Lo Studio del Cervello e Del Sistema Nervoso Lo Studio del Cervello e Del Sistema Nervoso L obbiettivo principale è quello di capire i meccanismi biologici che sottostanno al pensiero ed al comportamento umano Relazioni tra il cervello (struttura biofisica) e le sue funzioni (es, pensiero, giudizio) Orientamento Psicobiologico, ovvero comportamenti e fenomeni psicologici vengono ricondotti a strutture e processi biologici Il cervello Motore alla base del nostro comportamento Considerato l organo più importante per elementi come la coscienza ed il pensiero e per attività elevate come il giudizio, la creatività Esplosione di ricerche sul cervello (campo medico, psicobiologico, fmri) che però rimane per certi versi un organo ancora sconosciuto Ma è sempre stato così? Nell antichità il cervello è stato sempre oggetto di studio della scienza?
Alcune Premesse Premessa storica: Egiziani (1600 a.c.). Il cervello come organo della mente (greci del V sec a.c.)_sistema idraulico, gli spiriti naturali e lo pneuma (Aristotele), gli studi di Leonardo (1490-1500) dissezioni di cadaveri animali e umani. La speculazione filosofica venne sostituita dall osservazione e dalla sperimentazione. Storicamente, lo studio del cervello come organo è riconducibile alla separazione tra studio scientifico della mente e studio teologico dell anima (Dualismo di Cartesio, 1650, XVII sec.) Così iniziò lo studio scientifico del sistema nervoso Tre Temi Generali Lo studio delle Cellule Nervose Lo studio del Sistema Nervoso Lo studio della Corteccia Cerebrale Tre Temi Generali Lo studio delle Cellule Nervose Lo studio del Sistema Nervoso Lo studio della Corteccia Cerebrale
Le cellule del sistema nervoso Sono di due tipi principali: 1. I NEURONI 2. LE CELLULE GLIALI Anatomia dei Neuroni La struttura del neurone è composta da tre componenti fondamentali: a) il corpo cellulare (contenente il nucleo della cellula) b) i dendriti (strutture ramificate che hanno origine dal corpo cellulare) c) l assone (una estensione più lunga) Il Neurone Ogni neurone ha la stessa struttura, malgrado possa variare in grandezza, lunghezza, e funzione
La funzione del Neurone La funzione primaria dei neuroni è la trasmissione dell informazione nel sistema nervoso (centrale e periferico) Il sistema nervoso è come una strada a doppio senso che collega il corpo (muscoli, organi sensoriali) al cervello. Esistono tre tipi di neuroni: 3 Tipi di Neuroni a) sensoriali (dai recettori sensoriali della pelle, muscoli etc al midollo spinale/encefalo) b) motori (dal midollo spinale/encefalo alle cellule muscolari) c) interneuroni (di collegamento, ricevono dai neuroni sensoriali e inviano a quelli motori perché sia trasmesso ai muscoli) Sistema a 3 strati produce forme di comportamento più complesse di uno a 2 strati (e.g. le meduse) Il potenziale di membrana del neurone Uno degli aspetti chiave per la comprensione delle funzioni nervose è il Potenziale di Membrana, ovvero la differenza di carica elettrica tra l esterno e l interno della cellula Il potenziale di membrana e le sue variazioni possono essere misurati. Come?
La registrazione del potenziale di membrana (PdM) può essere registrato inserendo un microelettrodo nel liquido interno alla cellula. L elettrodo misura la differenza di carica elettrica tra l interno e l esterno della cellula Il PdM si misura in millivolt (mv) Il PE interno misurato è negativo (-70 mv), e viene chiamato POTENZIALE DI RIPOSO La registrazione del potenziale di membrana L informazione trasmessa dai neuroni ha la forma di impulsi nervosi (elettrici) Quando un neurone riceve un impulso nervosa da un altro neurone > cambiamento nello stato elettrico interno Si verifica una rapida inversione di polarità o carica elettrica, il PE interno diventa positivo (+55 mv), e viene chiamato POTENZIALE D AZIONE (scarica del neurone) Avviene ogni 4-5 ms segna il passaggio di un impulso nervoso La registrazione del potenziale di membrana Dopo il picco positivo il PE interno ha una caduta ancora più negativa (-80mV), PERIODO REFRATTARIO (assoluto e relativo) I periodi refrattari limitano il numero di impulsi che possono essere trasmessi da un neurone (uno ogni 4 o 5 ms) Il passaggio di un impulso nervoso (potenziale di azione) attraverso un neurone cambia dunque lo stato elettrico di tale neurone
La direzione degli impulsi nervosi nel Neurone Il neurone si comporta come una ricetrasmittente: Corpo cellulare e dendriti ricevono impulsi da altri neuroni L assone invece serve ad inviare i messaggi Gli impulsi nervosi si propagano dal corpo/dendriti fino all assone Nell assone, 2 tipi di conduzione Come si propagano gli impulsi nervosi in un neurone? Conduzione saltatoria (veloce, 120 mt/sec)> Assoni rivestiti di mielina (sostanza lipidica) che consente alta velocità di conduzione. La conduzione avviene in corrispondenza dei punti privi di rivestimento (detti nodi di Ranvier) Conduzione continua (lenta, 20 cm/sec) > Assoni non rivestiti di mielina. I nodi di Ranvier e la conduzione saltatoria La trasmissione sinaptica tra neuroni La propagazione di un potenziale d azione da un neurone all altro avviene tramite le SINAPSI Bottone sinaptico (punto di contatto tra due neuroni) Fessura sinaptica (spazio tra il bottone sinaptico e l altro neurone) Neurotrasmettitori (sostanze chimiche), contenuti nelle vescicole sinaptiche del bottone, liberati nella fessura e assorbiti dall altro neurone in specifici siti di recezione
TIPI DI SINAPSI 2 tipi di SINAPSI: sinapsi eccitatoria. I neurotrasm. aumentano la probabilità che si verifichi un potenziale d azione sinapsi inibitoria I neurotrasm. diminuiscono la probabilità che si verifichi un potenziale d azione E così che i neuroni comunicano l informazione tra di loro L importanza dei neurotrasmettitori Un attività nervosa normale è necessaria per il normale funzionamento del nostro corpo, da un punto di vista sia fisico che psicologico I Neurotrasmettitori sono sostanze chimiche Possono essere influenzate da sostanze chimiche esterne in due modi: Sostanze chimiche AGONISTE (facilitano la trasmissione sinaptica) Sostanze chimiche ANTAGONISTE (inibiscono la trasmissione sinaptica) Facciamo qualche esempio L importanza dei neurotrasmettitori Esempio 2: Le basi chimiche della depressione CAUSA: carenza di serotonina Trattamento: Prozac (antidepressivo) agonista
Modi per misurare l attività elettrica dei Neuroni Il passaggio degli impulsi può essere registrato (misurato) in termini di attività elettrica 2 MODI PRINCIPALI: 1. Registrazione da singola cellula 2. EEG Registrazione da singola cellula Studi sugli animali, registrazione dal singolo neurone (dette single unit recording ) Es. (stadio, microfono d avanti alla bocca del singolo spettatore) L Elettroencefalogramma (EEG) Tramite elettrodi poggiati sullo scalpo EEG registra la risposta di una popolazione di neuroni (es. microfono allo stadio)
Introduzione allo Studio del Cervello e Del Sistema Nervoso Tre Temi Generali Lo studio delle Cellule Nervose Lo studio del Sistema Nervoso Lo studio della Corteccia Cerebrale Le cellule del sistema nervoso Sono di due tipi principali: 1. I NEURONI 2. LE CELLULE GLIALI
Le cellule gliali Le cellule gliali sono cellule che, assieme ai neuroni, costituiscono il sistema nervoso La loro storia è diversa da quella dei neuroni. Sono state scoperte nel 1891 da Santiago Ramón y Cajal (16 anni dopo i neuroni, 1875) Le loro funzioni sono state per lungo tempo sottovalutate => le dimenticate cellule gliali La funzione delle dimenticate Cellule Gliali A che servono? 1. Passato, tenere uniti i neuroni (gliale=colla) 2. Differenze con i neuroni viste solo in negativo (no assone, no potenziale d azione) Conclusione: non hanno sinapsi chimiche => NO trasmissione dell informazione Washington Faculty-USA Le cellule gliali Senza contare che: 1. Diversamente dai neuroni, continuano a dividersi e a riprodursi per tutta la vita (sono responsabili dell aumento di dimensioni del cervello) 2. Fino a 9 volte più numerose dei neuroni. Fu scoperto all'inizio del XX secolo e da questo è nato il falso mito che noi utilizziamo solamente il 10% del nostro cervello per pensare.
Le funzioni delle dimenticate Cellule Gliali A che servono? 1. funzione nutritiva e di sostegno per i neuroni 2. assicurano l'isolamento dei tessuti nervosi e la protezione da corpi estranei in caso di lesioni. 3. Responsabili del processo di mielinizzazione 4. Regolano la crescita di nuove vie neurali (vs la morte neuronale) Recenti studi hanno scoperto un loro ruolo attivo nella trasmissione degli impulsi nervosi. Il ruolo attivo delle cellule della glia nelle sinapsi e quindi nella velocità di apprendimento è stato stabilito solamente nel 2004. Tre Temi Generali Lo studio delle Cellule Nervose o Neuroni Lo studio del Sistema Nervoso Lo studio della Corteccia Cerebrale Il Sistema Nervoso E la struttura che sottende all organizzazione dei neuroni e della trasmissione dei loro impulsi nervosi E una struttura gerarchica che comprende un sottosistema centrale ed uno periferico
Il Sistema Nervoso Periferico IL SISTEMA NERVOSO IL SN CENTRALE IL SN PERIFERICO ENCEFALO MIDOLLO SPINALE SISTEMA SOMATICO SISTEMA AUTONOMO Il Sistema Nervoso Periferico Funzione: collegare il SNC agli organi di senso, ai muscoli e alle ghiandole Ha due componenti principali: 1. Somatico (controlla l azione dei muscoli ed il movimento) 2. Autonomo (controlla il funzionamento degli organi interni) 1-SISTEMA SOMATICO Il sistema somatico controlla i muscoli striati scheletrici attraverso 2 categorie principali di nervi somatici-scheletrici: Nervi cranici (12 paia; si trovano direttamente nell Encefalo connessi con i sistemi sensoriali e motori del capo) Nervi spinali (31paia; si trovano direttamente nel midollo spinale) I nervi contengono sia vie sensoriali afferenti che vie motorie efferenti
1-SISTEMA AUTONOMO- VEGETATIVO Funzione: innerva i muscoli lisci degli organi interni (stomaco, cuore, intestini) Poiché tali muscoli sfuggono al controllo volontario il sistema è detto AUTONOMO Il sistema autonomo è formato da due vie nervose principali: 1. Sistema simpatico (emergenza, stress, consumosport) 2. Sistema ParaSimpatico (normalità, conservazione) Sono importanti per la Fisiologia delle Emozioni Il Sistema Nervoso Centrale Ha due componenti principali: 1. Encefalo -- struttura cerebrale vera e propria 2. Midollo Spinale Il Midollo Spinale Struttura di collegamento e di trasmissione tra il corpo e l encefalo Fa da connessione tra i neuroni sensoriali e motori coinvolti nei I riflessi spinali (risposte motorie automatiche che non coinvolgono i neuroni dell encefalo) Detti Riflessi perché non coinvolgono la volontarietà dell azione
Il Midollo spinale e i Riflessi spinali DUE TIPI MONOSINAPTICO. Il più semplice, l Arco Riflesso monosinaptico, RIFLESSO PATELLARE (Indice clinico, imp per la stazione eretta e per l equilibrio): n. sensoriale> n. motorio POLISINAPTICO. Riflesso a tre neuroni: n. sensoriale > interneurone >n. motorio ES: toccare un oggetto che scotta (vedi figura) oppure riflesso che attraversa il lato opposto del corpo, calpestare qualcosa di tagliente. Esempio di un Riflesso Involontario (Automatico) a 3 neuroni I segnali provenienti dagli effettori lesionati vanno dal midollo fino al cervello che a quel punto ci rende consapevoli della sensazione di dolore Encefalo Encefalo -- struttura cerebrale vera e propria Fitta rete di vasi sanguigni (riceve 1/5 del sangue in circolo) alto consumo di ossigeno (usa 1/5 dell ossigeno presente nel corpo). Dopo 7-8 sec di apnea, perdita di coscienza. Dopo 1 minuto, morte neuronale Sistema circolatorio supplementare (interno): Fluido CerebroSpinale (FCS) contenuto nei ventricoli Funzione del FCS: alimentare, sostenere e proteggere (trauma da concussione)
L Encefalo e RMP IL SISTEMA NERVOSO IL SN CENTRALE IL SN PERIFERICO ENCEFALO MIDOLLO SPINALE PROENCEFALO MESENCEFALO ROMBOENCEFALO Le tre strutture dell encefalo La parte inferiore dell encefalo (RM) è la più primitiva e sottende a funzioni perlopiù automatiche (respirazione, dolore) R+M formano il tronco dell encefalo dove poggia P La parte superiore (P) è la più recente e sottende alle funzioni più complesse della mente umana (giudizio, pensiero) IL CERVELLO E formato da due emisferi cerebrali perlopiù simmetrici (giri e solchi) Si è evoluto crescendo di dimensioni (see anatomia comparata)
Neuroanatomia Comparata La Corteccia Cerebrale Risonanza magnetica taglio coronale taglio sagittale Taglio assiale Formata da 2 emisferi (RH e LH) Materia grigia, la parte più esterna degli emisferi (Perlopiù fatta di corpi cellulari dei neuroni corticali) LA CORTECCIA CEREBRALE Ogni emisfero è divisibile in quattro lobi od aree chiaramente identificabili: 1. Frontale 2. Occipitale, 3. Temporale, 4. Parietale
La Corteccia Cerebrale è divisa in 4 lobi LA CORTECCIA E LE SUE FUNZIONI In base alle loro funzioni, nel cervello possono essere distinti 3 tipi diversi di corteccia cerebrale: 1. Corteccia motoria 2. Corteccia sensoriale 3. Corteccia associativa Corteccia Motoria e Lobo Frontale
LA CORTECCIA SENSORIALE Si divide in: 1. Corteccia somatosensoriale 2. Corteccia uditiva 3. Corteccia visiva Cortecce sensoriali La Corteccia Associativa Le Aree Associative : a. Non hanno funzioni motorie o sensoriali b. Sono esclusivamente composte da interneuroni (neuroni di collegamento) c. Sono responsabili di funzioni superiori quali il linguaggio, la lettura, il pensiero d. La ricerca ha avanzato le conoscenze soprattutto sulle aree del linguaggio
Le aree del linguaggio Area di Broca regione della corteccia motoria sinistra (Lobo Frontale) controlla i movimenti della bocca durante la produzione linguistica. Area di Wermicke regione della corteccia uditiva (Lobo temporale) sinistra Regola la comprensione linguistica I disturbi del Linguaggio Lo studio delle aree del linguaggio si è molto sviluppato a partire dai dati neuropsicologici Studio di pazienti con lesioni nelle aree del linguaggio che presentavano disturbi del linguaggio detti afasie Le Afasie sono causate perlopiù da lesioni all emisfero sinistro. DUE TIPI PRINCIPALI di AFASIE: 1-Afasia di produzione anche detta Afasia di Broca (Paul Broca, neurologo francese, 1961). Paziente Tan, lesione in una regione della corteccia motoria sinistra (Lobo Frontale) che controlla i movimenti della bocca (detta area di Broca). Il paziente era incapace di parlare sensatamente (deficit di produzione), ma poteva comprendere (preservata la comprensione).
DUE TIPI PRINCIPALI di AFASIE: 1-Afasia di comprensione anche detta Afasia di Wernicke (Carl Wernicke, 1874). Paziente con una lesione in una regione della corteccia uditiva (Lobo temporale) sinistra (detta area di Wernicke). Il paziente non era in grado di comprendere (deficit di comprensione) era in grado di produrre (parlare) con la giusta prosodia (preservata la produzione) LE AFASIE E L EMISFERO SINISTRO Il 95% delle afasie sono causate da lesioni all emisfero sinistro. Quando le stesse regioni dell emisfero destro vengono lesionate i pazienti riportano deficit linguistici solo nel 5% dei casi. Il linguaggio è un esempio di specializzazione emisferica (LH) La specializzazione emisferica Con SE si intende che ciascun emisfero è specializzato in alcune funzioni a. I due cervelli tendono ad assolvere a funzioni diverse b. L emisfero sinistro: Linguaggio c. L emisfero destro: relazioni spaziali, musica, emozioni d. Molte funzioni sono comunque condivise, ed integrate, da entrambi gli emisferi grazie alle connessioni che attraversano il corpo calloso