentato dal grado in cui l assone è coperto e isolato dalla guaina mielinica (maggiore la mielinizzazione, tanto più veloce la trasmissione del potenziale d azione) In sintesi: i cambiamenti nel potenziale a riposo della membrana si accumulano, principalmente attraverso i dendriti, nel soma dove Quando l impulso raggiunge le fibre terminali dell assone, esso provoca il rilascio dei neurotrasmettitori completando così il ciclo. In sintesi: i cambiamenti nel potenziale a riposo della membrana si accumulano, principalmente attraverso i dendriti, nel soma dove raggiungono eventualmente un valore soglia e In sintesi: i cambiamenti nel potenziale a riposo della membrana si accumulano, principalmente attraverso i dendriti, nel soma dove raggiungono eventualmente un valore soglia e provocano la propagazione lungo l assone del potenziale d azione il quale, a sua volta 13

14 In sintesi: i cambiamenti nel potenziale a riposo della membrana si accumulano, principalmente attraverso i dendriti, nel soma dove raggiungono eventualmente un valore soglia e provocano la propagazione lungo l assone del potenziale d azione il quale, a sua volta determina il rilascio dei neurotrasmettitori dalle fibre terminali dell assone a un nuovo neurone il che In sintesi: i cambiamenti nel potenziale a riposo della membrana si accumulano, principalmente attraverso i dendriti, nel soma dove raggiungono eventualmente un valore soglia e provocano la propagazione lungo l assone del potenziale d azione il quale, a sua volta determina il rilascio dei neurotrasmettitori dalle fibre terminali dell assone a un nuovo neurone il che contribuisce al cambiamento nel potenziale a riposo della membrana di quest ultimo, riavviando il ciclo. Questo è (quasi) tutto quanto avviene all interno del cervello E tutto ciò di cui gli esseri umani sono capaci deriva da questo meccanismo relativamente semplice Compito della ricerca condotta nelle neuroscienze e in psicologia è cercare di capire come tutto questo possa avvenire. Come primo passo in questa direzione, possiamo chiederci come sia possibile rappresentare all interno del cervello la vasta quantità di informazioni e di conoscenze che costituiscono il patrimonio di ogni individuo, e come sia possibile operare ed elaborare tali informazioni. Possiamo inoltre chiederci quali siano le caratteristiche fondamentali del modo in cui tali informazioni vengono elaborate. Le somiglianze e le differenze tra cervello e calcolatore possono, ancora una volta, aiutarci a chiarire le idee. 14

15 In un calcolatore, l elaborazione e l immagazzinamento delle informazioni sono localizzate in due moduli distinti: l unità di elaborazione centrale (CPU) la memoria (principale). In un calcolatore, tutte le informazioni sono rappresentate in forma binaria (e dunque discreta): on-off, 0 e 1. In un calcolatore, tutte le informazioni sono rappresentate in forma binaria (e dunque discreta): on-off, 0 e 1 Le informazioni, all interno di un calcolatore, hanno una localizzazione precisa (indirizzi di memoria, ma anche registri CPU, e supporti di memoria secondaria). In un calcolatore, tutte le informazioni sono rappresentate in forma binaria (e dunque discreta): on-off, 0 e 1 Le informazioni, all interno di un calcolatore, hanno una localizzazione precisa (indirizzi di memoria, ma anche registri CPU, e supporti di memoria secondaria) In ciascuna localizzazione è possibile memorizzare informazioni di tipo diverso (dati o istruzioni). In un calcolatore, tutte le informazioni sono rappresentate in forma binaria (e dunque discreta): on-off, 0 e 1 Le informazioni, all interno di un calcolatore, hanno una localizzazione precisa (indirizzi di memoria, ma anche registri CPU, e supporti di memoria secondaria) In ciascuna localizzazione è possibile memorizzare informazioni di tipo diverso (dati o istruzioni) Il calcolatore elabora le informazioni in forma seriale. 15

16 Esiste una componente binaria anche nel funzionamento dei neuroni. Per i neuroni vale il principio del tutto-o-nulla: un neurone o trasmette o non trasmette un potenziale d azione; non può trasmetterlo a metà. Inoltre, i segnali che vengono trasmessi sono tutti uguali, non esistono segnali più o meno forti. Nel cervello ciò che ha rilevanza è il numero di impulsi (potenziali d azione) trasmessi in un secondo dall assone. In alcuni casi un neurone può trasmettere fino a un centinaio di impulsi al secondo. Maggiore la frequenza degli impulsi, maggiore l effetto che l assone ha sui neuroni con i quali è collegato per via sinaptica. Un neurone non comunica agli altri neuroni postsinaptici solo che esso è stato attivato (in conseguenza dell input ricevuto dai neuroni presinaptici con i quali esso risulta collegato) ma anche il livello di questa attivazione, determinato dalla frequenza di trasmissione degli impulsi costituenti il potenziale d azione. I valori di attivazione graduale risultano critici per rappresentare dimensioni continue attraverso rappresentazioni a codifica grossolana (coarse coding). Un esempio di quanto si riesce a fare con una codifica grossolana lo si ha nella percezione del colore. Questi impulsi sono per loro natura discreti, ma variano in maniera graduale. Nella retina esistono tre diversi tipi di ricettori neurali sensibili al colore (coni): uno è massimamente sensibile alla luce blu, un altro alla luce verde e il terzo alla luce rossa. L esperienza del colore dipende da quanto uno stimolo attiva il corrispondente tipo di recettore: la diversa attivazione dei recettori permette di modulare i colori nella gamma percepibile dagli esseri umani. Mentre in un calcolatore le informazioni sono localizzate in precisi indirizzi di memoria, nel cervello esse sono diffuse e distribuite: non esiste un punto specifico in cui sia memorizzato il nome della capitale del Portogallo o il giorno in cui si festeggia il proprio compleanno. In altri termini, conoscenze e ricordi non sono memorizzati in singoli neuroni o in singole aree cerebrali ma derivano da pattern di attività distribuita in diverse zone del cervello. 16

17 Questa distributività dell elaborazione dipendente dal fatto che ogni neurone riceve l input e invia l output a molte migliaia di altri neuroni ha una serie di importanti conseguenze. La più importante è costituita dal fatto che, a differenza del calcolatore che si blocca completamente se qualche componente non funziona a dovere, le prestazioni cognitive degradano in genere in maniera progressiva (graceful), senza eventi catastrofici, nel caso di danno cerebrale. Come abbiamo detto, la velocità di elaborazione del cervello si calcola nell ordine delle decine di millisecondi e risulta dunque di gran lunga inferiore a quella di un calcolatore che, in un secondo, è capace di eseguire milioni di operazioni. A differenza del calcolatore, che è una macchina essenzialmente seriale, il cervello opera in maniera diffusamente parallela: ogni neurone può essere infatti considerato come un piccolo processore e in ogni istante milioni di neuroni sono impegnati in parallelo a elaborare informazioni. Un esempio eclatante di parallelismo lo abbiamo, ancora una volta, nell elaborazione visiva. Mentre una parte del cervello elabora l informazione per cercare di identificare cosa si sta vedendo, una parte completamente diversa opera per identificare dove si trovano le cose che si stanno vedendo. Mentre noi non siamo consapevoli di questo fatto, individui che hanno delle lesioni in una delle aree sono in grado di eseguire una sola di queste operazioni ma non l altra. A differenza delle celle di memoria di un calcolatore, che possono contenere qualsiasi tipo di informazione, i neuroni in conseguenza del modo in cui essi sono connessi con gli altri neuroni sono rilevatori specializzati. È questa specializzazione che permette a un neurone di svolgere in maniera integrata sia le funzioni di elaborazione sia quelle di memoria. La memoria di un neurone coincide con le condizioni che esso rileva, l elaborazione è il modo in cui esso procede nel valutare queste condizioni e nel comunicare i risultati agli altri neuroni. Infine, mentre in un calcolatore il flusso delle informazioni è in ogni istante unidirezionale, il cervello funziona in maniera interattiva. Nel cervello non solo esiste un elevato parallelismo ma abbiamo anche connettività bidirezionale. Combinata con il parallelismo e la gradualità dell informazione, l interattività permette di spiegare una serie di fenomeni apparentemente paradossali. PIERO 17

18 In sintesi, nel cervello le informazioni sono elaborate in forma: discreta graduale distribuita parallela specifica integrata interattiva. Il cervello Dopo aver introdotto alcune nozioni fondamentali sul modo ìn cui le informazioni vengono elaborate, concentriamo adesso la nostra attenzione sul protagonista principale di questa attività di elaborazione, quello che potremmo definire l organo della mente: il nostro cervello. Prima di addentrarci nello studio della struttura, delle funzioni e del modo di operare del cervello potrebbero non essere inutili alcuni cenni su come si sono venute sviluppando le nostre conoscenze su tale organo. Un fatto molto strano la chirurgia del cervello ha origini antichissime: i primi segni di operazioni al cervello risalgono a 7000 anni prima di Cristo si tratta di segni di operazioni riuscite, nel senso che il paziente era (talvolta) sopravvissuto diffuse in tutto il mondo: dalla Francia al Perù, dall Africa al Pacifico usate per motivi magici e/o trattamento di malattie (mal di testa, epilessia, malattie mentali) Il legame fra mente e cervello non è apparso immediatamente evidente: per gli Egiziani, la sede dell anima era il cuore (nel processo di imbalsamazione il cervello veniva risucchiato attraverso il naso e gettato via) stessa idea condivisa dagli Indiani e dai Cinesi si deve comunque agli Egiziani la prima descrizione scritta del sistema nervoso; in un papiro risalente a 3000 anni fa il cervello è menzionato diverse volte. 18

19 Altri fattoidi: il papiro, rinvenuto nel 1862 a Luxor, contiene la descrizione di 48 interventi chirurgici; 27 riguardano interventi alla testa il caso 6 tratta di una ferita con frattura del cranio e esposizione delle meningi;il papiro descrive le convoluzioni del cervello come simili alle corrugazioni formate dal rame quando è fuso il 22 descrive una frattura dell osso temporale che ha come effetto l incapacità di parlare; il famoso lavoro di Broca sull afasia risale al 1861 (!) Il primo neurologo. Ippocrate (circa ac): Gli uomini dovrebbero sapere che è dal cervello e solo dal cervello che derivano i nostri piaceri, le gioie, il riso e le lacrime. In particolare, attraverso di esso noi pensiamo, vediamo, sentiamo e distinguiamo il brutto dal bello, il male dal bene, il piacevole dallo spiacevole Ippocrate (circa ac): Il male sacro, l epilessia, ha una causa naturale, come tutte le altre malattie (diventa: il male detto sacro) Il male detto sacro è curabile Il male ha una spiegazione razionale: la malattia dipende da un alterazione del cervello. Galeno ( dc): Aristotele ( ac): la sede della mente è nel cuore (!!) medico sportivo della Gladiatori Lazio (!!??) rivendica il ruolo mentale del cervello la mente risiede in sacche ripiene di fluido che si trovano nel centro del cervello e controlla il corpo attraverso energie eteree. 19

20 Il dualista! Cartesio ( ): mente e corpo interagiscono nella ghiandola pineale. Un idea potente: la mente potrebbe non essere un entità unica ma essere composta da diverse componenti, localizzate in punti diversi del cervello. Una distorsione di questa idea Gall ( ) e la frenologia: regioni differenti del cervello presentano proprietà diverse (OK) il cervello è connesso al midollo spinale e pertanto può controllare il movimento (OK) le caratteristiche mentali trovano espressione nell anatomia esterna del cranio (NO) differenti regioni del cervello stanno alla base di facoltà distinte (es. la distruttività o la venerazione (NO). Il problema fondamentale della frenologia non era rappresentato tanto dall erroneità degli assunti di fondo, quanto dalla riluttanza a sottoporli a indagine scientifica. A lungo andare le frenologia si trasformò in un fenomeno da baraccone e diede vita a una profonda reazione. Jean Pierre Flourens ( ) guida il contrattacco con la teoria dell equipotenzialità tutte le parti del cervello (meglio: della corteccia) contribuiscono allo stesso modo alle abilità mentali: Tutte le sensazioni, tutte le percezioni e tutte le volizioni occupano la stessa sede in questi organi [cerebrali]. Le facoltà della sensazione, della percezione e della volizione sono essenzialmente un unica facoltà. 20

21 Jean Pierre Flourens ( ) guida il contrattacco con la teoria dell equipotenzialità tutte le parti del cervello (meglio: della corteccia) contribuiscono allo stesso modo alle abilità mentali: Tutte le sensazioni, tutte le percezioni e tutte le volizioni occupano la stessa sede in questi organi [cerebrali]. Le facoltà della sensazione, della percezione e della volizione sono essenzialmente un unica facoltà. Un momento importante nella storia della nostra conoscenza del cervello: il caso Phineas Gage Oggi sappiamo che non è vero!!! Un altro caso importante: Broca e il sig. Tan Un terzo caso importante: Lashley e la ricerca dell engramma 21

22 La conclusione (almeno per ora) l idea di base della frenologia, quella della localizzazione funzionale è sostanzialmente corretta La conclusione (almeno per ora) l idea di base della frenologia, quella della localizzazione funzionale è sostanzialmente corretta il cervello, lungi dall essere una struttura uniforme, è invece una collezione di aree altamente specializzate La conclusione (almeno per ora) l idea di base della frenologia, quella della localizzazione funzionale è sostanzialmente corretta il cervello, lungi dall essere una struttura uniforme, è invece una collezione di aree altamente specializzate le aree del cervello, invece di definire regioni corrispondenti a complessi tratti di personalità, sono dedicate all esecuzione di componenti elementari della percezione, del comportamento, della cognizione La conclusione (almeno per ora) l idea di base della frenologia, quella della localizzazione funzionale è sostanzialmente corretta il cervello, lungi dall essere una struttura uniforme, è invece una collezione di aree altamente specializzate le aree del cervello, invece di definire regioni corrispondenti a complessi tratti di personalità, sono dedicate all esecuzione di componenti elementari della percezione, del comportamento, della cognizione la nostra attuale concezione del cervello è quella di un entità composta da sistemi multipli, distribuiti, non equipotenziali. Chiariti questi punti fondamentali, concentriamo adesso la nostra attenzione sulle principali strutture del nostro cervello e sulle loro funzioni. Il cervello rappresenta la componente principale del sistema nervoso centrale che comprende anche il cervelletto e il midollo spinale. Oltre al sistema nervoso centrale, esiste anche un sistema nervoso periferico. 22

23 Sistema nervoso Centrale Cervello (e cervelletto) Midollo Spinale Il sistema nervoso centrale può venir considerato come il centro di comando e controllo del sistema nervoso. Il sistema nervoso periferico può venir considerato come un corriere che trasporta le informazioni sensoriali al sistema centrale e che trasmette i comandi motori provenienti da questo. Periferico Il sistema nervoso periferico è tradizionalmente suddiviso in sistema somatico e sistema nervoso autonomo. Sistema nervoso Centrale Cervello (e cervelletto) Midollo Spinale Periferico Somatico Autonomo Brevemente, il sistema nervoso (periferico) somatico è deputato alla trasmissione di segnali sensoriali, provenienti da ricettori specializzati che si trovano nella pelle, nei muscoli e nelle articolazioni, al sistema nervoso centrale segnali motori provenienti dal sistema nervoso centrale alla pelle, muscoli e articolazioni per iniziare, modulare o inibire dei comportamenti motori volontari. Il sistema nervoso (periferico) autonomo ha il compito di regolare l ambiente interno dell organismo controllando il funzionamento degli organi e stimolando l azione delle ghiandole. Esso comprende due componenti: il sistema simpatico, con funzione eccitatoria, prepara il corpo all azione il sistema parasimpatico riporta il corpo a una condizione di riposo, dopo l eccitazione provocata dal simpatico. 23

24 Simpatico: dilata la pupilla rilassa i bronchi accellera il battito cardiaco inibisce l attività di stomaco e intestino costringe i vasi sanguigni, ecc. Parasimatico contrae la pupilla costringe i bronchi diminuisce il battito cardiaco stimola l attività di stomaco e intestino dilata i vasi sanguigni, ecc. Sistema nervoso Centrale Cervello (e cervelletto) Midollo Spinale La parte più importante del cervello, per quanto riguarda gli esseri umani, è quella che si è evoluta più di recente: la corteccia cerebrale. Periferico Somatico Autonomo Simpatico Parasimpatico Mentre in molti mammiferi la corteccia risulta piuttosto piccola e primitiva, negli esseri umani essa è molto sviluppata. La sua profondità è di pochi millimetri (in media 3, con un rango che varia da 1.5 a 4.5 mm), ma essa si estende su un area di circa 2500 cm 2. Per poter essere contenuta nel cranio, la corteccia ha dato luogo a numerose convoluzioni che costituiscono una delle più importanti differenze fra il cervello umano e quello degli altri mammiferi. Oltre al risparmio di spazio, un ulteriore vantaggio derivante dall avere la corteccia fortemente convoluta è costituito dal fatto che i neuroni si trovano ad essere tridimensionalmente più vicini fra loro, e dunque possono avere assoni più corti e tempi di trasmissione degli impulsi più brevi. Questo permette agli assoni che connettono zone distanti della corteccia di passare sotto la corteccia stessa, senza seguire le pieghe della superficie. 24

25 Questi assoni che corrono sotto la corteccia, connettendo aree corticali fra loro distanti e che connettono la corteccia con le altre parti del cervello, appartengono ai cosiddetti neuroni di proiezione, sono assoni mielinizzati e formano la cosiddetta sostanza (o, all inglese, materia) bianca. La materia grigia contiene invece il soma dei neuroni di proiezione, i dendriti, gli assoni non mielinizzati degli interneuroni, e le parti terminali (non mielinizzate) dei neuroni che proiettano sulla corteccia provenienti da altre parti del cervello. Dal punto di vista anatomico, sulla corteccia sono distinguibili degli avvallamenti (detti fissure o solchi) che delimitano con il loro andamento i cosiddetti giri. Le fissure sono dei solchi particolarmente profondi. La corteccia è divisa in due emisferi simmetrici. I due emisferi sono separati in senso longitudinale dalla fissura longitudinale (o fissura interemisferica). I due emisferi sono connessi da fasci di assoni provenienti dai neuroni corticali che attraversano il corpo calloso.. Una delle caratteristiche anatomicamente più interessanti è costituita dal fatto che ogni parte del corpo tende a essere connessa con l emisfero controlaterale: la parte destra del corpo tende a essere connessa con l emisfero sinistra, mentre la parte sinistra tende a essere connessa con l emisfero destro. corpo calloso Ogni emisfero può essere suddiviso in quattro lobi: frontale parietale temporale occipitale. 25

26 frontale parietale temporale Il lobo frontale è separato da quello parietale dal solco centrale. occipitale solco centrale fissura laterale Il lobo frontale è separato da quello parietale dal solco centrale. La fissura laterale (o fissura di Silvio) separa il lobo temporale da quello frontale e parietale. 26

27 Il lobo frontale è separato da quello parietale dal solco centrale. I lobi sono deputati all esecuzione di funzioni diverse. La fissura laterale (o fissura di Silvio) separa il lobo temporale da quello frontale e parietale. Il lobo occipitale è delimitato dal solco parieto-occipitale. Occorre comunque tenere presente che: le funzioni del cervello non si mappano una a una con il lobo nel quale sono localizzate ma derivano dall azione di da reti i cui diversi elementi si trovano in aree (e in lobi) differenti della corteccia Occorre comunque tenere presente che: le funzioni del cervello non si mappano una a una con il lobo nel quale sono localizzate ma derivano dall azione di da reti i cui diversi elementi si trovano in aree (e in lobi) differenti della corteccia molte funzioni cerebrali richiedono la collaborazione di componenti sia corticali sia sottocorticali Occorre comunque tenere presente che: le funzioni del cervello non si mappano una a una con il lobo nel quale sono localizzate ma derivano dall azione di da reti i cui diversi elementi si trovano in aree (e in lobi) differenti della corteccia molte funzioni cerebrali richiedono la collaborazione di componenti sia corticali sia sottocorticali è necessaria una delimitazione più fine delle aree corticali. 27

28 Nella corteccia umana sono state identificate una cinquantina di distinte regioni, dette aree di Brodmann, che si distinguono per le loro caratteristiche cito-architettoniche (morfologia, densità, stratificazione) e funzionali. (La mappa originariamente tracciata da Brodmann è stata modificata nel tempo e alcune aree non sono più incluse nella versione standard ). Il lobo frontale svolge un ruolo critico nella pianificazione e nell esecuzione delle azioni. Questo lobo può venire suddiviso in due grandi suddivisioni: la corteccia motoria la corteccia prefrontale. 28

29 corteccia motoria La corteccia motoria si trova in posizione immediatamenteanteriore al solco centrale (area 4 di Broadmann). Quest area costituisce l area motoria primaria. I neuroni di quest area proiettano direttamente nel midollo spinale per muovere i muscoli (controlaterali) del corpo. Anteriormente a quest area troviamo altre due aree motorie (all interno dell area 6) che sono reponsabili per l esecuzione di movimenti complessi. La regione anteriore del lobo frontale (corteccia prefrontale) è coinvolta nei processi cognitivi di alto livello riguardanti la pianificazione e il controllo del comportamento. Quest area è eccezionalmente sviluppata e occupa il 30% dell intero cervello. Essa risulta indispensabile per un attività razionale e finalizzata. Questa parte della corteccia è responsabili dello spostamento e del mantenimento dell attenzione, del ricordo delle intenzioni, dello sviluppo e della messa in atto dei piani d azione. Anche la corteccia prefrontale può venire suddivisa in aree distinte. La distinzione più comune è quella fra corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC) corteccia prefrontale ventromediale (VLPFC) La prima svolge un ruolo importante nella memoria di lavoro (e, ovviamente, in altri processi), la seconda, che si estende fino alle strutture limbiche, entra in gioco nella memoria a lunga durata (e, ovviamente, in altri processi),. La corteccia prefrontale risulta anche critica nel dare vita a rapporti sociali soddisfacenti. Individui con danni alla corteccia prefrontale risultano facilmente distraibili e si comportano in maniera socialmente inadeguata, agendo come se non si rendessero conto di essere valutati dagli altri. (Phineas Gage è forse il più famoso paziente con danni prefrontali). 29

30 Il lobo parietale è parzialmente dedicato al senso del tatto. Esso contiene la corteccia somatosensoriale primaria (aree 1, 2 e 3 di Brodmann) che costituisce una striscia che corre da un emisfero all altro del cervello, e le aree secondarie. Anche in questo caso, il cervello funziona in maniera controlaterale: l emisfero destro riceve informazioni dalla parte sinistra del corpo e l emisfero sinistro dalla parte destra. Le informazioni vengono rappresentate in modo che aree del corpo che sono vicine tendono a proiettare su zone vicine della corteccia e che le regioni più sensibili al tatto abbiano aree corticali più grandi a loro dedicate. Il risultato è che nell area sensoriale si ha una rappresentazione distorta dell intero corpo: il cosiddetto homunculus somatosensoriale. Il lobo parietale risulta inoltre importante per percepire le relazioni spaziali e per muoversi in maniera efficace nell ambiente. Il lobo temporale svolge un ruolo importante nel riconoscimento degli oggetti e nel riconoscimento uditivo. Esso contiene la corteccia uditiva primaria, l area deputata all elaborazione dei segnali uditivi, nonché le aree uditive secondarie che elaborano ulteriormente tali segnali. Nell emisfero sinistro sono inoltre generalmente localizzate le aree deputate alla decodifica delle parole e delle frasi. 30

31 I lobi temporali contengono inoltre aree visive più specializzate per il riconoscimento dettagliato di oggetti (ad esempio: i volti). I lobi temporali sono critici per quanto riguarda la memoria in quanto al loro interno si trovano due importantissime strutture del sistema limbico: l ippocampo e l amigdala che svolgono un ruolo cruciale a questo proposito. Stimolando elettricamente la corteccia temporale, Penfield ottenne il riemergere nei pazienti di esperienze che si credevano dimenticate. Il lobo occipitale è dedicato esclusivamente al senso della vista. Esso è suddiviso in una serie di differenti aree visive. La più importante è costituita dalla corteccia visiva primaria. Quest area rappresenta le informazioni in maniera topologica, rispettando le relazioni spaziali: due oggetti che appaiono vicini nell immagine visiva attivano gruppi di neuroni contigui nell area visiva primaria. Una parte estremamente interessante del cervello è costituita da quello che una volta veniva definito il sistema limbico (il quinto lobo ) che si trova a metà fra la corteccia e le aree inferiori. Circondano la corteccia primaria un gruppo di altre aree visive secondarie dedicate all elaborazione di attributi come la forma, il moto, il colore. Due componenti del sistema limbico che risultano importantissime dal punto di vista della cognizione sono: l ippocampo l amigdala. 31

32 L ippocampo riveste un ruolo critico nell acquisizione di nuove conoscenze (dichiarative). Sembra che il suo ruolo sia quello di creare delle connessioni fra ciascuna nuova esperienza e la corteccia cerebrale. Secondo alcuni l ippocampo, inoltre, è anche il locus in cui sono memorizzati i ricordi episodici. Se Lashley, invece di rimuovere parti della corteccia dei suoi animali avesse rimosso l ippocampo, probailmente avrebbe ottenuto risultati diversi. Danni all ippocampo rendono le persone incapace di imparare nuovi fatti, nuovi nomi, nuove esperienze. L amigdala svolge un ruolo fondamentale nell apprendere ad associare gli eventi con le risposte emotive; essa permette all organismo di superare il comportamento istintivo collegando un ricordo con le emozioni da esse generato. L amigdala intensifica i ricordi esperite in condizioni di arousal emotivo. Mentre la corteccia, e il sistema limbico, contribuiscono alla formazione delle capacità e dei comportamenti più caratteristici della specie umana, le parti inferiori del cervello risultano più primitive dal punto di vista evoluzionistico. Queste parti sono deputate alla gestione delle funzioni fondamentali per la sopravvivenza di un organismo. Gioca un ruolo speciale nel rispondere a stimoli che elicitano la paura. Infine, è coinvolta nel valutare il significato emotivo delle espressioni facciali. Esempi di strutture di basso livello: midollo allungato: controlla la respirazione, la digestione, il battitocardiaco cervelletto: gioca un ruolo importante nel coordinamento motorio talamo serve come stazione di smistamento dei segnali sensoriali (ad eccezione dell olfatto) e motori ipotalamo svolge un ruolo importante nella regolazione degli impulsi fondamentali (fame, sete) gangli basali svolgono un ruolo importante nella scelta dell azione. 32