APPUNTI di NEUROSCIENZE - Studio Psicologia Mantova

Il presente manuale è stato preparato ed edito da Richard Morris (Università di Edimburgo) e da MarianneFillenz (Università di Oxford) grazie alla British Neuroscience Association ed alla European Dana Alliance for theBrain. Il progetto grafico è a cura di Jane Grainger (Grainger Dunsmore Design Studio, Edimburgo). Siamodebitori, per il loro contributo, ai nostri colleghi della Divisione di Neuroscenze, in particolare a Victoria Gill, eagli altri del gruppo di neuroscienze di Edimburgo. Un grazie anche ai membri del Dipartimento di Fisiologiadell‛Università di Oxford, in particolare a Colin Blakemore, e all‛aiuto dato da tutti gli altri colleghi di altreistituzioni il cui nome è elencato nella quarta di copertina.La British Neuroscience Association (BNA) è l‛ordine professionale del Regno Unito che rappresenta ineuroscienziati e che si prodiga per una miglior conoscenza della fisiologia e della patologia del Sistema Nervoso.I suoi membri comprendono scienziati esperti, titolari di cattedre universitarie o di incarichi in Istituti diRicerca ma anche studenti neolaureati. Le riunioni annuali della BNA, che si svolgono solitamente in primavera,costituiscono la sede in cui vengono presentati gli studi più recenti. Molti gruppi locali, sparsi in tutto il paese,tengono spesso dei seminari e organizzano attività per un pubblico non esperto, quali visite nelle scuole o mostrenei musei locali. Per ulteriori informazioni è possibile consultare il sito: http://www.bna.org.uk/Lo scopo dell‛ European Dana Alliance for the Brain (EDAB) è quello di informare il vasto pubblico e i dirigenti divari settori sull‛importanza della ricerca sul cervello. EDAB si prefigge di migliorare la conoscenza circa i possibilibenefici, pubblici e privati, delle neuroscienze e di diffondere la conoscenza del funzionamento del cervello edelle sue malattie in modo scientifico e al contempo divulgativo. Milioni di persone di ogni età sono colpite damalattie neurologiche e psichiatriche che creano un notevole impatto sull‛economia nazionale. Per cercare disuperare questo problema, nel 1997, settanta fra i maggiori neuroscienziati europei hanno sottoscritto unaDichiarazione di Intenti sull‛importanza delle neuroscienze e sui fini raggiungibili da parte della ricerca con loscopo di migliorare la conoscenza delle malattie cerebrali. Da allora, molti altri scienziati si sono aggiunti algruppo, che attualmente rappresenta 24 nazioni europee. L‛EDAB conta più di 125 membri. Per ulterioriinformazioni è possibile consultare il sito: http://www.edab.net/La Società Italiana di Neuroscienze (SINS) ha come scopo principale quello di favorire l‛approfondimentodelleconoscenze del Sistema Nervoso e dei processi che sono alla base del comportamento, tramite un comune sforzo diricercatori che operano anche in campi diversi e la facilitazione dell'integrazione delle ricerche, anche al fine digiovare alla salute dell'uomo. Essa è inoltre impegnata nel promuovere l'informazione e la formazione culturale escientifica nel campo delle Neuroscienze. Il sito internet è all‛indirizzo: http://www.sins.itEdizione Inglese di: The British Neuroscience AssociationThe Sherrington BuildingsAshton StreetLiverpool L69 3GEUKCopyright International Brain Research Organization(IBRO) 2005Questo manuale è protetto da copyright. Ad eccezione dirisoluzioni statutarie diverse o di accordi a favore diimportanti finalità collettive, è vietata la riproduzioneanche parziale senza l‛autorizzazione scritta della IBROEdizione italiana a cura del Comitato per la Promozionedelle Neuroscienze. Via Fleming 22, 34127 Trieste, con lacollaborazione del Centro interdipartimentale BRAIN(Basic Research And Integrative Neuroscience)dell‛Università di Trieste, ItaliaSeconda edizione italiana: 2010ISBN: 978-88-90483-80-6

Neuroscienze: la Scienza del Cervello1 Il Sistema Nervoso P22Neuroni e potenzialed‛azioneP43 Messaggeri chimici P74 Droghe e cervello P95 Tatto e dolore P116 Visione P147 Movimento P198Sviluppo del SistemaNervosoP229 Dislessia P2510 Plasticità neurale P2711Memoria eapprendimentoP3012 Stress P3513Cervello e sistemaimmunitarioP3714 Sonno P3915 Neuroimmagini P411617Reti neurali e mentiartificialiSe le cose non vannoper il giusto versoP44P4718 Neuroetica P521920Formazione eprofessioneLetture diapprofondimento eringraziamentiP54P56Un organo stupefacente che pesa circa 1.5 kg ed è formato da miliardi dipiccole cellule è situato dentro la nostra testa. Esso ci consente di percepireil mondo attorno a noi, di pensare e di parlare. Il cervello umano è l‛organo piùcomplesso dell‛intero corpo e, verosimilmente, l‛oggetto più complesso almondo. Questo manuale serve da introduzione alla sua conoscenza.In questo manuale verranno descritte le nostre attuali conoscenze sulfunzionamento del cervello e quanto ancora ci sia da imparare sull‛argomento.Lo studio del cervello ha coinvolto scienziati e medici di varie specialità, chevanno dalla biologia molecolare alla psicologia sperimentale, attraversodiscipline quali l‛anatomia, la fisiologia e la farmacologia. Gli interessicondivisi hanno condotto ad una nuova disciplina chiamata neuroscienze - lascienza del cervello.Il cervello può fare molto ma non tutto. E‛ costituito da cellule nervose – isuoi mattoni – che sono connesse fra loro in forma di reti. Queste reti sonoin costante stato di attivazione elettrica e chimica. Il cervello può vedere epercepire. Può avvertire dolore e le sue reazioni chimiche lo aiutano nelcontrollarne gli spiacevoli effetti. Possiede numerose aree dedicate acoordinare i nostri movimenti al fine di espletare azioni complesse. Uncervello in grado di fare queste e molte altre cose non nasce completamenteformato ma si sviluppa gradualmente: prenderemo in considerazione alcuni deiprincipali processi genetici coinvolti nel suo sviluppo. Il malfunzionamento diuno o più di questi processi, può causare condizioni quali, a esempio, ladislessia. Esistono inoltre somiglianze tra il modo in cui si sviluppa il cervelloe i meccanismi che compaiono più tardivamente, responsabili dellemodificazioni delle connessioni tra le cellule: si tratta di un processo definitoplasticità neurale. Si ritiene che la plasticità stia alla base dell‛apprendimentoe della memoria. Il nostro cervello può ricordare i numeri telefonici e ciò cheabbiamo fatto il Natale scorso. Purtroppo, soprattutto per un cervello chericorda le ricorrenze familiari, non mangia e non beve. E‛ quindi un po‛limitato. Ma subisce lo stress, come facciamo noi tutti, modificando alcunimeccanismi ormonali e molecolari che possono condurre ad un‛ansia eccessiva,come quella che provano molti di noi all‛approssimarsi di un esame. C‛è unmomento in cui il sonno è importante, così gli lasciamo godere il riposo di cuinecessita. Sfortunatamente, il cervello può anche ammalarsi o subire traumi.Nuove tecniche come gli elettrodi in grado di esplorare la superficie di unacellula, le immagini ottiche, le apparecchiature per le scansioni cerebrali e ichip al silicio contenenti reti neurali artificiali, stanno oggi cambiando il voltodelle neuroscienze. Vi presenteremo queste novità considerando anche alcunedelle loro implicazioni etiche e sociali.Per chiedere ulteriori copie: centro interdipartimentale BRAIN (Basic Research And Integrative Neuroscience)dell‛Università di Trieste: brain@units.it

Il Sistema NervosoL‛architettura dei neuroni consiste in un corpocellulare e in due serie di strutture addizionali dette“processi”. Una di queste strutture è costituita dagliassoni; il loro compito è quello di trasmetterel‛informazione da un neurone ad altri neuroniconnessi con il primo. L‛altra struttura è costituitadai dendriti che hanno il compito di riceverel‛informazione trasmessa dagli assoni di altri neuroni.Entrambe queste formazioni entrano a far parte distrutture di contatto specializzate chiamate sinapsi(vedi Capitoli 2 – Il potenziale d‛azione e 3 - Imessaggeri chimici). I neuroni sono organizzati incatene complesse e reti che costituiscono le vieattraverso le quali l‛informazione viene trasmessaall‛interno del sistema.Il Sistema Nervoso Centrale dell‛uomo compostodal cervello e dal midollo spinaleStruttura di baseIl sistema nervoso è costituito dal cervello, dalmidollo spinale e dai nervi periferici. E‛ compostoda cellule nervose, dette neuroni, e da cellule disostegno dette cellule gliali.Esistono tre tipi principali di neuroni. I neuronisensitivi sono associati a recettori specializzati perrilevare e per rispondere ai vari stimoli dell‛ambienteinterno ed esterno. I recettori sensibili aicambiamenti di luminosità e di suono o agli stimolimeccanici e chimici, sottendono le modalità sensorialidella visione, dell‛udito, del tatto, del gusto edell‛olfatto. Quando stimoli cutanei meccanici, termicio chimici superano una data intensità, possonodanneggiare i tessuti e attivare un‛insieme particolaredi recettori, detti nocicettori, che innescano sia iriflessi di difesa che la sensazione di dolore (vedicapitolo 5 - Tatto e Dolore). I motoneuroni, checontrollano l‛attività dei muscoli, sono responsabili ditutte le forme di comportamento, compreso illinguaggio. Interposti tra i neuroni sensitivi e imotoneuroni vi sono gli interneuroni che costituisconoil gruppo più numeroso (nel cervello umano). Gliinterneuroni mediano i riflessi semplici ma sono ancheimplicati nelle funzioni cerebrali superiori. Le cellulegliali, a lungo ritenute avere una semplice funzione disostegno dei neuroni, sono ora note per il loroimportante contributo allo sviluppo del sistemanervoso e al suo funzionamento nell‛adulto. Benchémolto più numerose, esse non trasmettonoinformazioni come i neuroni.Il cervello e il midollo spinale sono connessi airecettori sensitivi e ai muscoli tramite lunghi assoniche formano i nervi periferici. Il midollo spinale hadue funzioni: è la sede dei riflessi elementari qualiquello di estensione del ginocchio e di retrazione diun arto da uno stimolo calorico o puntorio, ma anchedi riflessi più complessi costituendo una sorta diautostrada tra corpo e cervello sulla quale leinformazioni viaggiano in entrambe le direzioni.La struttura di base del sistema nervoso è la stessain tutti i mammiferi. Ciò che distingue il cervellodell‛uomo è la sua dimensione relativamente grande inrapporto a quella del corpo. Ciò è dovuto all‛enormeincremento del numero degli interneuroni nel corsodell‛evoluzione, che ha dato all‛uomoun‛incommensurabile capacità di risposta agli stimoli.Anatomia del CervelloIl cervello è composto dal tronco encefalico e dagliemisferi cerebrali.Il tronco encefalico comprende il rombencefalo, ilmesencefalo e parte del diencefalo (letteralmente “inmezzo ai due emisferi”). Il rombencefalo è unprolungamento del midollo spinale. Contiene retineurali che costituiscono i centri di controllo dellefunzioni vitali come quelli per la regolazione dellarespirazione e della pressione sanguigna. Tra lediverse reti neurali ve ne sono alcune la cui attivitàcontrolla tali funzioni.Dal tetto del rombencefalo si distacca il cervelletto,che gioca un ruolo centrale nel controllo dellacoordinazione motoria (vedi Capitoli 7 - Il movimentoe 9 - La dislessia).Il mesencefalo contiene vari nuclei di neuroni: tuttiproiettano verso gli emisferi cerebrali, anche seciascuno sembra usare in modo preferenziale unparticolare tipo di messaggero chimico. Si ritiene chequesti nuclei siano in grado di modulare l‛attività dialtri neuroni posti in altri centri cerebrali superiori,in grado di mediare funzioni quali il sonno, l‛attenzione2

Il cervello umano visto da sopra, da sotto e di lato.o il meccanismo di punizione-ricompensa. Il diencefalo,che si continua ancora anteriormente al troncodell‛encefalo, comprende due aree pricipali, denominatetalamo e ipotalamo: il talamo invia gli impulsiprovenienti dai sistemi sensoriali alla corteccia che, asua volta, invia messaggi di ritorno al talamo. Questamodalità di andata-ritorno delle connessioni cerebrali èmolto interessante: l‛informazione non viaggia dunque inun sol senso. L‛ipotalamo controlla svariate funzionicome la fame e la sete e regola anche il rilascio degliormoni coinvolti nelle funzioni sessuali.Gli emisferi cerebrali comprendono una zona centrale,i gangli della base, e un ampio e sottile strato dineuroni circostante che forma la materia grigia dellacorteccia cerebrale. I gangli della base giocano unruolo centrale nell‛avvio e nel controllo dei movimenti(vedi Capitolo 7 - Il movimento). Contenuta nellospazio limitato del cranio, la corteccia cerebrale èripiegata molte volte su se stessa per fornire lasuperficie più vasta possibile allo strato neuronale. Lacorteccia è l‛area cerebrale maggiormente sviluppatanell‛uomo, quattro volte più che nel gorilla. Vienesuddivisa in molte aree più piccole, ciascunadistinguibile per diversità di strati e connessioni. Lefunzioni di molte di queste aree sono note, come quelledell‛area visiva, uditiva e olfattiva, o dell‛area sensitivacui giungono le afferenze cutanee (detta areasomoestesica) e di diverse aree motorie. Le vie chevanno dai recettori sensitivi alla corteccia e quelledalla corteccia ai muscoli si incrociano. Perquesto, i movimenti del lato destro del corpo sonocontrollati dalla parte sinistra della corteccia e viceversa. Allo stesso modo, la parte sinistra del corpomanda segnali sensitivi all‛emisfero destro cosicché, aesempio, i suoni che provengono dall‛orecchio sinistroraggiungono principalmente la corteccia destra. Ciònonostante, le due metà del cervello non lavoranoseparatamente, in quanto la corteccia cerebraledestra e quella sinistra sono collegate da un largofascio di fibre detto corpo calloso.Il padre delle moderneneuroscienze, Ramon y Cajal,al suo microscopio nel 1890.Veduta laterale delcervello indicante ladivisione tra gliemisferi cerebrali e iltronco-encefaloun‛estensione del qualecostituisce il cervellettoEmisfero CerebraleCervellettoTronco-encefaloSezione frontale delcervello indicante iltalamo e l‛ipotalamoTalamoipotalamoSezione frontale delcervello indicante igangli della base e ilcorpo callosoEmisfero CerebraleCorpo CallosoGangli della baseLa corteccia cerebrale è necessaria per le azionivolontarie, per il linguaggio e per le funzioni superioricome il pensiero e la memoria. Molte di queste funzionivengono compiute da entrambi gli emisferi mentrealcune sono lateralizzate ad uno soltanto. Sono stateidentificate alcune aree coinvolte in alcune funzionisuperiori come quella del linguaggio che è lateralizzataa sinistra nella maggior parte delle persone. C‛è peròancora molto da imparare, soprattutto riguardo adalcuni argomenti affascinanti come la coscienza. Lostudio delle funzioni corticali è quindi una delle areepiù interessanti e produttive delle neuroscienze.La prima immaginedi Cajal di unneurone e dei suoidendriti.Disegno di Cajalrappresentante ineuroni delcervelletto.Siti Internet: http://science.howstuffworks.com/brain.htm http://faculty.washington.edu/chudler/neurok.htmlhttp://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.html3

Neuroni epotenzialed‛azioneChe siano sensoriali o motori, piccoli o grandi, ineuroni hanno tutti in comune il fatto che la loroattività è sia elettrica che chimica. I neuronicooperano e competono l‛uno con l‛altro nel regolarelo stato complessivo del sistema nervoso, all‛incircanello stessi modo in cui gli individui di una societàcollaborano e competono nel prendere una decisionecomune. I segnali chimici giunti ai dendriti dagliassoni con cui sono a contatto vengono trasformatiin segnali elettrici, che si sommano o si sottraggonoai segnali elettrici che vengono ricevuti da tutte lealtre sinapsi, determinando così la decisione dipropagare o meno il segnale risultante verso unanuova destinazione. In questo caso, i potenzialielettrici viaggiano lungo l‛assone verso le sinapsiposte sui dendriti del neurone adiacente ed ilprocesso si ripete.Il neurone dinamicoCome descritto nel capitolo precedente, unneurone è composto da dendriti, un corpocellulare, un assone e terminazioni sinaptiche.3 diversi tipi di neuroniQuesta struttura riflette la suddivisione dellefunzioni di ricezione, integrazione e trasmissione inparti diverse. Possiamo dire che il dendrite riceve, ilcorpo cellulare integra e l‛assone trasmette: questoconcetto è detto polarizzazione, poiché si suppone chel‛informazione che i neuroni elaborano vada in una soladirezione.Dendriti Corpo cellulare Assone SinapsiRicezione Integrazine Transmissionemotoneurone spinale cellula piramidale cellula cerebellare di PurkinjecorpoassonecorpoassoneTre diversi tipi di neuronicorpoassoneAll‛interno dei neuroni si trovano vari compartimenticostituiti da proteine prodotte principalmente nel corpocellulare che vengono trasportate lungo il citoscheletro.Delle piccole protuberanze, dette spine dendritiche,fuoriescono dai dendriti e costituiscono il luogo in cuigli assoni creano la maggior parte delle loro connessioniin ingresso. Le proteine trasportate verso le spine sonoimportanti per creare e mantenere la connettivitàneuronale. Queste proteine sono costantementerinnovate, venendo sostituite con nuove proteine quandohanno svolto il loro compito. Questo processo habisogno di energia per essere svolto: all‛interno dellecellule esistono dei veri e propri generatori di energia (imitocondri) che permettono all‛insieme di funzionare.Le estremità degli assoni reagiscono inoltre ad alcunemolecole dette fattori di crescita che vengonoassorbiti e trasportati al corpo cellulare, doveinfluenzano l‛espressione dei geni neuronali e,conseguentemente, la produzione di nuove proteine checonsentono al neurone di far crescere dendriti piùlunghi o di modificare in maniera dinamica la propriaforma e la propria funzione. Le informazioni, ilnutrimento e i messaggeri scorrono in ogni istante da everso il corpo centrale.Il concetto chiave del neuroneCome ogni altra struttura, il neurone deve esseredelimitato da qualcosa. La parete esterna dei neuroniè una membrana costituita da sostanza grassa, avvoltaattorno ad un citoscheletro costituito da bacchette diproteine tubulari e filamentose che si estendonoanche nei dendriti e negli assoni. La strutturarisultante assomiglia ad una tessuto teso ed avvoltointorno all‛intreccio dei tubi di un telaio. Le diverseparti di un neurone sono in continuo movimento, con unprocesso di riassestamento che riflette la loro stessaattività e quella dei neuroni circostanti.I dendriti cambiano forma, creando nuove connessionied eliminandone altre, e l‛assone aumenta o diminuiscele sue terminazioni se il neurone intende comunicarecon i suoi consimili a voce più alta o più bassa.Le piccolo protuberanze verdi costituiscono le spinedendritiche che sporgono dai dendrite di un neurone.A questo livello si trovano localizzate le sinapsi.4

Ricevere e decidereSul lato ricevente della cellula, i dendriti hanno stretticontatti con gli assoni provenienti da altri neuroni.Ciascun contatto avviene alla minuscola distanzadi circa 20 miliardesimi di metro. Un dendrite puòricevere contatti da una, alcune o persino centinaia dialtre cellule neuronali. Questi punti di giunzione sonodetti sinapsi, che in greco antico significa “unireassieme”. La maggior parte delle sinapsi nella cortecciaIl potenziale d‛azionePer portare il messaggio da un neurone all‛altro, il segnaledeve anzitutto percorrere la distanza dal corpo cellularealla terminazione assonica attraverso l‛intero assone.Come fanno i neuroni a far sì che questo avvenga? Larisposta consiste nell‛utilizzare l‛energia immagazzinatacome variazioni fisiche e chimiche e nel sommarne laforza per ottenere un risultato utile. Gli assonitrasmettono impulsi elettrici detti potenziali d‛azioneche viaggiano lungo le fibre nervose come l‛onda formatada una corda per saltare.cerebrale è situata sulle spine dendritiche chefuoriescono come piccoli microfoni in cerca di segnalimolto deboli. La comunicazione fra le cellule nervoseattraverso questi contatti puntiformi è dettatrasmissione sinaptica e coinvolge un processo chimicoche verrà descritto nel prossimo capitolo. Quando idendriti ricevono un messaggero chimico che è statoemesso da un assone ed ha superato la distanza digiunzione, all‛interno della spina dendritica si generauna minuscola corrente elettrica. Generalmente sitratta di correnti che si apprestano ad entrare nellacellula, e sono dette eccitatorie; se invece si trattadi correnti che si dirigono verso l‛esterno della cellula,sono dette inibitorie. Tutte queste onde positive enegative di corrente si accumulano nei dendriti ediffondono poi verso il corpo cellulare. Se non sonosufficientemente intense, queste correnti sonodestinate a dissolversi e non portano ad alcun effetto.Se, al contrario, l‛intensità di queste correnti supera uncerto valore soglia, il neurone trasmetterà unmessaggio ad altri neuroni.Ciò avviene in quanto le membrane assonali contengonocanali ionici che si aprono e si chiudono lasciandopassare gli ioni carichi elettricamente. Alcuni canalilasciano passare ioni sodio (Na+), altri ioni potassio (K+).Quando i canali si aprono, gli ioni Na+ o K+ fluiscono,spinti dal gradiente chimico ed elettrico, all‛interno overso l‛esterno della cellula, in risposta alladepolarizzazione elettrica della membrana.millivoltCanali sodioapertiCanali potassioapertipotenziale a riposoIl neurone è pertanto una sorta di calcolatore inminiatura che esegue addizioni e sottrazioni senzasosta. Ciò che viene aggiunto e sottratto sono imessaggi che provengono da altri neuroni. Alcunesinapsi producono eccitazione, altre inibizione, ed ilmodo in cui questi segnali costituiscono la base per lesensazioni, i movimenti ed il pensiero dipendono moltoda com‛è fatta la rete in cui i neuroni sono situati.Il potenziale d‛azionemillisecondi5

Quando il potenziale d‛azione ha inizio nel corpocellulare, i primi canali ad aprirsi sono quelli Na+. Unflusso di ioni sodio si precipita dentro la cellula edentro un millisecondo si viene a stabilire un nuovoequilibrio. In un batter d‛occhio, il voltaggiotransmembranario si modifica di circa 100 mV,passando da un valore negativo all‛interno dellamembrana (circa -70 mV) ad uno positivo (circa +30mV). Questa variazione fa aprire i canali K+, consenteal flusso di ioni potassio di uscire dalla cellula in modoquasi altrettanto rapido di quello degli ioni Na+ cheerano entrati, provocando il ritorno del potenziale dimembrana all‛interno della cellula alla negativitàoriginale. Il potenziale di membrana si esaurisce in untempo inferiore a quello necessario per accendere espegnere un interruttore. Va notato che soltantopochi ioni attraversano la membrana cellulare e laconcentrazione citoplasmatica di ioni Na+ e K+ noncambia significativamente durante il verificarsi delpotenziale d‛azione. Nel lungo tempo, tuttavia, gli ionisono mantenuti in equilibrio dalle pompe ioniche, il cuicompito è quello di espellere l‛eccesso di ioni sodio. Ilmeccanismo è comparabile a ciò che avviene quando,per una piccola falla nello scafo, si sgotta con unsecchio per mantenere in equilibrio la pressioneesterna dell‛acqua impedendo alla barca di affondare.Il potenziale d‛azione è un fenomeno elettrico, anchese complesso. Le sottili fibre nervose si comportanocome conduttori elettrici (anche se in modo moltomeno efficace di un unico grosso cavo): il potenzialed‛azione generato in un punto crea un gradiente divoltaggio tra la membrana attiva e quella a riposo adessa adiacente. In questo modo il potenziale d‛azione sipropaga attivamente come un‛onda di depolarizzazioneda un capo all‛altro della fibra nervosa.Una metafora utile per comprendere la conduzionedel potenziale d‛azione è quella dello spostamentodelle scintille lungo una girandola pirotecnica dopo cheè stata accesa ad una estremità. L‛innesco scatenauna rapida serie di scintille (che equivalgono al flussodi ioni attraverso la membrana dell‛assone nel sito diorigine del potenziale d‛azione), ma la successivapropagazione delle scintille è molto più lenta. Lacaratteristica stupefacente della fibra nervosa è che,dopo un breve periodo silente (periodo refrattario) lamembrana recupera la sua capacità di produrrescintille, rendendo l‛assone di nuovo pronto atrasmettere un nuovo potenziale d‛azione.Molte di queste conoscenze sono note da 60 anni e sibasano su mirabili esperimenti condotti su alcunecreature marine che hanno neuroni ed assoni giganti.Le grandi dimensioni di queste cellule hanno consentitoagli scienziati di introdurre al loro interno sottilielettrodi per misurarne le variazioni del voltaggioelettrico. Una moderna tecnica di registrazione, dettapatch-clamping permette oggi ai neuroscienziati distudiare il passaggio degli ioni attraverso i rispettivicanali in tutti i tipi di neuroni, ottenendo misure moltoaccurate dei potenziali in cervelli molto simili ai nostri.Isolare gli assoniLungo molti assoni, il potenziale d‛azione si trasmettecon una certa facilità ma non molto velocemente,mentre in altri salta letteralmente lungo il nervo. Ciò siverifica in quanto lunghe porzioni dell‛assone sonoavvolte da una sostanza lipidica isolante, composta dallamembrana stirata delle cellule gliali, la guaina mielinica.Frontiere della ricercaLe fibre nervose qui sopra (quelle viola costituiscono gliassoni) sono contenute dalle cellule di Schwann (in rosso)che isolano la conduzione elettrica del nervo dall‛ambientecircostante. I colori sono dovuti a sostanze fluorescentiche evidenziano un nuovo complesso proteico di recentescoperto, la disgregazione del quale causa una malattiaereditaria che provoca un‛atrofia muscolare.Nuovi studi descrivono le proteine che compongono laguaina mielinica. Questo strato isolante serve adimpedire che le correnti ioniche si disperdanoall‛esterno, ma lascia tuttavia scoperte piccole zone dimembrana dove si concentrano i canali ionici Na+ e K+.Questi agglomerati di canali ionici fungono daamplificatori che scatenano e mantengono il potenzialed‛azione come se saltasse realmente lungo il nervo avelocità anche molto elevata. Nelle fibre mieliniche,infatti, il potenziale d‛azione può raggiungere lavelocità di 100 metri al secondo!Il potenziale d‛azione ha la proprietà caratteristica diessere di tipo tutto-o-nulla: quello che varia non è lasua dimensione, ma la sua frequenza di scarica. Perquesto, l‛unico modo in cui una singola cellula puòcodificare la potenza o la durata di uno stimolo ètramite la variazione di frequenza del potenzialed‛azione. Gli assoni più rapidi possono condurre ilpotenziale d‛azione fino a frequenze di 1000 al secondo.Alan Hodgkin e AndrewHuxley hanno vinto il PremioNobel per la scoperta delmeccanismo di trasmissionedell‛impulso nervoso, utilizzandol‛ "assone gigante" del calamaroper le loro ricerche presso ilLaboratorio di biologia Marinadi Plymouth.6Siti Internet: http://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.htmlhttp://www.neuro.wustl.edu/neuromuscular/

Messaggeri chimiciIl potenziale d‛azione è trasmesso lungo l‛assone adun sito specializzato, la sinapsi, dove l‛assone entrain contatto con i dendriti di altri neuroni. La sinapsiè composta dalla terminazione nervosa presinapticaseparata da un sottile spazio dalla componentepostsinaptica, spesso localizzata su una spinadendritica. Le correnti elettriche responsabili dellapropagazione del potenziale d‛azione lungo l‛assonenon possono superare lo spazio intersinaptico. Latrasmissione attraverso di esso avviene per mezzodi messaggeri chimici detti neurotrasmettitori.Stoccaggio e rilascioIl trasmettitore chimico,impacchettato in vescicolesferiche, è disponibile al rilascionella giunzione sinapticaI neurotrasmettitori sono immagazzinati all‛estremitàdell‛assone in sacchettini sferici detti vescicolesinaptiche. Alcune vescicole servono per l‛accumulomentre altre, più vicine alla terminazione nervosa,servono per il rilascio del trasmettitore. L‛arrivo delpotenziale d‛azione provoca l‛apertura dei canali ionici el‛ingresso nella cellula del calcio (Ca++) che attiva deglienzimi operanti su varie proteine presinaptiche dainomi esotici quali “trappola”, “tagmina” e “brevina”;nomi adatti a personaggi di un moderno romanzo diavventura scientifica. I neuroscienziati hanno da pocoscoperto che si tratta di proteine vaganti che marcanoe intrappolano altre proteine, causando la fusione dellevescicole con la membrana, provocandone l‛apertura e ilconseguente rilascio del messaggero al suo esterno.Il messaggero diffonde poi attraverso lo spazio, ampio20 nanometri, della fessura sinaptica. Le vescicole siriformano dopo che le loro membrane sono state dinuovo inglobate nella terminazione nervosa, enuovamente riempite di neurotrasmettitore che verràsuccessivamente rilasciato in un continuo processo diriciclo. Non appena attraversato la spazio sinaptico, ilche avviene nel tempo sorprendentemente rapido dimeno di un millisecondo, il mediatore interagisce construtture molecolari specializzate, dette recettori,posti sulla membrana del neurone adiacente. Anche lecellule gliali se ne stanno in agguato nei pressi dellafessura sinaptica. Alcune possiedono dei microaspiratoripronti all‛uso, chiamati trasportatori, il cuicompito è quello di riassorbire il trasmettitore dallospazio sinaptico, in modo da liberare la via primadell‛arrivo del successivo potenziale d‛azione. Nullava sprecato: le cellule gliali metabolizzano iltrasmettitore e lo rimandano indietro per essere dinuovo stoccato nelle vescicole della terminazionenervosa e nuovamente riutilizzato. Le cellule gliali“spazzine” non sono l‛unico mezzo per eliminare ilneurotrasmettitore dalla sinapsi: a volte è il neuronestesso a ripompare direttamente indietro le molecolenella terminazione mentre altre volte iltrasmettitore viene frammentato nello spaziosinaptico da altre sostanze chimiche.Messaggeri che aprono i canali ioniciL‛interazione tra neurotrasmettitore e recettore èmolto simile a quella fra chiave e toppa. L‛adesionedel trasmettitore (la chiave) al recettore (la toppa),causa generalmente l‛apertura di un canale ionico;questo recettore è detto ionotropo (vedi Figura). Seil canale permette il passaggio di ioni positivi (Na+ oCa++), l‛ingresso di correnti positive provocaun‛eccitazione ed un‛oscillazione del potenziale dimembrana detta potenziale postsinaptico eccitatorio(epsp). Su di un neurone convergono molte sinapsi,alcune attive, altre no, in diversi istanti. Se la sommadei vari epsp raggiunge la soglia di scarica, si liberaun nuovo potenziale d‛azione e il segnale vienetrasferito all‛assone del neurone successivo, comeillustrato nel capitolo precedente.Recettore ionotropo Recettore metabotropicoTrasmettitore RecettoreRecettorTrasmettitoreTransmettitoTrasmettitor(ligando)RecettoreProteina-GRecettorMembranaPlasmaticaExtracellulareSecondoMessaggeroEffettoreEffettoreGli ioni (come il Na+ e il K+), passano attraverso il canale deirecettori ionotropi (a sinistra) che è costituito da cinque subunitàdisposte circolarmente. I recettori metabotropi (adestra) non possiedono invece canali, ma sono coniugati con laproteina-G all‛interno della membrana cellulare che consenteil passaggio dell‛informazione.7

Il principale neurotrasmettitore eccitatorio cerebraleè il glutammato. L‛estrema precisione dell‛attivitànervosa richiede che l‛eccitazione di alcuni neuroni siaaccompagnata dalla soppressione dell‛attività in altri.Questo è possibile grazie al fenomeno dell‛inibizione.Nelle sinapsi inibitorie, l‛attivazione dei recettoriporta all‛apertura di canali ionici che consentonol‛ingresso di ioni carichi negativamente che causanoun‛alterazione del potenziale di membrana dettapotenziale postsinaptico inibitorio (ipsp) (vedi Figura),che ostacola la depolarizzazione e l‛avvio di unpotenziale d‛azione nella cellula successiva. Esistonodue neurotrasmettitori inibitori: il GABA e la glicina.La trasmissione sinaptica è un processo molto rapido:il tempo che intercorre tra l‛arrivo di un potenzialed‛azione alla sinapsi e la generazione di un epsp nelneurone successivo è pari a 1/1000 di secondo. Diversineuroni devono sincronizzare il rilascio del glutammatoentro un breve spazio temporale per far sì che gliepsp del neurone successivo si sommino e diano l‛avvioa un nuovo impulso; anche l‛inibizione, per risultareefficace nel bloccare la trasmissione, deve agire intempi ristretti.Potenziale di membrana (mV)SogliaIl potenziale sinaptico eccitatorio (epsp) comportauna variazione del potenziale di membrana da -70 mVad un valore prossimo a 0 mV. Il potenziale sinapticoinibitorio (ipsp) ha l‛effetto opposto.Messaggeri modulatoriEccitazioneRiposoLe ricerche per identificare i neurotrasmettitorieccitatori ed inibitori hanno rivelato l‛esistenza dimolti altri composti chimici che vengono rilasciati dallecellule nervose. Molti di essi influiscono sui meccanismineuronali, interagendo con diversi gruppi di proteine dimembrana, dette recettori metabotropici. Questirecettori non contengono canali ionici, non sonostrettamente localizzati nella regione sinaptica e, cosapiù importante di tutte, non causano l‛avvio di unpotenziale d‛azione. Si ritiene che questi recettorisiano dei regolatori o modulatori della vasta gamma diprocessi chimici che avvengono all‛interno del neuronee, per questo motivo, il meccanismo d‛azione deirecettori metabotropici è definito neuromodulazione.I recettori metabotropici si trovano generalmenteriuniti in complessi agglomerati che mettono incomunicazione l‛esterno della cellula con gli enzimipreposti al metabolismo cellulare situati al suointerno. Quando un recettore metabotropicoriconosce e lega un neurotrasmettitore, attiva lemolecole ponte chiamate proteine G ed altri enzimilegati alla membrana. Il legame del trasmettitore alsito di riconoscimento metabotropico è comparabileall‛azione svolta da una chiave di accensione: non aprela porta agli ioni di membrana, come fanno i recettoriionotropi, ma mette in azione i secondi messaggeriintracellulari, scatenando una sequenza di eventibiochimici (vedi Figura). Si accende allora il motoredel metabolismo del neurone che comincia afunzionare. Gli effetti della neuromodulazioneconsistono in modificazioni dei canali ionici, deirecettori, dei trasportatori e persinodell‛espressione genica. Si tratta di cambiamentiinizialmente lenti ma più durevoli di quelli indotti daitrasmettitori eccitatori e inibitori e i loro effetti siripercuotono ben oltre la sinapsi: pur non dandoluogo a potenziali d‛azione, hanno importanti effettisull‛andamento degli impulsi nelle reti neurali.Identificare i messaggeriFra i molti messaggeri che agiscono sui recettoriaccoppiati alle proteine G vi sono l‛acetilcolina, ladopamina e la noradrenalina. I neuroni che rilascianoquesti trasmettitori, non solo hanno effetti diversisulle cellule ma possiedono anche un‛organizzazionestrutturale complessa in quanto, pur essendo pochi,proiettano diffusamente in tutto il cervello (vediFigura): nel cervello dell‛uomo vi sono soltanto 1600neuroni noradrenergici, che inviano i loro assoni intutte le aree cerebrali e nel midollo spinale. Questitrasmettitori non veicolano precise informazionisensoriali, ma regolano finemente alcuni nucleineuronali per ottimizzarne la prestazione.La noradrenalina viene rilasciata in risposta aglieventi nuovi o stressanti, e serve ad organizzare lerisposte dell‛individuo a queste sfide. Le reti hannoinfatti la necessità di “sapere” se l‛organismo è sottostress. La dopamina, agendo sui centri cerebraliassociati alle emozioni positive, rende gratificanti perl‛animale parecchie situazioni (vedi Capitolo 4).L‛acetilcolina, invece, sembra avere entrambi glieffetti: agisce sia sui recettori ionotropi che su quellimetabotropici. E‛ stato il primo trasmettitore avenire scoperto che utilizza un meccanismo ionico perinviare segnali dai motoneuroni alle fibre muscolaristriate, attraverso la giunzione neuromuscolare. Puòanche fungere da neuromodulatore, come quandovogliamo focalizzare l‛attenzione su qualcosa,modulando finemente i neuroni nel compito di coglieresolo le informazioni rilevanti.NoradrenalinaNoradrenalinaLe cellule secernenti noradrenalina sono situate nellocus coeruleus (LC). I loro assoni proiettano in tutto ilmesencefalo, all‛ipotalamo (Hyp), al cervelletto (C) e allacorteccia cerebrale.8Un ottimo sito web sulle sinapsi è: http://synapses.mcg.edu/index.asp

Droghe e cervelloMolte persone sembrano avere una continua voglia dialterare il proprio stato di coscienza con le droghe:alcuni assumono farmaci stimolanti per stare sveglie ballare tutta la notte, altri prendono sedativi percalmare i nervi o persino sostanze che consentanoloro di sperimentare nuovi stati di coscienza odimenticare i guai della vita quotidiana. Tutte lediverse droghe interagiscono in vario modo con ineurotrasmettitori e con gli altri messaggeri chimicicerebrali. In molti casi, fanno deragliare i sistemipreposti al piacere e alla ricompensa e ai processipsicologici che sottendono la fame e la sete, ilcomportamento sessuale, e persino l‛apprendimentoe la memoria.Assuefazione e dipendenzaAlcune droghe o farmaci che, portati dal flussoematico, agiscono a livello cerebrale, possono avere unvalore irrinunciabile, come gli anti-dolorifici, mentrel‛uso di sostanze per uso voluttuario ha finalità moltodiverse che spesso possono condurre a problemi diabuso. Chi le usa può facilmente divenirne fruitoreabituale o persino dipendente: ciò significa che andràincontro agli spiacevoli sintomi fisici e psichicidell‛astinenza quando ne interromperà l‛assunzione. Ladipendenza può condurre alla necessità di procurarsi inogni modo la sostanza anche se questo può comportareun danno per il lavoro, la salute e la famiglia. In casiestremi l‛utilizzatore può essere persino indotto adelinquere per procurarsi le sostanze.Per fortuna, non tutti coloro che assumono sostanze ascopo voluttuario ne divengono dipendenti. Le diversesostanze presentano un diverso rischio di dipendenza:alto nel caso di cocaina, eroina e nicotina, basso peralcol, cannabis, ecstasy e amfetamine. Quando si stasviluppando la dipendenza, il corpo e il cervello siadattano lentamente alla costante presenza dellasostanza, ma non è noto quali cambiamenti avvenganoesattamente a livello cerebrale. Anche se il sitod‛azione di eroina, amfetamina, nicotina, cocaina ecannabis è sostanzialmente diverso, tutte questesostanze condividono la capacità di promuovere ilrilascio di dopamina in determinate aree cerebrali.Non è necessario ipotizzare l‛esistenza di un vero eproprio meccanismo del “piacere”, anche se si ritieneche il rilascio di dopamina sia un‛importante tappanella via finale comune della “gratificazione” a livellocerebrale, e rappresenta il segnale che inducel‛individuo a continuare ad assumere la sostanza.Droghe: meccanismo d‛azione erischi dell‛assunzioneAlcolL‛alcol agisce sul sistema dei neurotrasmettitoricerebrali deprimendo gli stimoli eccitatori ed inibendol‛attività neuronale. La sua azione passa attraverso unostadio di rilassatezza e di buon umore, per poiprocedere verso la sonnolenza e la perdita dicoscienza. Per questo la polizia adotta misure severeverso chi guida dopo aver bevuto e si fa moltainformazione al riguardo. Molti diventano aggressivi eviolenti dopo aver bevuto, e circa un bevitore su diecidiviene un alcolista. L‛assunzione cronica di alcoldanneggia l‛organismo, in particolare il fegato e puòcausare danni cerebrali permanenti. Il bere ingravidanza mette a rischio di avere figli con dannocerebrale e basso QI. Più di 25.000 persone muoionoogni anno in Italia per malattie causate dall‛alcol.76%Tabacco32%92%Alcol15%46%Marijuana9%13%16%2%Percentuale di consumatori della sostanzaTranquillanti &Farmaci daprescrizioneCocainaEroina9%17%23%Percentuale di consumatori dipendenti9

Anche i fumatori di cannabis tendono a svilupparepneumopatie e sono a rischio di tumore polmonare,benché tale correlazione non sia stata ancora del tuttodimostrata. Circa un utilizzatore su dieci sviluppadipendenza, cosa di cui sono ben consci gli spacciatori.Un uso intenso e prolungato interferisce con la capacitàdi guida e con attività che richiedano concentrazione;alcuni studi hanno dimostrato che i consumatori dicannabis non sono in grado di svolgere compiti mentalicomplessi. Benché ancora da dimostrare, esistono delleevidenze che l‛utilizzo da parte di soggetti giovani esuscettibili possa slatentizzare una schizofrenia (p. 51).“Teschio con sigaretta accesa” di Vincent Van Gogh, 1885.NicotinaLa nicotina è la sostanza attiva presente in tutti iderivati del tabacco che agisce sui recettori cerebralidell‛acetilcolina stimolando i normali meccanismidell‛attenzione. Non stupisce quindi l‛affermazione deifumatori che la sigaretta li aiuti a concentrarsi edabbia anche un effetto rilassante. La nicotina dà peròuna forte dipendenza e molti fumatori incalliticontinuano a fumare soltanto per evitare gli spiacevolisintomi dell‛astinenza, mentre la sensazione di piacere èormai scomparsa da tempo. Anche se non sembranoesserci effetti deleteri a livello cerebrale, il fumo ditabacco è estremamente dannoso per i polmoni e lalunga esposizione ad esso può causare tumori polmonaried altre malattie cardiache e respiratorie: più di 90mila persone muoiono ogni anno in Italia per malattielegate al fumo di sigaretta.CannabisLa cannabis costituisce un vero e proprio rompicapo, inquanto agisce su quei sistemi cerebrali che impieganotrasmettitori chimici molto simili ad essa e che sonodeputati al controllo muscolare e alla regolazione dellapercezione dolorifica. Impiegata con prudenza e sottocontrollo medico, la cannabis può essere un farmacoefficace. Si tratta comunque di una sostanza tossicache può avere un effetto piacevole e rilassante e chepuò provocare uno stato onirico in cui la percezione deisuoni, dei colori e del tempo è debolmente alterata. Nonsono mai stati registrati decessi da sovradosaggio,anche se alcuni soggetti riferiscono di aver provatodegli spiacevoli attacchi di panico dopo il consumo diquantità ingenti della sostanza. In Italia, quasi un terzodegli studenti di scuola media superiore ha fatto almenouna volta uso di cannabis. Alcuni ritengono sia giustolegalizzarla, sottolineando così la differenza tra ilconsumo di essa e quello di altre droghe assai piùdannose. Purtroppo, come per la nicotina, il fumo è ilmodo più efficace per l‛assunzione e tramite esso siveicolano le stesse sostanze tossiche contenute nellasigaretta e nel tabacco.AmfetamineLe amfetamine sono composti di sintesi comprendenti“dexedrina”, “speed” ed “ecstasy”, un derivato dellametamfetamina. Agiscono a livello cerebrale causando ilrilascio di due neurotrasmettitori naturali: la dopamina(che spiega gli effetti di allerta e di piacere causatidalle amfetamine) e la serotonina (che si ritieneresponsabile del senso di benessere e dello statoonirico che può anche includere fenomeni allucinatori).Dexedrina e speed stimolano soprattutto il rilascio didopamina, l‛ecstasy quello di serotonina. Anche il piùpotente allucinogeno d-LSD agisce sui meccanismiserotoninergici cerebrali. Le amfetamine sono energicipsicostimolanti e possono essere dannose, soprattuttoad alte dosi. Studi su animali hanno dimostrato chel‛ecstasy può causare una riduzione prolungata, forsepermanente, delle cellule produttrici di serotonina.Questo giustificherebbe anche la “depressione di metàsettimana” sperimentata da chi assume ecstasy nel finesettimana. Ogni anno, dozzine di giovani muoiono dopoaver assunto ecstasy. Dopo l‛assunzione di dexedrina edi speed possono verificarsi episodi dissociativi di tiposchizofrenico. Alcuni assumono speed ritenendo chepossa essere d‛aiuto durante un esame, ma non è così.EroinaL‛eroina è un composto chimico di sintesi derivatodalla morfina, estratta dall‛oppio. Come la cannabis,potenzia il sistema cerebrale che utilizza i neurotrasmettitorinaturali noti come endorfine, importantinel controllo del dolore: i farmaci che mimano la loroazione sono molto utili nella pratica medica. L‛eroina,iniettata o fumata, provoca un‛immediata sensazionedi piacere, verosimilmente dovuta all‛effetto delleendorfine sui meccanismi di ricompensa. Dà una fortedipendenza e, quando questa si sviluppa, la sensazionedi piacere svanisce rapidamente e viene sostituitadalla pressante “necessità” di assumere la sostanza.L‛eroina è una droga molto dannosa che ha rovinato lavita a molte persone e che può causare la morte perarresto respiratorio anche a dosaggi molto modesti.CocainaLa cocaina è un altro derivato chimico vegetale che puòdare intense sensazioni di piacere ed agisce come unpotente psicostimolante. Come le amfetamine, aumentala disponibilità di dopamina e di serotonina a livellocerebrale ma, come l‛eroina è una droga molto dannosa.Chi ne è intossicato, specie se si tratta della formafumabile chiamata “crack”, può diventare violento edaggressivo oltre a correre un alto rischio di morte dasovradosaggio. La dipendenza è elevata e l‛alto costodella sostanza spinge spesso a delinquere chi la assume.10Siti Internet correlati: www.knowthescore.info, www.nida.nih.gov/Infofax/ecstasy.html,www.nida.nih.gov/MarijBroch/Marijteens.html

Tatto e DoloreIl tatto è un senso speciale (una stretta di mano,un bacio, una carezza) e ci fornisce il nostro primocontatto con il mondo. Schiere di recettori in tuttoil nostro corpo sono sintonizzati sulle diversemodalità della sensibilità somatica: tatto,temperatura, posizione del corpo ed altre ancora,come la sensazione di dolore. La capacitàdiscriminativa varia tra le diverse zone dellasuperficie corporea ed è particolarmente sviluppatain sedi come i polpastrelli delle dita. Anchel‛esplorazione attiva è molto importante, comeevidenziano le interazioni con il sistema motorio. Ildolore serve da avvertimento e da difesa dapotenziali danni per il nostro corpo. Ha un forteimpatto emozionale ed è soggetto a importantimeccanismi di controllo sia a livello somatico checerebrale.Corpuscolidi MeissnerAssoniDisco diMerkelGhiandola sudoriparaFibre terminali di RuffiniDiversi piccolissimirecettori sonoinclusi nel nostrorivestimento cutaneo.Tutto inizia nella cutecorpuscolo diPaciniIncorporati negli strati del derma della nostra pelle,sotto la superficie, vi sono molti tipi di piccolirecettori che prendono nome dagli scienziati che perprimi li hanno identificati al microscopio. I corpuscolidi Pacini e di Meissner, i dischi di Merkel e leterminazioni di Ruffini rilevano i vari aspetti dellasensibilità tattile. Tutti sono dotati di canali ionici chesi aprono in risposta alle sollecitazioni meccaniche chescatenano i potenziali d‛azione rilevabilisperimentalmente con sottili elettrodi. Alcuni anni fasono stati condotti dei mirabolanti esperimenti daparte di scienziati che hanno inserito degli elettrodinella propria cute per registrare il potenziale di unsingolo nervo. Da questi e da altri esperimenti suanimali anestetizzati, oggi sappiamo che i primi duetipi di recettori si adattano in fretta e rispondono allevariazioni rapide dello stimolo (senso di vibrazione).I dischi di Merkel rispondono bene allestimolazioni costanti della cute (senso di pressione),mentre le terminazioni di Ruffini rispondono allevariazioni lente.Un concetto importante circa i recettori somatosensitiviriguarda il campo recettivo. Si tratta di quella zona dicute entro cui un recettore risponde.I corpuscoli di Pacini hanno un campo recettivo moltopiù ampio di quelli di Meissner. Insieme, questi e gli altritipi di recettori ci assicurano di poter avvertire glistimoli sull‛intera superficie corporea. Una volta rilevatouno stimolo, i vari recettori mandano impulsi lungo i nervisensitivi che formano le radici posteriori del midollospinale. Gli assoni che collegano i recettori tattili almidollo spinale sono grosse fibre mielinizzate cheveicolano l‛informazione dalla periferia alla cortecciacerebrale in modo estremamente rapido. Il freddo, ilcaldo e il dolore sono invece rilevati da sottili assoni conterminazioni “nude” che trasmettono il segnale molto piùlentamente. I recettori termici mostrano anche ilfenomeno dell‛adattamento (vedi l‛esperimento nelriquadro). Esistono delle stazioni di relé a livello delmidollo e nel talamo, che proietta infine all‛area sensitivaprimaria della corteccia, la corteccia somatosensitiva. Inervi si incrociano sulla linea mediana cosicché il latodestro del corpo è rappresentato nell‛emisfero sinistro eil lato sinistro nell‛emisfero destro.Un esperimento sull‛ adattamentoalla temperaturaE‛ un esperimento semplicissimo. Occorre unabarra metallica lunga circa un metro, come unporta asciugamani, e due bacinelle d‛acqua, unacalda e una fredda. Mettete la mano sinistrain una bacinella e la destra nell‛altra etenetele entrambe immerse per almeno unminuto. Togliete quindi le mani dall‛acqua,asciugatele velocemente ed afferrate la barrametallica Le due estremità della barra visembreranno avere temperatura diversa.Perché?Le afferenze somatiche sono “mappate” in modosistematico sulla corteccia somatosensitiva in modo daformare una rappresentazione della superficiecorporea. Alcune parti del corpo, come la punta delledita e la bocca, hanno una maggiore densità di recettorie, in misura corrispondente, un maggior numero di nervisensitivi. Altre zone, come la schiena, possiedono unminor numero di recettori e di nervi. Ciò nonostante,nella corteccia somatosensitiva, la densità neuronale11

è uniforme. Per questo motivo la ‘mappa‛ della superficiecorporea sulla corteccia risulta molto distorta. Seesistesse realmente, quello che viene definito homunculussensitivo, sarebbe una persona dall‛aspetto grottesco.Ciascuno può verificare la diversa sensibilità nelle varieparti del corpo con il test di discriminazione dei duepunti. Sagomate ad U dei fermagli da carta, in modo chealcuni abbiano le estremità distanti 2-3 cm, altri molto piùvicine. Quindi, con una benda sugli occhi, chiedete ad unamico di toccare varie parti del vostro corpo con le puntedei fermagli. Sentite una punta o due? Sentite a volte unapunta quando, in realtà, siete stato toccato con due?Perché?L‛ homunculus. L‛ immagine corporea èrappresentata sulla superficie della cortecciasomatosensoriale in proporzione al numero direcettori presenti nelle singole parti del corpo.Si ottiene una figura molto distorta.Il fascino discreto della discriminazioneLa capacità di percepire dettagli fini varia enormementenelle diverse parti del corpo ed è massimamentesviluppata sulla punta delle dita e sulle labbra. La cute èabbastanza sensibile da percepire un punto in rilievo altomeno di un centesimo di millimetro, come accade allepersone non vedenti che leggono il Braille. Un settoremolto attivo di ricerca indaga come i diversi recettoricontribuiscano a compiti diversi come il discriminaretessuti differenti o identificare la forma di un oggetto.I tatto non è un senso passivo che risponde solo a ciò chericeve. Esso è anche coinvolto nel controllo attivo delmovimento. I neuroni della corteccia motoria checontrollano i muscoli del braccio che fanno muovere ledita ricevono afferenze sensoriali dai recettori tattiliposti sulla punta delle dita. Come meglio potrestericonoscere un oggetto che non facendolo scivolare sulpalmo della mano mettendo così in rapida comunicazione ilsistema sensitivo con quello motorio? Il dialogoincrociato tra i due sistemi inizia già alla prima stazione,posta a livello del midollo spinale, con l‛invio di un segnalepropriocettivo di ritorno ai motoneuroni, e prosegue atutti i successivi livelli del sistema somatosensitivo. Lacorteccia sensitiva primaria e quella motoria primariasono situate l‛una accanto all‛altra a livello cerebrale.L‛esplorazione attiva è cruciale per il tatto.Immaginate di dover discriminare sottili differenze ditessuto, come quelle tra materiali diversi o agranulosità differente. Quali di queste condizioniritenete possa dar luogo alla discriminazione più fine?• Posare la punta delle dita sui campioni in esame?• Sfiorare i campioni con la punta delle dita?• Avere un‛apparecchiatura che faccia scorrere icampioni sulle vostre dita?Il risultato di questi esperimenti apre la questione sudove le informazioni sensitive rilevanti venganoanalizzate a livello cerebrale. Le neuroimmaginifunzionali suggeriscono che l‛identificazione tattile disostanze o di oggetti coinvolga diverse regionicorticali. Le tecniche di visualizzazione cerebralestanno iniziando a fornire immagini della plasticitàcorticale mostrando come la rappresentazionecorporea a livello della corteccia somatosensorialepossa variare con l‛esperienza. I lettori non vedenti cheutilizzano il Braille, ad esempio, hanno una maggiorrappresentazione corticale del dito indice cheimpiegano per la lettura, mentre i chitarristi hanno unapiù ampia rappresentazione corticale delle dita dellamano sinistra.Il doloreBenché venga spesso classificato con il tatto come unaltro componente della sensibilità cutanea, quello deldolore è in realtà un sistema con funzioni moto diverseed un‛organizzazione anatomica molto differente. Lesue caratteristiche principali sono che è spiacevole,che varia grandemente da un individuo all‛altro e che, inmodo sorprendente, le informazioni veicolate dairecettori dolorifici forniscono scarsi dati sulla naturadello stimolo (esiste infatti poca differenza tra ildolore dovuto ad un‛abrasione e quello causato dallapuntura di un ago). Gli antichi Greci consideravano ildolore come un‛emozione piuttosto che come unasensazione.Registrazioni da singole fibre sensitive in animaliindicano risposte a stimoli che causano o costituisconopotenziali minacce di danno tessutale: forti stimolimeccanici (come un pizzicotto), calore intenso esvariati stimoli chimici. Questi esperimenti non cidicono però nulla circa la nostra esperienza soggettiva.Tecniche biomolecolari ci hanno svelato la struttura ele caratteristiche di un certo numero di nocicettori.Essi comprendono recettori che rispondono al caloresopra i 46° C, all‛acidità tessutale e, ancora una voltasorprendentemente, alla componente attiva delpeperoncino. I geni responsabili della risposta aglistimoli meccanici intensi non sono ancora statiidentificati ma è certo che esistano. Due classi di fibreperiferiche afferenti rispondono a stimoli nocicettivi:fibre mieliniche relativamente rapide, dette fibre A ,e fibre amieliniche lente e molto sottili, le fibre C.Entrambi i tipi entrano nel midollo spinale, doveformano sinapsi con diversi neuroni che proiettano allacorteccia cerebrale attraverso vie ascendentiparallele, una delle quali trasmette la localizzazione deldolore (come avviene per la sensibilità tattile), l‛altra èinvece responsabile del suo carattere emozionale.12

MorfinaMet-encefalinaIn questo processo sono coinvolti numerositrasmettitori chimici tra cui gli oppioidi endogeni comela met-encefalina. Essi agiscono sugli stessi recettoricui si lega la morfina, soppressore del dolore.Le vie ascendenti del dolore provenienti da unazona del midollo spinale (in basso) raggiungonovarie aree del tronco e della cortecciacompreso il cingolo anteriore (ACC) e l‛insula.Questa seconda via proietta ad aree diverse dallacorteccia somatosensitiva, fra le quali la cortecciacingolata anteriore e la corteccia dell‛insula. Inesperimenti di neuroimmagini rilevate sotto ipnosi, èstato possible separare la pura sensazione del doloredalla sua qualità di ‘fastidio‛.I soggetti, con le mani immerse in acqua bollente,tanto da provare dolore, sono stati sottoposti ad unasuggestione ipnotica di aumentata o diminuita intensitàdel dolore o del fastidio da questo provocata.Utilizzando la tomografia ad emissione di positroni(PET), si è visto che durante i cambiamenti dipercezione dell‛intensità del dolore avvenivaun‛attivazione della corteccia somatosensitiva, mentrel‛esperienza di fastidio era accompagnata daattivazione della corteccia cingolata anteriore.Vivere senza dolore?Considerando il nostro desiderio di evitare le fonti didolore, come il dentista, potreste credere che viveresenza dolore sarebbe un bene. Non è così. Una dellefunzioni chiave del dolore è insegnarci ad evitaresituazioni che provocano dolore. I potenziali d‛azionenelle vie nocicettive che giungono al midollo spinaleevocano riflessi automatici di difesa, come quello diallontanamento, e ci forniscono anche informazioniper imparare ad evitare situazioni pericolose.Un‛altra funzione chiave del dolore è l‛inibizionedell‛azione: il riposo dopo un danno tissutale consenteinfatti la guarigione. Naturalmente, in alcunesituazioni, è importante che l‛azione e la reazione difuga non vengano inibite. Per questo l‛evoluzione hafavorito i processi fisiologici che possono sia inibireche aumentare il dolore. Il primo di questimeccanismi modulatori ad essere scoperto è stato ilrilascio di analgesici endogeni. Per il verosimilerilascio di tali sostanze, in condizioni potenzialmentetraumatiche, come durante una battaglia, lapercezione del dolore viene soppressa in misurasorprendente. Esperimenti su animali hanno mostratoche la stimolazione elettrica di zone cerebrali quali ilgrigio periacqueduttale causa un innalzamento dellasoglia del dolore per mediazione di una viadiscendente dal mesencefalo al midollo spinale.Il fenomeno opposto di incremento della percezionedolorifica è detto iperalgesia. Esso causa unabbassamento della soglia e un aumento dell‛intensitàdel dolore. A volte si avverte come un ampliamento dellazona dolente o persino dolore in assenza di stimolinocicettivi. Questo può costituire una grave condizioneclinica. L‛iperalgesia coinvolge sia i recettori perifericiche fenomeni più complessi a vari livelli delle vienocicettive ascendenti. Questi comprendonol‛interazione chimica fra stimoli eccitatori e inibitori.L‛iperalgesia osservabile negli stati di dolore cronicoderiva da un aumento degli stimoli eccitatori e da unadepressione di quelli inibitori. Questo è per lo piùdovuto a mutamenti nella risposta dei neuroni cheelaborano le informazioni percettive. Modificazioniimportanti si verificano nelle molecole dei recettori chemediano l‛azione dei neurotrasmettitori. Ma nonostantei grandi progressi nella comprensione dei meccanismicellulari dell‛iperalgesia, il trattamento clinico deldolore cronico è ancora del tutto inadeguato..Frontiere della ricercaLa Medicina Tradizionale Cinese impiega l "agopuntura"per alleviare il dolore. Si utilizzano aghi sottili, inseritinella cute in punti particolari siti lungo i “meridiani”. Gliaghi vengono poi ruotati o fatti vibrare dal terapeuta.Questa tecnica è certamente in grado di alleviare ildolore ma, fin‛ora, nessuno ne sa spiegare il motivo.Quarant‛anni fa, in Cina, è stato istituito un laboratorio diricerca per scoprire come funziona l‛agopuntura. Irisultati emersi indicano che lo stimolo elettrico ad unadata frequenza di vibrazione innesca il rilascio di oppiodiendogeni detti endorfine, quali la met-encefalina, mentrelo stimolo ad un‛altra frequenza attiva un sistemasensibile alle dinorfine. Questi studi hanno condotto allosviluppo di un‛economica macchina per agopuntura (asinistra) che può essere usata a scopo analgesico invecedei farmaci. Due elettrodi vengono posizionati incorrispondenza dei punti "Heku" della mano (a destra), edun altro nel sito dolente.Vuoi saperne di più sull‛agopuntura?Vai al sito: http://acupuncture.com/Acup/AcuInd.htm13

VisioneGli esseri umani sono una specie altamente dipendentedal senso della vista, che usano per valutare il mondocircostante. Come gli altri primati hanno gli occhirivolti in avanti ed usano la vista per percepire glistimoli ambientali che provengono da parti lontane dalcorpo. La luce è una forma di energiaelettromagnetica che entra nell‛occhio ed agisce suifotorecettori posti sulla retina che avviano i processiattraverso cui vengono generati impulsi nervosi chepercorrono le reti neurali dedicate alla visione, ilcervello visivo. Esistono percorsi separati cheraggiungono il mesencefalo e la corteccia cerebralemediando diverse funzioni: la rilevazione e larappresentazione del movimento, le forme, i colori edaltri caratteri distintivi del mondo visibile. Alcuni diquesti meccanismi, ma non tutti, sono accessibili allanostra coscienza. Nella corteccia, i neuroni di areevisive distinte sono specializzati in diversi tipi difunzioni visive.Luce negli occhiLa luce entra nell‛occhio attraverso la pupilla e vienefatta convergere, dalla cornea e dal cristallino, sullaretina, che si trova sulla parete posteriore dell‛occhio. Lapupilla è circondata dall‛iride, pigmentata, che puòespandersi o contrarsi, rendendo la pupilla più grande opiù piccola al variare della quantità di luce incidente. Si èsoliti supporre che l‛occhio si comporti come unamacchina fotografica, che crea una sorta di “immagine”del mondo, ma questa è una metafora fuorviante sottomolti punti di vista. Anzitutto, non esistono immaginivisive statiche, dato che gli occhi si muovono incontinuazione. Inoltre, se un‛immagine formatasi sullaretina venisse inviata come tale al cervello, sarebbeallora necessario avere un altro omino dentro la testa,che possa osservare la seconda immagine! Per evitare lametafora di una serie infinita di persone dentro la testache guardano senza capire cosa stiano guardando,occorre considerare il vero problema che il cervellovisivo deve risolvere, ovvero come usare i messaggicriptati provenienti dagli occhi per interpretare il mondovisibile e prendere decisioni su di esso.Quando la luce converge sulla retina, i 125 milioni difotorecettori posizionati sulla sua superficie rispondonoalla sua presenza generando minuscoli potenzialielettrici. Questi segnali passano per via sinaptica in unarete cellulare posta nella retina, attivando le cellulegangliari retiniche i cui assoni si uniscono a formare ilnervo ottico che emerge dalla parete posterioredell‛occhio. Gli assoni entrano nel cervello, dovetrasmettono i potenziali d‛azione alle diverse regionivisive con differenti funzioni.LuceCellule GangliariCellule BipolariCellule OrizzontaliBastoncelliConiIridePupillaLenteCorneaRetinaNervo otticoCellule AmacrineFoveaNervo otticoRetinaMacchia ciecaSchema dell‛occhio umano. La luce che entranell‛occhio è messa a fuoco dal cristallino (lente)sulla retina, che si trova in fondo. I suoirecettori rilevano l‛energia luminosa e, con unprocesso di trasduzione, generano i potenzialid‛azione che viaggiano poi lungo il nervo ottico.La retina. La luce attraversa le fibre che dannoorigine al nervo ottico e una complessa rete di cellule(bipolari, amacrine, ecc.) per arrivare ai bastoncelli eai coni che si trovano nella sua parte posterioreQuesta prima parte del meccanismo della visione è benconosciuta. I fotorecettori più numerosi, dettibastoncelli, sono circa 1000 volte più sensibili alla lucedegli altri, molto meno numerosi, detti coni. In manieraapprossimativa, si può dire che di notte vediamo con ibastoncelli e di giorno con i coni. Esistono tre tipi di coni,sensibili a diverse lunghezze d‛onda della luce. Dire che iconi provocano la visione a colori è molto semplicistico,essi sono però essenziali per questo scopo. Se vengonosovraesposti alla luce di un solo colore, i pigmenti dei conisi adattano in modo da percepire subito dopo quel colorein minor misura anche se per breve tempo (vedi RiquadroEsperimento sull‛adattamento ai colori).14

Negli ultimi 25 anni, si sono fatte importanti scopertesul processo di fototrasduzione (la conversione dellaluce in segnali elettrici nei bastoncelli e nei coni), sullebasi genetiche della cecità ad alcuni colori (dovuta allamancanza di alcuni pigmenti), sul funzionamento delleconnessioni retiniche e sulla presenza di due diversi tipidi cellule gangliari. Circa il 90% di queste cellule sonomolto piccole, mentre un altro 5% è costituito da cellulepiù grandi, dette di tipo M, o magnocellulari. Vedremo inseguito come le anomalie nelle cellule di tipo M possanoessere all‛origine di alcune casi di dislessia (Capitolo 9).Un esperimento sull‛adattamento aicoloriFissa lo sguardo sulla piccola croce che si trovain mezzo ai due cerchi più grandi, per almeno 30secondi. Poi trasferisci lo sguardo sulla crocepiù in basso. I due cerchi “gialli” sembreranno dicolori diversi. Sai spiegartelo?sinistranucleogenicolatolateraleCampo visivocorteccia visivadestranervo otticochiasma otticovie direttealla cortecciaLe vie nervose che dall‛occhio conducono al cervello.Le sue cellule sono organizzate in colonne. Un concettoimportante circa la capacità reattiva delle cellule èquello di campo recettivo: la porzione di retina in cui lecellule rispondono ad un tipo specifico di immagine. InV1, dove avviene il primo stadio dell‛elaborazionecorticale, i neuroni rispondono meglio alla visione dilinee o margini con un particolare orientamento. È statoscoperto che tutti i neuroni che compongono ognisingola colonna rispondono maggiormente a linee omargini con un specifico orientamento, mentre lacolonna adiacente risponde meglio a linee o margini conun orientamento leggermente diverso dal precedente, ecosì via in tutta la superficie di V1. Questo significache le cellule della corteccia visiva hannoun‛organizzazione intrinseca per l‛interpretazione delmondo, che non è però un‛organizzazione statica. Lavarietà di direzioni alla quale una singola cellula puòessere reattiva viene modificata dall‛esperienza,attraverso i segnali che provengono dall‛occhio destro odall‛occhio sinistro. Come per tutti i sistemi sensoriali,la corteccia visiva manifesta anch‛essa quella capacitàche viene detta plasticità.Passi ulteriori nel processo visivoI due nervi ottici entrano nel cervello. Le fibre di ciascunnervo si incrociano in una struttura detta chiasma ottico;la metà di esse passa dal lato opposto e si unisce allametà delle fibre dell‛altro nervo che non si è decussata.Questi fasci di fibre, insieme, costituiscono i trattiottici, che contengono fibre provenienti da ambedue gliocchi e che si dirigono (passando tra l‛intrico di cellule esinapsi di una struttura chiamata nucleo genicolatolaterale) verso la corteccia cerebrale. Qui si formano le“rappresentazioni interne” dello spazio visibile che cicirconda. In modo analogo a quanto avviene per il tatto(Capitolo 5), la parte sinistra del mondo visibile vienerappresentata nell‛emisfero destro, e la parte destranell‛emisfero sinistro. La rappresentazione interna siforma a partire dalle informazioni provenienti da ciascunocchio: le cellule delle aree visive poste nella parteposteriore del cervello (dette V1, V2, ecc.) possonoquindi reagire in risposta ad un‛immagine che provengaindifferentemente da un occhio o dall‛altro. Questacapacità è detta binocularità.La corteccia visiva è costituita da numerose aree,ciascuna dedicata ad uno degli aspetti del mondo visibilequali la forma, il colore, il movimento, la distanza, ecc.DavidHubelTorstenWieselLe registrazioni elettriche delle cellule dellacorteccia visiva (a sinistra) da parte di DavidHubel e Torsten Wiesel ha rivelato alcunestupefacenti proprietà di queste cellule,come l‛orientamento selettivo, l‛ordinataorganizzazione colonnare e la plasticitàdell‛intero sistema. Queste scoperte hannoportato all‛assegnazione del Premio Nobel.15

Frontiere della ricercaUn cieco può vedere? Certamente no. Tuttavia, lascoperta di diverse aree visive cerebrali hadimostrato che alcune abilità visive si verificanoanche in assenza di consapevolezza. Persone cheabbiano subito un danno della corteccia visivaprimaria (V1) riferiscono di non poter vedere glioggetti nel loro campo visivo ma, quando richiesti diafferrare gli oggetti che dicono di non vedere, viriescono con precisione. Questo curioso edaffascinante fenomeno è noto come “cecitàcorticale” ed è verosimilmente dovuto a connessioniparallele tra gli occhi ed altre zone di corteccia.Il non rendersi conto di ciò che si vede è un fattocomune anche nei soggetti normali. Se statechiacchierando mentre guidate, la vostraattenzione è assorbita dalla conversazione, purtuttavia vi fermate ai semafori ed evitate gliostacoli. Questa capacità rappresenta una sorta dicecità corticale funzionale.L‛intricato insieme di circuiti della corteccia visiva è unodei grandi rompicapo dei neuroscienziati. Differenti tipidi neuroni sono disposti in sei strati corticali, connessi aformare precisi circuiti locali che solo ora iniziamo acomprendere. Alcune connessioni sono eccitatorie, altreinibitorie. Qualche neuroscienziato ha avanzato l‛ipotesiche esistano dei microcircuiti corticali canonici, come icircuiti integrati all‛interno di un computer. Non tuttisono d‛accordo. Si ritiene che i circuiti di un‛area visivaabbiano notevoli somiglianze con quelli di un‛altra, mapotrebbero esserci sottili differenze che riflettono idiversi modi in cui ciascuna informazione elementare delcervello visivo fornisce un‛interpretazione dei diversiaspetti del mondo visivo. Gli studi sulle illusioni ottichehanno inoltre fornito spunti circa il tipo di processi chepotrebbero avvenire passo a passo nell‛analisi visiva.La forma di questo famoso muro di un caffé diBristol (a sinistra) è rettangolare, anche se nonsembra. La disposizione degli elementi raffiguraticrea un illusione dovuta a complesse interazionieccitatorie ed inibitorie dei neuroni decodificantilinee e bordi. Il triangolo di Kanizsa (a destra) inrealtà non esiste, ma ciò non ci vieta di percepirlo!Il sistema visivo “decide” che c‛è un triangolobianco sopra gli altri elementi del disegno.Decisione e IndecisioneUna funzione chiave della corteccia cerebrale è lacapacità di sintetizzare ed elaborare informazionisensoriali provenienti da fonti diverse. La possibilità diprendere una decisione è parte essenziale di questacapacità. Questa parte del processo ha a che fare con ilpensiero e con il confronto con elementi già noti, ed èdetta “processo cognitivo”. I dati sensoriali disponibilidebbono essere valutati ed elaborati per formulare lascelta che meglio si adatti alla circostanza (ad esempio,muoversi o restare fermi).Solo macchie bianche e nere?All‛inizio è difficile identificareil profilo dell‛immagine. Madopo aver saputo che si trattadi un cane dalmata, la figura“emerge”. Il cervello visivo usale sue nozioni interne perinterpretare la scenapercepita.Esistono decisioni difficili che richiedono un ragionamentocomplesso ed altre che possono essere semplici edautomatiche. Persino le decisioni più semplici possono peròcoinvolgere la collaborazione fra informazioni sensoriali e ciòche già si sa. Un modo per cercare di comprendere le basineurali del processo di decisione potrebbe essere quello diregistrare l‛attività dei neuroni di una persona durante le suenormali attività quotidiane. Potremmo immaginare di essere ingrado di registrare, con una precisione di un millisecondo,l‛attività di ognuno dei 10 11 neuroni del cervello. In questomodo, non solo avremmo una quantità ingestibile di dati, maanche il compito di doverli interpretare, il che complicaulteriormente le cose. Per capirne il motivo, si pensi unistante al perché le persone compiono determinate azioni. Unapersona che vediamo camminare in una stazione ferroviariapotrebbe trovarsi là per prendere un treno, incontrarequalcuno che sta arrivando, o persino per fare dei graffiti suivagoni. Senza sapere quali siano le sue intenzioni, potrebberisultare difficile interpretare le correlazioni fra qualsiasimodalità di attivazione nel suo cervello ed il suocomportamento.Per questo motivo, ai neuroscienziati piace valutare ilcomportamento in situazioni tenute sotto un preciso controllosperimentale. Questo può essere ottenuto mettendo a puntoun compito specifico, assicurandosi che i soggetti lo eseguanoal meglio delle loro possibilità dopo un intenso allenamento, etenere infine sotto controllo l‛esecuzione del compito. Ilcompito meglio configurato per capire cosa sta succedendodeve avere la caratteristica di essere sufficientementecomplesso da essere interessante, ma anche abbastanzasemplice da offrire la possibilità di essere eseguito. Un buonesempio è costituito dal processo decisionale sullecaratteristiche di due stimoli visivi – generalmente non più didue – che comporta una semplice risposta (ad esempio, qualesorgente luminosa è più intensa, o quale la più estesa). Benchési tratti di un compito semplice, per eseguirlo viene attivatoun ciclo completo del processo decisionale. L‛informazionesensoriale viene acquisita ed analizzata; vi sono rispostecorrette e sbagliate per la decisione che viene presa; si puòpensare di assegnare una ricompensa a seconda che il compitovenga eseguito in maniera corretta o meno. Questo tipo diricerca è una sorta di “fisica della visione”.Decisioni su Movimento e ColoriUn argomento attuale e di grande interesse è come i neuronisiano coinvolti nel prendere decisioni sulla visione delmovimento. Sapere se un oggetto si sta muovendo o no, ed inquale direzione, è importante per gli esseri umani e per tuttigli altri esseri viventi. Il movimento relativo indicageneralmente che un oggetto è differente dagli altri che glistanno attorno. Le regioni del cervello visivo che sonocoinvolte nell‛elaborazione delle informazioni sul movimentopossono essere identificate come regioni anatomicamentedistinte esaminando i percorsi delle fibre e le connessioni frale varie aree cerebrali mediante tecniche di “neuroimmagine”nell‛uomo (vedi Capitolo 14) o registrando l‛attività di singolineuroni negli altri animali.16

AParietaleBdorsaleanterioreCTemporalecoerenza 0% coerenza 50% coerenza 100%DProporzione dipreferenzadecisionaleCoerenza (%)Percezione del movimento. A. Vista laterale di cervello di scimmia con la corteccia visiva primaria (V1) a sinistra e l‛areaMT (chiamata anche V5) dove si trovano i neuroni che percepiscono gli oggetti in movimento. B. Attività elettrica(potenziali d‛azione: linee verticali) di un neurone che percepisce uno stimolo (barra bianca) che si muove da sud-est anord-ovest, ma non in direzione opposta. C. Stimoli utilizzati negli esperimenti sulla percezione del movimento, dove icerchietti si muovono in tutte le direzioni (0% di coerenza) o in una sola direzione (100% di coerenza). D. La capacitàdella scimmia di indicare la direzione più probabile aumenta con la coerenza del loro movimento (linea gialla). Lamicrostimolazione elettrica delle colonne di diverso orientamento sposta la linea della stima della direzione (linea blu).L‛attività elettrica dei neuroni in una di queste aree,detta area MT o anche V5, è stata registrata nellascimmia mentre eseguiva un semplice compito didecisione sul percorso di un insieme di punti inmovimento. La maggior parte dei punti veniva fattamuovere in maniera casuale in diverse direzioni, mentresolo alcuni si spostavano costantemente in una stessadirezione – verso l‛alto, verso il basso, a destra o asinistra. L‛osservatore doveva giudicare quale fosse ladirezione del movimento preferenziale di tuttol‛insieme. Il compito poteva essere reso molto semplice,aumentando la percentuale di punti che si muovevanouniformemente, o più difficile riducendo questapercentuale. Il risultato di questo esperimento è chel‛attività delle cellule in V5 riflette accuratamentel‛intensità del segnale fornito dal movimento uniforme.I neuroni in quest‛area rispondono selettivamente aparticolari direzioni di movimento, aumentandosistematicamente ed accuratamente la loro attivitàquando aumenta la percentuale di punti che si spostanonella direzione preferenziale delle cellule neuronali.Sorprendentemente, alcuni neuroni singoli riescono adidentificare il movimento dei puntini come fa unosservatore, sia esso una scimmia o un essere umano,compiendo una scelta decisionale. La microstimolazionedi questi neuroni attraverso l‛elettrodo che si usanormalmente per la registrazione può persinoinfluenzare il giudizio della scimmia sullo spostamentorelativo. Questo è insolito, poiché un gran numero dineuroni è sensibile alla osservazione del movimento e cisi potrebbe aspettare che la decisione sia basatasull‛attività di molti neuroni anziché soltanto di pochi.Le decisioni relative al colore procedono in manierasimile (vedi riquadro Frontiere della Ricerca).Il cubo di Necker è un‛immagine percettivamentereversibile. L‛immagine sulla retina non cambia, ma il cubopuò essere visto con l‛angolo in alto a sinistra sia vicinoall‛osservatore che in profondità. A volte, ma raramente,può essere anche visto come una serie di linee che siincrociano su una superficie piana. Esistono molti tipi difigure reversibili, alcune delle quali sono state utilizzateper esplorare i segnali nervosi che vengono coinvolti quandoil cervello visivo prende decisioni su quale configurazionesia dominante in ogni movimento.17

Frontiere della ricercaCellule sensibili ai colori. Alcuni neuroni mostrano attività elettriche diverse a seconda della lunghezza d‛onda della luce. Alcunirispondono meglio alle onde lunghe, altri a quelle corte. Si potrebbe pensare che ciò sia sufficiente a percepire i colori, ma non èsempre così. Si paragoni l‛attività della cellula a sinistra con quella della cellula a destra. Qual è la differenza?Sotto è riportata una rappresentazione di uno sfondo colorato chiamato Mondrian (dall‛artista Peter Mondrian). Può essereilluminato con differenti combinazioni di onde lunghe, medie e corte, così che ogni pannello colorato rifletta esattamente la stessamiscela luminosa: ciò nonostante si continuerebbero a percepire colori diversi a causa della presenza dei pannelli circostanti.grigiorossobluverdeverdeblurossoSinistra. La cellula a sinistra, registrata in V1, risponde più omeno allo stesso modo in tutti i casi. Non “percepisce” i colori:semplicemente risponde alle identiche miscele di lunghezzed‛onda riflesse da ciascun pannello.gialloDestra. Una vera cellula sensibile ai colori dell‛area V4risponde bene a un‛area del Mondrian che viene percepitarossa, ma molto meno agli altri pannelli. La diversità dirisposta si verifica anche quando la stessa tripletta dilunghezze d‛onda è riflessa da ciascun pannello. V4 può quindiessere la parte del cervello che consente di percepire i colori,anche se alcuni neuroscienziati ritengono che non sia l‛unica.Vedere per CredereL‛area V5 fa qualcosa di più della sola ricognizione delmovimento di uno stimolo visivo, essa registra anche lapercezione del movimento. Usando alcuni trucchi visivi perfar sembrare che un gruppo di puntini si stia spostando inuna direzione muovendo opportunamente i puntinicircostanti, fornendo dunque l‛illusione del movimento, siosserva che i neuroni corrispondenti all‛area dell‛illusioneinviano segnali differenti se lo spostamento illusorio èpercepito verso sinistra o verso destra. Se il movimento ècompletamente casuale, i neuroni che normalmentepreferiscono lo spostamento verso destra si attiveranno unpo‛ di più se l‛osservatore riferisce che il movimento casualedei puntini sembra andare complessivamente verso destra (eviceversa). Le differenze fra le decisioni neuronali di“movimento verso destra” o “verso sinistra” riflettono ilgiudizio dell‛osservatore sulla modalità del moto, non lanatura assoluta del moto che viene presentato.Altri esempi di decisione o indecisione visiva includono lereazioni alla percezione di oggetti ambigui, come ilcosiddetto cubo di Necker (vedi Figura). Con questo tipo distimolo, l‛osservatore è posto in uno stato forzato diindecisione e fluttua continuamente fra un‛interpretazione el‛altra. Un simile conflitto interiore si può sperimentareguardando un gruppo di linee verticali con l‛occhio sinistromentre con l‛occhio destro si guardano delle lineeorizzontali. La percezione risultante è detta rivalitàbinoculare, poiché l‛osservatore riferisce inizialmente divedere soprattutto linee verticali, poi orizzontali e poinuovamente verticali. Di nuovo, i neuroni in diverse areedella corteccia visiva reagiscono diversamente quando lapercezione dell‛osservatore cambia da orizzontale averticale e viceversa.Il nostro mondo visibile è affascinante. La luce ci permettedi apprezzare il mondo intorno a noi, dai semplici oggettialle opere d‛arte che ci abbagliano ed incantano. Milioni emilioni di neuroni, che vanno dal fotorecettore retinico cherisponde ad un puntino luminoso al neurone in area V5 chedecide se qualcosa nel mondo visibile si sta muovendo sonocoinvolti con diversi ruoli. Tutto ciò avviene apparentementesenza sforzo nel nostro cervello. Non siamo ancora in gradodi capire tutto questo, ma i neuroscienziati ci stannolavorando e progrediscono a grandi passi.Colin Blakemore ha contribuito allacomprensione di come il sistema visivosi sviluppi, compiendo studipionieristici con culture cellulari perstudiare le interazioni fra porzionidiverse delle vie nervose nel cervellodell‛embrione (a sinistra). A destrasono mostrati assoni (colorati inverde) che scendono dalla cortecciaverso altre fibre (colorate inarancione) e che “si stringono la mano”prima di salire verso la corteccia.18Siti Internet: faculty.washington.edu/chudler/chvision.htmlhttp://www.ncl.ac.uk/biol/research/psychology/nsg

MovimentoPensate di afferrare una palla. Può sembrarefacile ma, anche per eseguire il movimento piùsemplice, il cervello deve compiere degli importantipassaggi. Diamo tutto per scontato, ma ènecessario una pianificazione: la palla sarà pesanteo leggera? Da quale direzione proviene e a qualevelocità? Ci vuole coordinazione: come possiamoatteggiare automaticamente le braccia perafferrare e qual è il modo migliore? C‛é poil‛esecuzione: le braccia sono al posto giusto e ledita si chiudono nel momento esatto? Ineuroscienziati sanno che sono molte le areecerebrali coinvolte. L‛attività neurale in queste areeforma una lunga catena di comandi, una gerarchiamotoria, dalla corteccia cerebrale e dai gangli dellabase fino al cervelletto e al midollo spinale.La giunzione neuromuscolareAll‛estremo inferiore della gerarchia motoria, nelmidollo spinale, centinaia di cellule specializzate, imotoneuroni, aumentano la loro frequenza di scarica.I loro assoni proiettano ai muscoli, dove attivano lefibre muscolari contrattili. I rami terminali degliassoni di ogni motoneurone formano particolarigiunzioni neuromuscolari con un numero limitato difibre di ciascun muscolo (vedi Figura sottostante).Ogni potenziale d‛azione di un motoneurone causa ilrilascio di un neurotrasmettitore dalla terminazionenervosa e genera un potenziale d‛azione nella fibramuscolare corrispondente. Ciò provoca il rilascio diioni Ca 2+ dai depositi intracellulari di ogni fibramuscolare che, a sua volta, innesca la contrazionedelle fibre stesse, producendo forza e movimento.Per far contrarre i muscoli, i nervi formano deicontatti specializzati con le singole fibre allagiunzione neuromuscolare. Molteplici fibrenervose si dirigono ad ogni fibra muscolare ma,per la competizione tra i vari neuroni, vengonotutte eliminate tranne una. Questa fibra puòallora rilasciare il suo neurotrasmettitore(l‛acetilcolina) attivo sui recettori molecolarispecializzati della “placca motoria” (colorata inrosso). L‛immagine è stata ripresa con unmicroscopio con focale.Grado di forzaSegnale EMGRegistrazione dell‛attività elettrica di un muscolo(attività elettro-miografica o EMG).Gli eventi elettrici nei muscoli del braccio possonoessere registrati anche attraverso la cute medianteun amplificatore Questa registrazioneelettromiografica (EMG) misura il livello di attività inciascun muscolo (vedi Figura soprastante).Il midollo spinale gioca un ruolo importante nelcontrollo muscolare attraverso svariate vie riflesse,tra le quali figurano i riflessi di allontanamento, che ciproteggono dal contatto con oggetti appuntiti oincandescenti, e i riflessi di stiramento, importanti peril mantenimento della postura. Il noto “riflessorotuleo”, di percussione del ginocchio col martellettoè un esempio di riflesso di stiramento alquantospeciale che coinvolge solo due tipi di neuroni: quellisensitivi che segnalano la lunghezza del muscolo e chesono connessi attraverso sinapsi ai motoneuroni cheprovocano il movimento. Questi riflessi, unitamente adaltri più complessi, formano i circuiti spinali cheorganizzano comportamenti più o meno evoluti, come imovimenti automatici degli arti durante il cammino o lacorsa, che prevedono una stimolazione ed un‛inibizionecoordinata dei motoneuroni.I motoneuroni sono la via finale comune diretta aimuscoli che muovono le nostre ossa. Il cervello haperò un grande problema nel controllare l‛attività diqueste cellule: quali muscoli deve muovere percompiere una data azione, di quanto e in che ordine?Il vertice della gerarchia: lacorteccia motoriaAll‛estremità opposta della gerarchia motoria, nellacorteccia cerebrale, un enorme numero di calcoli deveessere eseguito, da parecchie decine di migliaia dicellule, per ciascuna componente del movimento. Questicalcoli assicurano che il movimento sia compiuto conabilità e precisione. Tra la corteccia cerebrale e i19

Corteccia parietaleCorteccia motoriaCorteccia premotoriaUn esperimento sul movimentoCervellettoGangli della base (all‛interno)Le varie aree cerebrali coinvolte nel controllodel movimento.motoneuroni del midollo spinale, alcune aree cruciali deltronco encefalico assemblano le informazioniriguardanti gli arti e i muscoli che salgono dal midollospinale con quelle che discendono dalla cortecciacerebrale.La cortecia motoria è una sottile striscia di tessuto checorre sulla superficie del cervello, proprio al davantidella corteccia somatosensitiva (vedi pag. 12). Qui èrappresentata l‛intera immagine corporea: i nervi checausano i movimenti degli arti (attraverso leconnessioni con i motoneuroni del midollo spinale) hannouna distribuzione topografica. Utilizzando un elettrododi registrazione, in questa zona di corteccia si possonotrovare neuroni che scaricano a circa 100 millisecondiprima di trasmettere l‛impulso ai muscoli. Ciò che vienecodificato nella corteccia motoria è da tempo oggettodi dibattito: le cellule corticali codificano le azioni cheuna persona intende compiere o inviano semplicementeimpulsi ai singoli muscoli che debbono essere contrattiper eseguire l‛azione? La risposta è in realtà moltodiversa: i singoli neuroni non soddisfanno nessuna delledue ipotesi. Esiste invece un codice di popolazione incui le azioni vengono specificate dalla scarica di uninsieme di neuroni.Davanti alla corteccia motoria sono situate le aree premotorieimplicate nella pianificazione delle azioni, nellapreparazione dei circuiti spinali e nell‛elaborazione deiprocessi che stabiliscono una connessione tral‛osservazione di un movimento e la comprensione di ungesto. Tra le nuove scoperte va annoverata quella deineuroni specchio che, nella scimmia, si attivano siaquando l‛animale vede sia quando esegue un movimentodi una mano. I neuroni specchio sono importanti sianell‛imitazione che nella comprensione delle azioni.Dietro la corteccia motoria, nella corteccia parietale,numerose altre aree sono sede della rappresentazionespaziale del corpo e degli stimoli visivi e uditiviprovenienti dall‛ambiente. Esse sembrano avere unamappa di dove si trovano i nostri arti e di dove sianoposti gli stimoli interessanti. Un danno di queste aree,Chi ti muove? Fai questa prova con un amico.Solleva con il palmo della mano destra un libroabbastanza pesante. Solleva poi il libro dallamano destra con la sinistra. L‛obiettivo è tenereferma la mano destra! Sembrerebbe facile. Oraprova di nuovo, tenendo la mano immobile,mentre il tuo amico solleva il libro dal tuo palmo.In pochi vi riescono. Non preoccuparti.,occorrono molte prove per riuscire anche soload avvicinarsi al risultato conseguito quando haieseguito l‛esperimento da solo.L‛esperimento dimostra che le areesensorimotorie del tuo cervello conosconomeglio ciò che fai interamente da solo rispettoa ciò che apprendi quando sono altri ad attivareil tuo movimento.come ad esempio dopo un ictus, può provocarel‛incapacità di afferrare un oggetto o persino lanegligenza di una parte dell‛ambiente circostante. Ipazienti affetti da negligenza parietale non vedonogli oggetti posti da un lato (spesso alla propriasinistra) e a volte ignorano persino la parte sinistradel proprio corpo.I gangli della baseI gangli della base sono un insieme di areeinterconnesse situate nella profondità degli emisfericerebrali. Esse sono cruciali per dare l‛avvio almovimento, anche se non è per nulla chiaro come“…I neuroni specchio saranno per la psicologia ciò che il DNA è stato perla biologia: forniranno una cornice unificatrice per consentire laspiegazione delle facoltà mentali che sono finora rimaste inaccessibilialla sperimentazione. Essi costituiscono il grande balzo in avantinell‛evoluzione del cervello dei primati”. V.S. Ramachandran20

esse agiscano in questo senso. I gangli della basesembrano agire come una sorta di filtro, che selezionale informazioni fra l‛enorme numero di impulsi chericeve dalla metà anteriore della corteccia (dalle areesensitive, motorie, prefrontali e limbiche). Gli impulsi inuscita dai gangli della base tornano alle aree motoriecorticali.Un disturbo del movimento molto diffuso, il morbo diParkinson, è caratterizzato da tremore e difficoltà adiniziare il movimento, come se il filtro selettivo deigangli della base fosse bloccato. Il problema consistenella degenerazione dei neuroni nell‛area cerebraledetta substantia nigra (perché appare nera) i cuilunghi assoni efferenti rilasciano il neurotrasmettitoredopamina a livello dei gangli della base (vedi il riquadroFrontiere della ricerca). L‛esatta distribuzione degliassoni dopaminici sui neuroni dei gangli della base èmolto intricata, il che suggerisce una complessainterazione fra vari neurotrasmettitori. La terapiafarmacologia con L-Dopa, che il cervello converte indopamina, ripristina i livelli del neurotrasmettitore econsente di nuovo il movimento (vedi Capitolo 16).I gangli della base sono ritenutiimportanti anche per l‛apprendimentomotorio, consentendo la scelta di azioniche portano ad una gratificazione.A tutti questi stadi è necessario integrare leinformazioni sensitive nel flusso di segnali diretti aimuscoli..Una cellula di Purkinje del cervelletto che mostra l‛estesa‘ramificazione‛ del suo albero dendritico. Essa serve perricevere la miriade di impulsi necessari per la precisa edabile pianificazione dei movimenti che stiamo imparando.Il cervellettoIl cervelletto è cruciale per i movimentiabili e coerenti. E‛ una splendidamacchina neuronale la cui intricataarchitettura cellulare è stata mappatacon gran precisione. Come i gangli dellabase, è strettamente collegato con learee corticali deputate al controllomotorio, ma anche con le strutture deltronco encefalico. Un danno alcervelletto porta a movimenti pococoordinati, perdita di equilibrio, parolaabburattata e difficoltà cognitive. Visembra familiare? L‛alcol ha un effettonotevole sul cervelletto.Il cervelletto è fondamentale ancheper l‛apprendimento motorio e perl‛adattamento. Quasi tutte le azioni volontarie si fondanosu un fine controllo dei circuiti motori e il cervellettoprovvede al loro aggiustamento ottimale, come ad esempioalla loro temporizzazione. La sua struttura corticale èmolto regolare e sembra essersi evoluta per coordinarele varie informazioni provenienti dalle aree sensitive,motorie, spinali e del tronco. L‛acquisizione di abilitàmotorie dipende da un meccanismo di apprendimentocellulare detto depressione a lungo termine (LTD) cheriduce la forza di alcune connessioni sinaptiche (vedi ilcapitolo Plasticità). Esistono numerose teorie sulfunzionamento del cervelletto: molte ritengonoche generi un “modello” di come funziona il sistemamotorio, una sorta di realtà virtuale del nostro corpodentro la nostra testa. Il modello è costruito utilizzandola plasticità sinaptica che è intrinseca nelle sue intricatereti. Ora provate ad afferrare nuovamente la palla ecapirete come tutti i livelli della gerarchia motoria sonocoinvolti in questo gesto: dalla pianificazione dell‛azionein rapporto al bersaglio visivo, alla programmazione deimovimenti degli arti, fino agli aggiustamenti posturaliriflessi delle braccia.Gangli della baseSNFrontiere della ricercaputamencaudatoSubstantianigra (SN)terminazionicorticaliafferenzedopaminergiche10.000terminazionicorticali1000 sinapsidopaminergichesulle spinedendriticheneuronistriataliLa chimica dell‛azione e del comportamento coinvolge ancheil neurotrasmettitore dopamina, rilasciato dai neuroni deigangli della base, dove agisce sui recettori metabotropici(Capitolo 3) sia come stimolo all‛azione che come segnale diricompensa dopo un‛azione adeguata. Una scopertainteressante è che il rilascio di dopamina è maggiore quandola ricompensa è inattesa, ovvero i neuroni dopaminergiciscaricano di più durante l‛apprendimento, quando è utiledare un rinforzo al sistema motorio per aver trasmesso ilgiusto segnale. I movimenti possono venire allora collegatiin sequenza tramite il rilascio in successione di scariche didopamina. In seguito, quando le sequenze motorie divengonoabituali, il sistema funziona liberamente senza il compensodella dopamina. A questo punto, se i movimenti sono statiben temporizzati, entra in gioco il cervelletto.Impara come i neuroscienziati hanno scoperto i meccanismi del controllo del movimento al sito:http://www.pbs.org/wgbh/aso/tryit/brain/21

Sviluppo delSistema NervosoLa struttura di base del cervello é teoricamenteidentica in ciascuna persona e apparentemente similein tutti i mammiferi. E‛ in gran parte geneticamentedeterminata ma i fini dettagli delle sue connessionisono influenzati dall‛attività elettrica cerebrale,soprattutto nei primi momenti di vita. La suacomplessità è tale che siamo ancora molto distantidal comprendere appieno lo sviluppo del cervelloanche se, in epoca recente, chiari indizi sono emersia seguito della rivoluzione genetica.Prendi un uovo fertilizzato esegui le istruzioniIl corpo umano e il cervello si sviluppano da un‛unicacellula, l‛uovo fertilizzato. Ma come accade? Il principiocardine della biologia evolutiva è che il genoma è uninsieme di istruzioni per creare gli organi del corpo,non una carta copiativa. Il genoma è composta da circa40,000 geni che orchestrano tale processo. Portare atermine queste istruzioni è un po‛ come l‛arte cinese dipiegare la carta, dove un numero limitato di modi dipiegatura produce una struttura che potrebbe essererappresentata solo da molti disegni. A partiredall‛embrione, un numero relativamente piccolo diistruzioni genetiche è in grado di produrre un‛enormevarietà di cellule e connessioni cerebrali durante losviluppo.Sorprendentemente, condividiamo molti dei nostri genicon il moscerino della frutta, la Drosophila. E‛ propriograzie agli studi sul moscerino della frutta che è stataindividuata la maggior parte dei geni fondamentali perlo sviluppo del sistema nervoso dell‛uomo. Ineuroscienziati che studiano lo sviluppo cerebraleesaminano molti animali (pesce zebra, rana, pulcino etopo) ciascuno dei quali offre dei vantaggi nell‛esamedi particolari eventi molecolari o cellulari. L‛embrione dipesce zebra è trasparente e consente di osservare almicroscopio ogni sua cellula durante lo sviluppo. Il toposi riproduce in fretta e il suo genoma è stato quasi deltutto mappato e sequenziato. Pulcini e rane sono menoutili ma i loro grandi embrioni permettono manipolazionimicrochirurgiche per esaminare cosa succede quandoalcune cellule migrano in posizioni anomale.Primi passi…ACBDEFIl primo passo nello sviluppo cerebrale è la divisionecellulare. Un altro punto chiave è la differenziazionecellulare, quando le singole cellule smettono didividersi ed assumono caratteristiche specifiche comequelle dei neuroni o delle cellule gliali. Ladifferenziazione causa una riorganizzazione spaziale.Diversi tipi di neuroni migrano in diverse sedi in unprocesso detto di formazione della trama.Il primo evento saliente nella formazione della tramaavviene durante la terza settimana della gestazioneumana, quando l‛embrione è formato solo da un doppioLa placca neurale si ripiega nel tubo neurale. A. Unembrione umano a 3 settimane dal concepimento.B. La placca neurale forma la superficie superiore(dorsale) dell‛embrione. C. Pochi giorni dopo, sisviluppanp le amplie pliche frontali (anteriori). Laplacca neurale rimane aperta ad entrambe leestremità ma si chiude nel mezzo. D, E, F. Varilivelli dell‛asse cranio-caudale che mostrano idiversi stadi di chiusura del tubo neurale.22

foglietto di cellule in divisione. Un gruppetto di cellulesulla superficie superiore del doppio foglio contiene leistruzioni per formare l‛intero cervello e il midollospinale. Queste cellule compongono una struttura aforma di racchetta da tennis detta placca neurale, lacui parte anteriore darà origine al cervello mentre laparte posteriore diverrà il midollo spinale. I segnaliche dirigono queste cellule provengono dal fogliettosottostante che darà origine allo scheletro e aimuscoli assiali dell‛embrione. Le diverse regioniesprimono diversi insiemi di geni che determinano losviluppo delle varie aree cerebrali, il telencefalo, ilmesencefalo e il romboencefalo, con distinte funzionie diversa architettura cellulare.Si continua arrotolandosiUna settimana dopo, la placca neurale si arrotola informa di tubo, si approfonda e viene avvolta da quellache sarà la futura epidermide. Nelle settimane seguentisi verificano ulteriori profondi cambiamenti compresimutamenti di forma, divisioni, migrazioni e adesionicellulari. Il tubo neurale, ad esempio, si piega fino a chela regione cefalica si trova ad angolo retto rispetto aquella del tronco. Questo rimodellamento prosegue aplacca neuralecresta neuraleBA26 giorniB28 giorniDC35 giorniED49 giorniFLa morfogenesi del cervello umano fra (A) 4 setttimane e(D) 7 settimane dopo il concepimento. Le diverse regioni siespandono e si formano varie pliche lungo l‛asse craniocaudale.23

livelli sempre più raffinati, fino a conferire un‛ identitàindividuale ai nuovi neuroni. Le cose possono però andarmale. Una mancata chiusura del tubo neurale causa laspina bifida, una condizione solitamente limitata altratto finale del midollo spinale che, benché invalidante,non costituisce un rischio per la vita. D‛altro canto, lamancata chiusura del tratto craniale può esitare nellacompleta mancanza di un cervello, una condizione notacome anencefalia.Impara il tuo posto nella vitaChemiorepulsione(semaforine)Chemioattrazione(netrine)Coni dicrescitaIl principio sottostante la formazione della trama èche le cellule imparano la loro posizione rispetto agliassi principali del sistema nervoso: antero-posterioree supero-inferiore. Di fatto, ogni cellula calcola lapropria posizione rispetto a queste coordinateortogonali come chi legge una mappa desume la propriaposizione misurandone la distanza da punti definiti.Come ciò avvenga a livello molecolare è dovuto al fattoche l‛embrione costruisce, nel tubo neurale, un numerodi regioni polarizzate che secernono molecole chefungono da segnale. Queste molecole diffondono poilontano dalla sorgente a formare un gradiente diconcentrazione che dipende dalla distanza. Un esempiodi questo meccanismo posizione-dipendente è datodall‛asse supero-inferiore (dorsoventrale) del midollospinale. La parte inferiore del tubo neurale esprimeuna proteina dal nome fantasioso, porcospino veloce(sonic hedgehog), che va lontano dal pavimento dellaplacca e agisce sulle cellule dell‛asse dorsoventrale indipendenza della loro distanza. Quando la placca sichiude, il porcospino veloce induce l‛espressionedi un gene che codifica un particolare tipo diinterneurone. Più in là, la diminuita concentrazione diporcospino veloce induce l‛espressione di un altrogene che codifica per i motoneuroni.Resta dove sei o sappi dove vaiUna volta che un neurone ha acquisito la sua identitàindividuale e smette di dividersi, estende il suo assonetramite un‛estremità allargata detta cono di crescita.Come un‛abile guida alpina, il cono di crescita èspecializzato per districarsi tra i vari tessutiutilizzando le sue capacità per scegliere il sentiero piùfavorevole. Così facendo, trascina l‛assone dietro di sé,come un cane con un guinzaglio estensibile. Una voltaraggiunto il bersaglio, il cono di crescita perde la suacapacità di movimento e forma una sinapsi. La guidaassonale è un formidabile mezzo di navigazione,accurato per brevi e lunghe distanze, ma è anche unprocesso unitario che non solo seleziona con grandeprecisione la cellula bersaglio ma, per giungere ad essaè in grado di districarsi attraverso altri coni dicrescita diretti verso bersagli diversi. Lungo ilpercorso, apposite tracce che attragono (+) orespingono (-) i coni di crescita, li aiutano a trovare lavia, anche se i meccanismi molecolari responsabili dellaregolazione dell‛espressione di queste tracce sonoancora poco conosciuti.Scolpiti dall‛attività elettricaBenché un alto grado di precisione nella disposizionespaziale e nella connettività neurale sia dovuto afattori estrinseci, la connessione più tardiva di alcuneparti del sistema nervoso è soggetta ad un riassettoattività-dipendente, come nella potatura degli assonie nella morte neurale. Questi processi potrebberoapparire degli sprechi, ma non è possibile nédesiderabile formare un cervello completo e perfettosolo costruendo. Si dice che l‛evoluzione sia “unamanipolatrice” – ma è anche una scultrice. Ad esempio,Attrazione (caderine) (+) e repulsione (efrine) (-)Vari tipi di tracce guida disponibili per i neuroni (in blu)quando espandono i loro assoni e i coni di crescita (con lepunte dal lato craniale). Sia le tracce vicine che quelledistanti possono attirare (+) o respingere (-) i coni dicrescita. Sono illustrati alcuni esempi di molecole traccia.una mappatura punto a punto tra i neuroni visivi e ilcervello, indispensabile per la visione nitida, è in parteraggiunta per l‛influenza dell‛attività elettrica dellaretina. Un numero inizialmente esuberante diconnessioni viene scolpito durante un periodo critico,dopo il quale la struttura di base del sistema visivo sicompleta, che corrisponde a circa otto settimane dietà nelle scimmie e forse a un anno nell‛uomo. Unadomanda interessante è se un programma di sviluppocosì precoce possa essere riattivato in caso di perditaneurale patologica (come nella malattia di Alzheimer odi Parkinson) o di un danno midollare che provochi unaparalisi. In quest‛ultimo caso, gli assoni possonoessere stimolati alla ricrescita ma rimane ancora dachiarire come far sì che si riconnettano in modoappropriato.La rivoluzione genomicaStiamo rapidamente costituendo un catalogo completodei geni necessari per costruire un cervello. Grazie alpotere prodigioso dei metodi di biologia molecolare,siamo in grado di provare le funzioni dei geni modulandola loro espressione, dove e quando vogliamo nel corsodello sviluppo. Il maggior impegno è ora quello discoprire la gerarchia del controllo genetico checonverte un foglietto di cellule in un cervellofunzionante. E‛ questa una delle grandi sfide delleneuroscienze.Frontiere della ricercaLe cellule staminali sono cellule che possono mutare inqualsiasi altro tipo di cellula. Alcune di esse, le cellulestaminali embrionali, proliferano nei primissimi stadidello svluppo. Altre si trovano nel midollo osseo e nelcordone ombelicale che unisce il bambino alla madre. Ineuroscienziati stanno cercando di scoprire se le cellulestaminali possano esereutilizzate per riparare ineuroni danneggiati nelcervello adulto. La maggiorparte degli esperimenti vieneattualmente condotta suanimali, ma la speranza èquella di potere, in futuro,riparare aree cerebralidanneggiate da malattiecome il morbo di Parkinson.24250,000 cellule al minuto proliferano nel cervello in alcuni stadi di sviluppo.Per saperne di più: http://faculty.washington.edu/chudler/dev.html

DislessiaVi ricordate quanto è stato difficile imparare aleggere? Al contrario della capacità di parlare, lecui origini sono evolutivamente antichissime, lalettura e la scrittura sono relativamente recenti.Migliaia di anni fa, diverse società umane in diverseparti del mondo compresero che migliaia di parolepotevano essere formate da un ristretto numero difonemi (nella lingua italiana sono 30) e che questipotevano essere rappresentati da un numero ancorpiù piccolo di grafemi. Imparare questi simbolirichiede tempo, ed alcuni studenti incontranonotevoli difficoltà. Questo non è dovuto a mancanzadi intelligenza, ma al fatto che il cervello trovadifficile impratichirsi nella lettura. Più di unapersona su dieci può essersi trovata in questacondizione, conosciuta oggi con il termineneurologico di dislessia evolutiva.La dislessia è molto comune. I bambini che nesoffrono non riescono a capire il perché trovinodifficoltà di lettura sebbene siano altrettantointelligenti dei loro compagni e ne provano sconforto.Molti perdono la fiducia in se stessi, tanto dadivenire frustrati, ribelli, aggressivi e persinodelinquenti. In molti casi però i dislessici mostranonotevoli doti in altri ambiti (sport, scienza,aritmetica, attività commerciali o artistiche) purchéi problemi con la lettura non abbiano causato loro laperdita dell‛autostima. Capire le basi biologiche delladislessia non è dunque importante di per sé, ma èanche utile a prevenire condizioni di infelicità.Imparare a leggereLa lettura dipende dall‛abilità di riconoscere i grafeminel loro giusto ordine (l‛ortografia della lingua che ilbambino sta imparando) e di ascoltare i fonemi nel loroordine corretto. Tali abilità presuppongono la capacitàdi ricavare la struttura fonemica, che consente ditradurre i simboli nei suoni corrispondenti. La maggiorparte dei dislessici, tuttavia, è lenta ed imprecisanell‛analizzare le caratteristiche ortografiche efonologiche delle parole. L‛abilità nel mettere insequenza parole e suoni in maniera accurata dipendeda meccanismi sia visivi che uditivi.Per le parole inconsuete (e tutte lo sono quando si iniziaa leggere), le lettere devono essere prima identificatee poi messe nel giusto ordine. Questo processo non ècosì semplice come sembra, perché gli occhi fannopiccoli movimenti di inseguimento passando da unalettera alla successiva. Le singole lettere vengonoidentificate istante per istante quando l‛occhio le fissa,ma la loro sequenza è determinata dal movimentodell‛occhio quando ciascuna lettera viene guardata.Quello che l‛occhio vede fissando deve essere integratocon i segnali provenienti dai movimenti oculari; moltidislessici hanno problemi proprio con questaintegrazione visuomotoria.dislessiciLettorilettoriscarsinormaliMovimenti oculari durante la lettura. I movimenti altobassodel tracciato corrispondono a sinistra-destra.Il controllo visivo dell‛oculomozione è governato da unarete di neuroni di grandi dimensioni nota come sistemamagnocellulare (magno = grande). Questa rete, che sidipana dalla retina attraverso la corteccia cerebrale e ilcervelletto fino ai motoneuroni dei muscoli oculari, èspecializzata nel rispondere in modo particolare aglistimoli che si muovono ed è quindi importante per seguireun bersaglio in movimento. Una caratteristica importantedi questo sistema è quella di generare segnali motoridurante la lettura, quando gli occhi scorrono sulle lettereche dovrebbero invece fissare. Questo segnale di erroredel movimento è rinviato al sistema dell‛oculomozione perriportare gli occhi sul bersaglio. Un ruolo cruciale nellafissazione di ogni lettera successiva è svolto dal sistemamagnocellulare, che ne determina quindi la sequenza.stratiparvocellularistratimagnocellularianalizzatorevisivosingolelettereparolainteraanalisifonologicaanalisivisiva direttasignificato(semantica)Controlli100 μmDislessiciPreparati istologici del nucleo genicolato laterale mostranola disposizione regolare delle cellule parvo e magnocellulariin un soggetto normale e irregolare in uno dislessico.25

I neuroscienziati hanno scoperto che il sistema visivomagnocellulare è parzialmente inefficiente in moltidislessici. Ciò risulta dall‛osservazione diretta deltessuto cerebrale (vedi Figura); la sensibilità delsistema visuomotorio nei dislessici è inoltre inferiore aquella dei soggetti che leggono normalmente e lerisposte elettriche cerebrali agli stimoli motori sonoanomale. Le neuroimmagini hanno poi rivelato alteratischemi di attivazione funzionale nelle aree deputatealla visione del movimento (vedi Capitolo 15). Neidislessici il controllo oculare è meno efficiente; spessoessi lamentano che le lettere sembrano spostarsiquando provano a leggere. Questa confusione visiva èprobabilmente dovuta al fallimento da parte delsistema magnocellulare di stabilizzare gli occhi comeavviene invece nei buoni lettori.Mettere i suoni nel giusto ordineMolti dislessici hanno anche problemi nel mettere ifonemi nel loro giusto ordine e tendono a sbagliarne lapronuncia (ad esempio, “talovo” anziché “tavolo”) e nonsono bravi negli scioglilingua. Quando leggono sono piùlenti e meno accurati nel tradurre le lettere neicorrispondenti fonemi. Le loro difficoltà fonologiche,come quelle visive, sono probabilmente radicate in unaridotta capacità delle facoltà uditive di base.Noi distinguiamo la pronuncia delle lettere (ovvero ifonemi), individuandone le sottili differenze nellafrequenza e nell‛intensità del suono che li caratterizzaLa distinzione di queste modulazioni acustiche è resapossibile da un sistema di grandi neuroni uditivi cherilevano i cambiamenti di frequenza e di intensità deisuoni. Vi è una crescente evidenza del fatto che questineuroni non si sviluppano nei dislessici tanto quanto neibuoni lettori e che i confini che separano fonemi simili,come “b” e “d”, sono più difficili da distinguere perloro (vedi Figura).Molti dislessici mostrano uno sviluppo ridotto di alcunecellule cerebrali, che va oltre le difficoltà visive eduditive che hanno nella lettura. Si tratta di neuroniche formano reti estese a tutto il cervello e che sonospecializzate nel rilevare le variazioni temporali. Tuttele cellule hanno le stesse molecole di superficie chericonoscono e creano connessioni con altre cellule mache possono, al contempo, renderle vulnerabiliall‛attacco di anticorpi.Il sistema magnocelluare fornisce un cospicuo flusso diinformazioni al cervelletto (vedi Capitolo 7). Alcunidislessici sono piuttosto maldestri e la loro grafia èspesso imprecisa. Le neuroimmagini (vedi pag. 41) e glistudi del metabolismo cerebellare indicano che la suafunzione può essere ridotta nei dislessici, e ciòpotrebbe essere alla base delle difficoltà di scrittura.Alcuni neuroscienziati ritengono che il cervelletto siacoinvolto non solo nell‛esecuzione dei movimenti utilinella scrittura e nella verbalizzazione, ma persino inalcuni aspetti della programmazione cognitiva. Se taleipotesi fosse corretta, le disfunzioni del cervellettopotrebbero condizionare la capacità di imparare aleggere, scrivere e parlare.Che cosa si può fare?In base alle diverse ipotesi eziologiche, esistono varitrattamenti per la dislessia. Alcuni si fondanosull‛ipotesi magnocellulare, ma altri distinguno diverseforme di dislessia, note come superficiale o profonda,che richiedono forme d trattamento diverse. Tutti itrattamenti si basano però sulla diagnosi precoce.Non sempre gli scienziati sono concordi e quale sia ilmiglior trattamento per la dislessia costituisce unodei punti di tale disaccordo. Recentemente è statoipotizzato che sia un problema di percezione uditivaa spingere alcuni dislessici ad apprendere i fonemi inmodo sbagliato, usando i normali meccanismi diplasticità cerebrale. Si pensa che sia possibilecorreggere i bambini incoraggiandoli a giocare congiochi elettronici dai suoni così rallentati da renderepiù chiara la separazione fra i fonemi. I suoni possonopoi venire gradualmente accelerati. Si ritiene chequesto metodo sia molto efficace, ma sono ancora incorso studi indipendenti. Ciò che è interessante diquesta idea dal punto di vista scientifico è che iprocessi di un cervello assolutamente normaleinteragiscano con un‛anomalia genetica precoceprovocando un effetto esagerato. Si tratta di unesempio calzante di interazione fra geni e ambiente.È importante sottolineare che i dislessici possonoavere capacità persino migliori dei buoni lettori incompiti percettivi quali la discriminazione dei colori enella percezione globale, non frammentata, delleforme. Questo fornisce una possibile spiegazione delperché molti dislessici siano più inclini a fareassociazioni a largo raggio, anche del tutto inattese, epossiedano generalmente un “pensiero olistico”. Bastiricordare che Leonardo da Vinci, Hans ChristianAndersen, Edison, Einstein e molti altri artisti edinventori creativi erano dislessici.Frequenza (Hz)26Tempo (msec)Siti Internet su dislessia e difficoltà di apprendimento:http://www.sfn.org/content/Publications/BrainBriefings/dyslexia.htmlhttp://www.learningdisabilities.com/programs.shtml

Plasticità neuraleNel corso della nostra vita, il nostro cervello simodifica continuamente. Questa capacità dimodificazione è detta plasticità, in analogia con imodelli di plastilina le cui componenti internepossono venire continuamente rimodellate. Non ilcervello nella sua totalità, ma i singoli neuronipossono venire modificati per diversi motivi:durante lo sviluppo in età giovanile, in risposta adun trauma e durante l‛apprendimento. Esistono varimeccanismi di plasticità, il più importante dei qualiè la plasticità sinaptica, ovvero la possibilità deineuroni di modificare la loro capacità di comunicarel‛uno con l‛altro.Plasmare il nostro futuroCome abbiamo visto nel precedente capitolo, leconnessioni fra neuroni nei primi anni di vitanecessitano di una fine regolazione. Quandointeragiamo con l‛ambiente, le connessioni sinapticheiniziano a cambiare: ne vengono create alcune nuove,quelle utili vengono rafforzate mentre quelle usate dirado si indeboliscono fino anche a scomparire.

Trasmissione basaleLa corrente entraattraverso irecettori AMPAStimolazioneintensaInduzione di LTPAumento dinumero deirecettori AMPAAumento diefficienza deirecettori AMPALa stimolazioneintensa portaall‛espulsione di ioniMg2+ dai recettoriNMDA e influiscesugli ioni Na+ e K+(frecce rosse e blu)Il numero deirecettori AMPA èaumentato e consenteun maggior passaggiodi correnti e un piùampio epsp.I recettori AMPAsono modificatichimicamente e ognirecettore consenteun maggior passaggiodi correnti e un piùampio epsp.LTP (aumento del numero dei recettori AMPA)LTP (aumento dell‛efficienza dei recettori AMPA)I recettori NMDA (in rosso) sono le macchine molecolariper l‛apprendimento. Il trasmettitore viene rilasciato siadurante l‛attività basale che nell‛induzione di LTP (in altoa sinistra). Il sito dove Mg2+ (circoletto nero, in alto adestra) blocca il canale Ca2+ è all‛interno della membranacellulare e viene spiazzato da un‛intensa depolarizzazione(diagramma successivo in basso). Questo accade quando ineuroni debbono cambiare le loro connessioni con altrineuroni. LTP può venire espresso sia come un grandenumero di recettori AMPA (recettori gialli, in basso asinistra) sia come recettori AMPA più efficienti (in bassoa destra).I recettori NMDA: macchinemolecolari per dare il via allaplasticità.Il glutammato si lega anche ai recettori NMDA postsinaptici.Questi costituiscono gli apparati molecolariche danno luogo alla plasticità sinaptica. Se la sinapsiviene attivata lentamente, i recettori NMDA vengonoscarsamente o per nulla coinvolti perché, mano a manoche i recettori NMDA aprono i loro canali ionici, questivengono saturati da un altro ione presente nellasinapsi, il magnesio (Mg2+). Quando invece la sinapsiviene attivata da un treno di impulsi che giungonomolto rapidamente al neurone, i recettori NMDAavvertono immediatamente lo stimolo eccitatorio.Questa aumentata attività sinaptica causa un‛ampiadepolarizzazione del neurone post-sinaptico cheespelle gli ioni Mg2+ dai canali ionici dei recettoriNMDA con un processo di repulsione elettrica. Irecettori NMDA diventano immediatamete in grado di28

avviare la comunicazione sinaptica in due diversimodi: il primo, trasportando ioni Na+ e K+ cheattivano la depolarizzazione, proprio come irecettori AMPA; il secondo, consentendo al calcio(Ca++) di entrare nel neurone. In altre parole, irecettori NMDA percepiscono l‛attività neuronaleintensa e inviano un segnale al neurone sotto formadi un picco Ca++. Questo picco è molto breve e nondura più di un secondo mentre il glutammato si legaai recettori NMDA. Il Ca++ è una molecola crucialeche segnala al neurone quando i recettori NMDAsono stati attivati.Apparecchiatura usata per monitorare i debolivoltaggi elettrici rilevabili nelle sinapsi.All‛interno del neurone, il Ca 2+ si lega alle proteine piùvicine alla sinapsi dove sono stati attivati i recettoriNMDA. Molte di queste proteine sono fisicamentelegate ai recettori NMDA dei quali costituisconol‛apparato molecolare. Alcuni sono enzimi attivati dalCa 2+ che causano modificazioni chimiche di altreproteine all‛interno o vicine alla sinapsi. Questemodificazioni chimiche costituiscono i primi stadi dellaformazione della memoria.I recettori AMPA: la macchinamolecolare per stivare ricordiSe l‛attivazione dei recettori NMDA dà l‛avvio allaplasticità sinaptica neuronale, che cosa esprime ilcambiamento in termini di forza? Potrebbe darsi chevenga rilasciato un altro trasmettitore chimico. Si èabbastanza sicuri che vi sia un insieme di meccanismiche coinvolgono i recettori AMPA a livello postsinaptico.Ciò può verificarsi in vari modi. Unopotrebbe consistere nel rendere i recettori AMPA piùefficienti, facendo ad esempio passare una maggiorquantità di corrente nel neurone durante l‛attivazione.Un secondo modo potrebbe essere quello di inserire unmaggior numero di recettori AMPA all‛interno dellasinapsi. In entrambi i casi si otterrà un epsp più ampio(il fenomeno LTP). Al contrario, una riduzionedell‛efficienza o del numero dei recettori AMPA puòdar luogo a un LTD. La bellezza di questo meccanismodi induzione di LTP o di LTD sta nella sua sempliceeleganza: può verificarsi dentro un‛unica spinadendritica e modificare quindi la forza sinaptica inmaniera molto localizzata. E‛ il modo in cui la memoriapotrebbe realmente venir costituita: un argomento sucui si tornerà nel prossimo capitolo.Esercitare il cervelloLe variazioni del funzionamento dei recettori AMPA nonsono l‛unico accadimento. Quando la memoria diviene piùduratura, nel cervello si verificano anche delle modifichestrutturali. Le sinapsi con più recettori AMPA, in seguitoall‛induzione del LTP, modificano la loro forma e possonoaumentare di dimensioni, oppure possono emettere nuovesinapsi dendritiche in modo che il lavoro di una sinapsipossa venire svolto da due. Al contrario, le sinapsi cheperdono i recettori AMPA in seguito all‛induzione di LTDimpallidiscono e muoiono. La struttura fisica del nostrocervello si modifica in risposta all‛attività cerebrale. Ilcervello ama l‛attività: quella mentale ovviamente! Propriocome i nostri muscoli divengono più forti quando ciimpegniamo nell‛attività fisica, così sembra che le nostreconnessioni sinaptiche divengano più numerose e meglioorganizzate quanto più le usiamo.Mente e memoriaLa capacità di apprendere è molto influenzata dalnostro stato emotivo: tendiamo a ricordare eventiassociati a situazioni particolarmente felici, tristi odolorose. Impariamo inoltre meglio se prestiamoattenzione! Questi stati mentali implicano il rilascio dineuromodulatori quali l‛acetilcolina (durantel‛attenzione elevata), la dopamina, la noradrenalina egli ormoni steroidei come il cortisolo (durante eventiinattesi, stress ad ansia). I modulatori agiscono suineuroni in diversi modi, molti dei quali causanomodificazioni nel funzionamento dei recettori NMDA.Altri modi d‛azione includono l‛attivazione di genispecifici associati al processo di apprendimento. Leproteine codificate da questi geni aiutano astabilizzare il fenomeno LTP facendolo durare di più.Il medico internoLa plasticità sinaptica ha un altro ruolo critico nelfunzionamento cerebrale: può aiutare il cervello ariprendersi da un trauma. Se, ad esempio, i neuroni checontrollano particolari movimenti vengono distrutti, comeavviene per un ictus o per un grave trauma cranico, nontutto è inevitabilmente perduto. In molti casi i neuronipersi non ricrescono. Altri neuroni invece si adattano, avolte, ad assumere un ruolo funzionalmente simile a quellodelle cellule perse, formando reti neurali alternative. Sitratta di un processo di riapprendimento che mette inluce alcune capacità di recupero del cervello.Jeffery Watkinsil farmacologo che ha trasformato lostudio della trasmissione eccitatoriacerebrale sintetizzando farmaci comel‛AP5 (sotto) che agisce su specificirecettori del glutammato.Siti Internet correlati: http://www.cf.ac.uk/plasticity/index.htmlhttp://www.bris.ac.uk/synaptic/public/brainbasic.html29

Memoria e ApprendimentoI ricordi sono il centro della nostra individualità.Quello che ciascuno di noi ricorda è diverso da ciòche ricorda chiunque altro, anche nel caso si trattidi esperienze in comune. Comunque, ognuno di noi,a modo proprio, ricorda eventi, fatti, emozioni esentimenti, a volte per un breve periodo di tempo,a volte per tutta la vita. Per ricordare, il cervelloha molti sistemi con differenti caratteristiche,mediati da reti neuronali diverse. Si ritiene che laformazione di nuovi ricordi dipenda dalla plasticitàsinaptica (come descritto nel capitolo 10), masiamo ancora del tutto incerti circa i meccanismi dirichiamo delle informazioni. Anche se noi tutti cilamentiamo della nostra memoria, nella maggiorparte dei casi essa è abbastanza buona, e tende adiminuire solo nella vecchiaia o in alcuni statipatologici. Cercare di migliorare la memoriapotrebbe sembrare positivo ma così facendo sicorrerebbe il rischio di ricordare anche ciò chesarebbe meglio dimenticare.L‛organizzazione della memoriaTutte le informazioni che abbiamo appreso non sonoconvogliate per essere immagazzinate in un‛unica areadel cervello. La memoria a breve termine (o memoriadi lavoro) mantiene le informazioni in uno stato attivodi coscienza. Il deposito più grande che le tieneimmagazzinate è detto memoria a lungo termine.Scrittura internaTaccuino visuo-spazialePossiamo utilizzare questo sistema per ricordare unaconversazione abbastanza a lungo da comprenderne ilsenso, per eseguire calcoli aritmetici a mente e perricordare dove abbiamo lasciato le chiavi un istante prima.Il punto di forza del sistema è la sua affidabilità, unacaratteristica che si paga con una capacità limitata dicapienza e di durata. Si dice spesso che la memoria abreve termine dia la possibilità di ricordare 7 ± 2elementi: questo è il motivo per cui la maggioranza deinumeri di telefono sono di 7 o 8 cifre. E‛ però essenzialericordarli accuratamente. Si può dimostrare la capienza ela limitata persistenza della memoria a breve termine conun semplice esperimento da fare con gli amici.Un esperimento sulla memoria a brevetermineUn test semplice per la memoria a breve termineo memoria di lavoro è quello del “numero dilettere”. Occorrono almeno due persone, anche sefunziona meglio in molti di più. Una persona scrive,senza che gli altri la vedano, una serie di parole,iniziando con una di due lettere (per esempio XT),facendo attenzione a non scrivere parole di sensocompiuto, proseguendo poi con parole di due, tre,quattro lettere e così via (per esempio QVHKZper una sequenza di 5 lettere o DWCUKQBPSZper una sequenza di 10 lettere). Dopo averpreparato l‛elenco di parole, la persona legge aglialtri, una alla volta, le sequenze scritte. Dopocirca 5 secondi, gli altri cercano di riscrivere amemoria la stessa sequenza di lettere,cominciando con la sequenza più facile di duelettere, e proseguendo con le sequenze più lunghe.La maggior parte delle persone riesce a ricordareperfettamente sequenze fino a 7 o 8 lettere, poicominciano gli errori. Pochissimi riescono aricordare 10 lettere correttamente. La capacitàdella memoria a breve termine è stata perciòdescritta come “il numero magico 7 più o meno 2”.Magazzinouditivo a breve termineCiclo di ricordo silenteIl sistema della memoria di lavoro a breve termine delcervelloLa memoria a breve termineIl cervello ha un sistema in grado di utilizzare moltoaccuratamente piccole quantità di informazioni, comeuna lavagna sulla quale scrivere nomi e numeri ditelefono che ci servono solo per poco tempoUn sistema esecutivo centrale controlla il flusso diinformazioni, aiutato da due altri magazzini di memoria.Uno di essi e‛ un magazzino fonologico, che opera un ciclodi ricordo silente: è la parte del cervello che si usa perdire le cose a se stessi. Anche leggendo parole o numeril‛informazione è trascritta usando un codice fonologico eimmagazzinata per breve tempo in questo sistema a duecompartimenti. C‛e anche un taccuino visivo che trattienel‛immagine di un oggetto abbastanza a lungo da poterlaelaborare con l‛occhio della mente.La memoria a breve termine è situata nei lobi frontalie parietali. Gli studi di neuroimmagine (vedi pag. 41)che impiegano la PET e la fMRI indicano che le areedella memoria a breve termine sono generalmente30

lateralizzate nel lobo frontale e parietale sinistro,dove interagiscono con le reti neurali deputate allinguaggio, alla pianificazione e al prendere decisioni.Per tutte queste attività e‛ essenziale una buonamemoria a breve termine. La lavagna visiva e‛nell‛emisfero destro (vedi riquadro a fine capitolo).Come si e‛ evoluta la memoria a breve termine? Glianimali, compresa la maggior parte dei mammiferi,probabilmente non ha lo stesso sistema di memoriadell‛uomo e certamente questa non si e‛ evoluta perconsentire ai primi ominidi di ricordare i numeri ditelefono! Studi su bambini individuano un ruolofondamentale della memoria a breve terminenell‛apprendimento del linguaggio, suggerendo chequesto sistema di memoria si e‛ evoluto con la capacitàdi parlare. La precisione richiesta per conservare latraccia delle parole e l loro ordine in una frase èessenziale per elaborarne il corretto significato.Memoria a lungo termineAnche la memoria a lungo termine è suddivisa indiversi sistemi localizzati in reti neuronali sparse. Lediverse reti eseguono compiti molto differenti. Insenso lato, l‛informazione arriva al sistema sensitivoper poi passare ad altre vie efferenti che provvedonoad una elaborazione sempre più specializzata delsegnale. Ad esempio, le informazioni che giungono dalsistema visivo attraverso la “via ventrale”, dallacorteccia striata al lobo temporale mediale, tramiteuna serie di reti che elaborano la forma, il colore,l‛identità dell‛oggetto e se esso sia o meno già noto,fanno sì che si venga a formare una memoria di quelparticolare oggetto e di quando e come sia già statovisto.che il DNA codifica l‛informazione genetica come unasequenza di coppie di basi azotate e così via. Il puntocruciale è che tutti i fatti sono organizzati incategorie. Questo è essenziale per il meccanismo delricordo, quando il processo di ricerca può spostarsilungo i diagrammi ad albero del magazzino per trovareogni cosa in modo efficiente. Se la memoria semanticafosse organizzata come ciascuno di noi ordina le cosenella propria soffitta (praticamente a caso), avremmodei grossi problemi a ricordare qualunque evento. Perfortuna, il cervello divide le informazioni in categorie,così come fanno i bravi insegnanti che ci aiutano ascuola ad apprendere concetti complessi, rendendo iloro allievi in grado di costruire senza sforzo strutturedecisionali.InanimatiOggettiMammiferiCanoriCanariniAnimatiVolatiliUccelliAltriNon volatiliPinguiniLe nostre conoscenze sugli animali sono organizzatesecondo una struttura ad albero. Non sappiamoancora come le reti neuronali facciano ciò.Ma impariamo anche delle abilità e delle sensazioniemozionali riguardo alle cose. Una cosa è sapere che unpiano è un piano, un‛altra è saperlo suonare. Saperandare in bicicletta è utile, ma lo è altrettantoconoscere i pericoli della strada. Le abilità vengonoapprese attraverso l‛esercizio volontario e costante,mentre l‛apprendimento emotivo è molto più rapido.Spesso deve essere veloce, soprattutto per le cose dicui impariamo ad aver paura. Entrambi sono tipi diapprendimento condizionato, in cui sono coinvolte areecerebrali specializzate, i gangli della base e ilcervelletto, per l‛apprendimento di abilità, e l‛amigdalaper quello emotivo. Altri animali apprendono delleabilità, importanti per la loro sopravvivenza.La cascata delle aree cerebrali attraverso cuil‛informazione visiva è dapprima elaborata a livellopercettivo e poi memorizzataCi sono molti modi di considerare questa cascata diprocessi analitici. Ci sono zone della corteccia chedesumono una rappresentazione percettiva di ciò chevediamo, che viene usata per rappresentare e poi perriconoscere quel che ci circonda e che è riflessa dallanostra capacità di riconoscere sui giornali persone notecome i politici. Strettamente correlato ad essa è ilsistema della memoria semantica, ovvero il vastoarchivio di conoscenze accumulate riguardo al mondo.Tutti noi sappiamo che Parigi è la capitale della Francia,Gli scimpanzè sono in grado di catturate le termitiusando una bacchetta. I giovani scimpanzè loimparano osservando i loro genitori.31

Errori di memoria e localizzazionedella memoria episodicaL‛ultimo tipo di sistema di memoria nel cervello èdetto memoria episodica. E‛ il sistema nel quale simantiene il ricordo delle esperienze personali.Ricordare gli eventi è diverso dall‛imparare i fatti delmondo per un motivo molto importante: gli eventiaccadono una sola volta. Se avete dimenticato quelloche avete mangiato a colazione oggi (forse no) o cosasia accaduto lo scorso Natale (possibile), o tuttoquello che vi è successo il primo giorno di scuola(probabile), non potete ritornare su nessuno di questieventi come se fosse una lezione in classe. Questosistema dimentica velocemente perchè deve farlo.Si è capito molto del funzionamento della memoriaepisodica studiando pazienti neurologici che, in seguitoad un infarto cerebrale, ad un tumore cerebrale o adinfezioni virali come l‛encefalite herpetica, a voltepresentano carenze specifiche di questo tipo dimemoria. Lo studio attento di questi pazienti è stato ilmodo più utilizzato per dedurre l‛organizzazioneanatomica di questo e di altri sistemi di memoria.Incredibilmente, i pazienti amnesici possono impararealcune cose che non riescono a ricordare consciamente! Sipossono insegnare loro delle abilità motorie o a leggeremolto velocemente al contrario.Imparare a leggere velocemente al contrario richiedeun po‛ di tempo. Questo è vero sia per chi è amnesicoche per chi non lo è ma, mentre chi non lo è ricorda diaver appreso questa capacità, gli amnesici non loricorderebbero. Questo rappresenta una sorprendentedissociazione della loro attenzione cosciente. Gliamnesici sono certamente consci mentre stannoimparando, ma poi non si rendono conto di averimparato. Non riescono a recuperare questa coscienzadal passato. Il danno che causa questa condizionedisabilitante può avvenire in svariati circuiticerebrali: le aree del diencefalo chiamate corpimammillari (nell‛ipotalamo) ed il talamo sembrano esserecruciali per la memoria, così come una struttura del lobotemporale mediale detta ippocampo. Il danno di questeregioni sembra coinvolgere principalmente la formazionedella memoria semantica ed episodica.“Non e‛ tanto la lesione che ci interessa quanto,studiare come attraverso una lesione o unapatologia la funzione normale si mette a nudo.”(Sir Henry Head - neurologo del 20° secolo).32Le persone affette da una condizione nota comeamnesia non riescono a ricordare di aver incontratoaltre persone appena mezz‛ora prima. Non possonoricordare se hanno mangiato di recente o se lo hannosolo desiderato, o persino le semplici necessità dellavita quotidiana come il posto in cui hanno appoggiatoda poco qualcosa in casa propria. Facendo vedere loroun disegno complicato – come quello nella casella –sono in grado di copiarlo accuratamente ma nonriescono a riprodurlo bene come altre persone sedevono ridisegnarlo a memoria appena 30 minuti dopo.Spesso non riescono a ricordare le cose avvenuteprima di ammalarsi (amnesia retrograda).Queste persone mancano delle strutturedi tempo e posizione, e la loro vita è stata descritta, daun paziente amnesico a lungo studiato, come unacondizione di continuo “risveglio da un sogno”.La stessa persona mantiene comunque le proprietàlinguistiche, il significato delle parole ed una memoria abreve termine bastante asostenere una conversazionesensata.NCAcopiaRicordo aposterioriIl devastanteisolamento della sua vitanon viene svelatofino a quando qualcunonon ripeteesattamente la stessaconversazione conlui qualche minuto dopo.I pazienti amnesici (A) possono anche vederci moltobene e copiare accuratamente disegni complessicome questo, ma non possono ricordarli a lungocome i soggetti normali (NC)Per la memoria episodica sono molto importantidue strutture: la corteccia peririnale (PRH) chemedia il senso della familiarità verso il passato el‛ippocampo (HIPPO) che codifica i fatti e i luoghi32

Altri sistemi di memoriaDanni in diverse sedi cerebrali hanno ripercussioni suidiversi sistemi di memoria. Alcune condizioni degenerative,come la demenza semantica (una forma di malattia diAlzheimer), possono provocare curiose disfunzioni dellamemoria detta appunto semantica. Inizialmente, i pazienticui vengono mostrati dei disegni di oggetti o di animali, sonoabbastanza abili nel denominarli. Col progredire dellamalattia, divengono invece insicuri nella denominazione espesso commettono errori. Ciò conferma come leinformazioni relative a fatti ed oggetti siano organizzateper categorie, e come le entità animate siano immagazzinatein una categoria ben distante da quella delle entitàinanimate.Neurolobiologia della memoriaLo studio accurato dei pazienti neurologici ci aiuta a capiredove sono situate le funzioni cerebrali, ma scoprire comeesse funzionino in termini di neuroni e di trasmettitorichimici richiede attente ricerche su animali di laboratorio.I neuroscienziati ritengono attualmente che molti dei finimeccanismi di regolazione delle connessioni neuronali, attividurante lo sviluppo cerebrale, siano utilizzati anche durantele fasi iniziali dell‛apprendimento. L‛attaccamento che sisviluppa fra un neonato e la madre è stato studiato neipulcini analizzando il processo di imprinting. Oggi sappiamocome origina questo processo di apprendimento nel cervelloL‛ippocampoLa colorazione di Golgievidenzia ineuroni in nerodei pulcini e conosciamo i trasmettitori chimici che agisconosui recettori preposti alla fissazione dell‛immagine dellamadre. Questa “immagine” è molto precisa, e fa sì che ilpulcino seguirà la propria madre e non quella di un altro. Glianimali giovani hanno inoltre bisogno di scoprire quali cibi sianocommestibili, assaggiandone delle piccole quantità alla volta escoprendone il sapore più o meno gradevole. Non si trattasolamente di una generica predisposizione ma di un‛attivazionedei meccanismi di apprendimento modulati dallo sviluppo. Avalle dei recettori attivati durante l‛imprinting o l‛assaggio delcibo, una cascata di secondi messaggeri chimici trasmette ilsegnale alle cellule cerebrali dove vengono attivati i geni per laproduzione delle proteine predisposte a fissare la memoria.Le cellue di posizione costituiscono un‛altra importantescoperta. Si tratta di neuroni dell‛ippocampo che produconopotenziali d‛azione solo quando un animale sta esplorando unluogo a lui familiare. Cellule diverse codificano diverse partidell‛ambiente circostante, cosicché una popolazione di celluleriesce a mappare un‛intera area. Altre cellule in una zonaattigua del cervello elaborano la direzione in cui l‛animale sista muovendo. L‛uso combinato di queste due aree (la mappadello spazio ed il senso della direzione) aiutano l‛animale adimparare a trovare la sua strada in giro per il mondo. Questo èchiaramente molto importante per gli animali, per trovare ciboed acqua e tornare poi alla tana, al nido, o a qualunque altradimora sia più adatta alla sopravvivenza. Questo sistema diapprendimento di navigazione è in relazione sia con il sistemadella memoria semantica sia con quello della memoriaepisodica. Gli animali acquisiscono una rappresentazionestabile di dove sono le cose nel loro territorio (così come gliumani acquisiscono una conoscenza dei fatti nel loro mondo).Questa mappa dello spazio fornisce uno schema di memoriaentro cui ricordare gli eventi (ad esempio, dov‛è stato vistoper l‛ultima volta un predatore). Le cellule di posizioneelaborano dunque qualcosa di più della posizione: possonoaiutare gli animali a ricordare dove un evento è accaduto.Traccia 1Traccia 2Traccia 3Traccia 4Registrazioni da quattro elettrodi posti nell‛ippocampo. Due diesse, la traccia 1 e 2 (e occasionalmente anche la 4), mostranoimpulsi nervosi che rappresentano l‛attivazione neuronale quandol‛animale si trova in un punto particolare (punto rosso nel cerchiogrande). Espandendo la scala del tempo (cerchio rosso) si vedebene la forma del potenziale d‛azione cerebrale.Come si formano queste mappe e gli altri elementi dellamemoria? Un punto di vista emergente ipotizza ilcoinvolgimento della plasticità sinaptica basata sui recettoriNMDA. Nel capitolo precedente si è visto come l‛attivazionedella plasticità neuronale cambia la forza delle connessioni inuna rete di neuroni e che questo è il modo in cui vengonoimmagazzinate le informazioni. La funzione di apprendimentodelle mappe spaziali viene inibita quando un farmaco in gradodi bloccare i recettori NMDA giunge all‛ippocampo.33

Ad esempio, topi e ratti possono essere allenati anuotare in una vasca piena d‛acqua alla ricerca di una Frontiere della ricercapiattaforma sommersa sulla quale trovare riposo. Perriuscire a trovarla, usano le cellule di posizione eI I tassistitassisti che che che immaginanoimmaginano un un percorsoun percorso mostranomostrano un un incrementounadidiquelle che indicano la direzione della testa e fissanoattività attivazione di incremento attività nell’ippocampo dell‛ippocampo di attività e nelle nell‛ippocampo e nelle zone e delle zone circostanti zone circostanti e circostanti nelle zonenella memoria l‛esatta posizione della piattaformautilizzando il meccanismo di plasticità dovuto airecettori NMDA. In questo esperimento sono statiutilizzati anche animali a cui sono stati soppressigeneticamente i recettori NMDA nell‛ippocampo.Questi animali apprendono con difficoltà ed hannoanche cellule di posizione poco precise. Nel capitoloprecedente è stato illustrato come le variazioni dellatrasmissione sinaptica sono espresse attraversoalterazioni dei recettori eccitatori AMPA. Ancoranon si sa se questo sia vero anche per la memoria; sitratta di un argomento di ricerca molto attuale.I tassisti di londra devono conoscere la città molto beneprima di essere autorizzati ad esercitare in città. Quando iricercatori hanno sottoposto a scansione il cervello deitassisti di Londra chiedendo loro di immaginare il tragittotra Marble Arch e Elephant and Castle, hanno notato unaforte attivazione nella corteccia paraippocampale destra(area rossa). L‛analisi strutturale del cervello dei tassistiha mostrato cambiamenti nelle dimensioni relative di alcuneparti dell‛ippocampo, probabilmente collegate a quante zonedella città essi sono in grado di ricordare, anche sepotrebbero essere in gioco diversi altri fattori.Il ratto ha nuotato attraverso la piscina fino allapiattaforma sommersa su cui si è messo per riposare.meno importante. L‛idea è di trarre frutti da quanto si èappreso su come le informazioni vengono codificate,immagazzinate, consolidate (il processo di “fissazione”) ePossiamo migliorare la memoria?poi recuperate. Prestare attenzione, allungare le sessioniTutti noi crediamo che sarebbe bello migliorare ladi apprendimento, fare frequenti richiami di memoria,capacità o la durata della nostra memoria. Le persone costituiscono alcuni esempi di come favorire il processoanziane spesso si lamentano della loro mancanza didi “fissazione”. Alcuni pazienti anziani con problemi dimemoria. Migliorare la memoria richiederebbememoria utilizzano un diario scritto detto “Neurofoglio”,comunque un prezzo da pagare. Una buona memoria è in che trovano abbastanza utile e che ricorda loro larealtà frutto di un equilibrio fra il ricordare e ilprossima cosa che devono fare, consentendo loro didimenticare. Se volessimo aumentarla, avremmo poi strutturare la giornata svolgendo compiti che altrimentidifficoltà a dimenticare tutte le cose banali che cirischierebbero di dimenticare. Un altro fattoresono accadute durante il giorno e che non ci serveimportante è il saper riconoscere i differenti principiricordare. La regola dello “yin e yang” di una buonaoperativi della memoria episodica e della memoriamemoria consiste nel ricordare ed organizzare nelprocedurale: non si impara mai a fare qualcosacervello le cose che servono, ma nel dimenticare lesentendone soltanto parlare, anche se questo agisce sullacose che si ritengono poco importanti. Non sembra che memoria episodica. Chiunque voglia imparare a faresi potrà mai avere una pillola che possa magicamente qualcosa deve fare spesso pratica, come gli studenti deiaumentare la memoria, almeno nelle persone sane.corsi di musica si sentono ripetere in continuazione.L‛evoluzione si è premurata di fornirci un sistemaottimamente bilanciato. Le forme di grave perdita di Alan Baddeleymemoria possono però essere alleviate da farmaci che ha sviluppato l‛idea dellamigliorano il funzionamento dei recettori NMDA ememoria di lavoro che consiste in una serieAMPA, o da farmaci che stimolano la cascata deidi sistemi differentisegnali dei secondi messaggeri chimici che sono stati che interagiscono fra loroidentificati negli studi sull‛apprendimento di giovanianimali. Sarebbe auspicabile trovare un modo perbloccare sul nascere malattie neurodegenerative checolpiscono la memoria, come il morbo di Alzheimer.Il magazzino fonologico, il taccuino visuo-spaziale e le regioniOggi, una delle avventure più interessanti delledecisionali sono localizzate in parti diverse del cervello.neuroscienze, per gli scienziati delle università, degliistituti di ricerca e delle compagnie farmaceutiche, èlavorare su progetti di questo tipo. Tutte le nazionisviluppate tendono rapidamente all‛invecchiamentodella popolazione e le cure che potrebbero aiutare glianziani a condurre più a lungo una vita indipendentesarebbero di grande utilità. Nel contempo, alcuniof the brascienziati ritengono che, oltre alla cura farmacologicasarebbe utile una progettazione cognitiva. Gli organi diinformazione non parlano di progettazione cognitivatanto quanto dei nuovi farmaci, ma questa non è certoVuoi provare qualche altro esperimento sulla memoria?Vai su http://www.exploratorium.edu/brain_explorer/memory.html34

StressLo stress colpisce anche le persone all‛apparenza piùtranquille. Tutti lo sperimentiamo: durante unesame, una gara sportiva, quando bisticciamo con unamico o affrontiamo un avversario. Perché si provaquesta spiacevole sensazione e quali ne sono lecause? Ha un‛utilità? Cosa succede se le cose vannomale? I neuroscienziati cominciano ora a capirecome il cervello genera e coordina le rispostechimiche allo stress.Cos‛è lo stress? Perché è utile?Lo stress è di difficile controllo: non indica tantol‛essere sotto pressione (e non sempre talecondizione è fonte di stress), quanto una sorta dierrato confronto fra ciò che ci si aspetta accadrà eciò che realmente sta accadendo. Molte sfide daaffrontare sono di natura psicologica e riflettono ledifficoltà di interazione con gli altri quando si èimpegnati nella buona riuscita degli studi, si competepe

La seconda risposta neuroendocrina allo stressconsiste nell‛attivazione di un circuito creberosomaticodetto asse HPA, che connette fra loroipotalamo, ipofisi, surrene e ippocampo trasportandoormoni specializzati attraverso il torrente ematico.L‛ipotalamo è la zona chiave per la regolazionedell‛assetto ormonale: riceve fibre dalle aree delcervello che elaborano le informazioni emotive,inclusa l‛amigdala, e dalle regioni del tronco cerebraleche controllano le risposte nervose del simpatico edintegra le informazioni per produrre una rispostaormonale che stimola la stazione successiva, ovverol‛ipofisi. A sua volta, essa mette in circolo un ormonedetto adrenocorticotropina (ACTH). L‛ACTH stimolail surrene a secernere il cortisolo.Il cortisolo è l‛ormone steroideo chiave per capire lafase successiva della risposta allo stress. Esso innalzail livello ematico degli zuccheri e di altri metaboliticome gli acidi grassi, spesso a spese delle proteine,che vengono scisse in sostanze energetiche di prontoconsumo (una sorta di “barretta al cioccolato”istantanea per muscoli e cervello!). Il cortisolo, comel‛adrenalina innalza la pressione sanguigna e, in parolepovere, fa sentire meglio! Se doveste fare un a solo adun concerto, non vorreste certo essere assillati daaltre preoccupazioni, ma vorreste fare del vostromeglio pensandoci il meno possibile: il cortisolo inibisceanche altri fenomeni quali la crescita, la digestione,l‛infiammazione e persino la guarigione delle ferite e lepulsioni sessuali, tutte cose che si possono fare meglioin altri frangenti! L‛ultimo stadio del circuito è ilmeccanismo di retroazione del cortisolo sul cervello.La più alta densità di recettori per il cortisolo è sitanell‛ippocampo, struttura chiave per l‛apprendimento ela memoria ma il cortisolo agisce anche sull‛amigdala,che elabora la paura e l‛ansia (con l‛effetto di attivarlaper consentire l‛apprendimento della paura), e didisattivare l‛ippocampo (per assicurare che le risorsenon vengano sprecate considerando aspetti nonnecessari all‛apprendimento). Il cortisolo è la chiave divolta della capacità di concentrarsi.LO STRESS E‛ INEVITABILE: TUTTI NOI LOSPERIMENTIAMO. PUO‛ ESSERE DI NATURAPSICOLOGICA, FISICA O (DI SOLITO) ENTRAMBE.La storia dei due recettori per ilcortisolo e dell‛ippocampo ridotto.L‛ippocampo ha molti recettori per il cortisolo, di duetipi diversi, chiamati basso MR e alto GR. Il bassoMR viene attivato dai livelli normali di cortisolocircolante a livello dell‛asse HPA e mantiene nellanorma il metabolismo generale e i processi cerebrali.Quando tuttavia i livelli di cortisolo iniziano adaumentare, soprattutto al mattino, l‛alto GR iniziaprogressivamente ad attivarsi. In situazioni di stress,i livelli di cortisolo aumentano molto e attivano questirecettori, mentre l‛ippocampo è inibito da unprogramma geneticamente controllato.Rappresentando graficamente il processo si ottieneuna curva a campana che mette in relazione lo stresscon il funzionamento cerebrale: poco stress fa bene,un po‛ di più fa meglio, ma troppo fa male!Funzioni cognitivebasso MR MR/GR alto GRLivelli di cortisoloLa curva a campana dello stress. Poco stress puòmigliorare le cose, ma troppo le peggiora.Depressione, iperattività emeccanismi dello stressIn alcune malattie cerebrali croniche è presente uneccessivo livello plasmatico di cortisolo. In particolare,nella depressione grave, si ha un‛iperproduzione dicortisolo: studi recenti indicano che anche l‛ippocampoappare di dimensioni ridotte. Questi dati hanno portatogli psichiatri a ritenere la depressione maggiore comeuna condizione di stress prolungato. Non è per nulladimostrato che l‛aumento del cortisolo sia la causaprimaria di questa malattia piuttosto che laconseguenza di un grave scompenso psicologico e dellostress ad esso conseguente. I pazienti, tuttavia,traggono giovamento dall‛inibizione della produzione odell‛azione del cortisolo, soprattutto nei casi in cui gliantidepressivi classici sono inefficaci. Gli antidepressivispesso servono a normalizzare l‛iperattività dell‛asseHPA, in parte regolando la densità dei recettori MR eGR a livello cerebrale, soprattutto nell‛ippocampo. Ineuroscienziati sperano di poter mettere a puntotrattamenti più efficaci per i disturbi da stress cheagiscono riaggiustando il sistema di controlloretroattivo e riducendo l‛eccessiva risposta ormonale.Stress e invecchiamentoL‛invecchiamento cerebrale si accompagna ad unagenerale diminuzione delle funzioni superiori che varianotevolmente da individuo a individuo: alcuni (buoninvecchiamento), mantengono buone capacità cognitivementre altri no (cattivo invecchiamento). E‛ possibilefornire una spiegazione a livello molecolare? I livelli dicortisolo solo più alti nel cattivo invecchiamento che inquello buono. L‛aumento del cortisolo precede il declinodelle capacità mentali, che sono associate alladiminuzione, osservabile nelle scansioni cerebrali, delledimensioni dell‛ippocampo. Esperimenti su cavie hannodimostrato che tenendo basso dalla nascita, o anche daun‛età intermedia, il livello dell‛ormone dello stress, sipreviene la comparsa dei disturbi di memoria tipici deisoggetti non trattati. Sembra che gli individui conun‛eccessiva risposta ormonale allo stress (non quelli piùstressati, ma quelli che rispondono di più agli stimolistressogeni), siano quelli che con l‛età mostrano unamaggior compromissione della memoria ed altri disturbicognitivi. Se questo valesse anche per gli esseri umani,si potrebbero sviluppare farmaci antidepressivi chemantengano l‛asse ipotalamo-ipofisi-surrenale sottocontrollo. Lo stress è una componente rilevante dellavita moderna. C‛e ben altro in questa storia, ma perraccontarlo dobbiamo introdurre il sistema immunitario.36Siti Internet correlati: http://www.brainsource.com/stress_&_health.htm

Cervello e sistema immunitarioFino a pochi anni fa, si riteneva che il cervello fosseun “organo immunologicamente privilegiato” e che nonvenisse interessato dalle risposte immuni o da quelleinfiammatorie. La “barriera ematoencefalica” loprotegge, in una qualche misura, dagli accadimentiesterni. Non si tratta di una vera e propriabarriera, ma di uno strato di cellule endotelialispecializzate e di vasi sanguigni cerebrali cheimpediscono il passaggio dal sangue al cervello dellemolecole più grandi e delle cellule immunitarie.Questa visione del cervello come di un organoprivilegiato è però drasticamente cambiata nell‛ultimodecennio, in seguito agli studi sulle interazioni tracervello e sistema immunitario. La neuroimmunologiaè attualmente un fiorente campo di ricerca.Le difese somaticheIl sistema immunitario è la nostra prima linea di difesacontro gli invasori: virus, batteri e lieviti, dai piùcomuni e meno pericolosi, come quelli di un banaleraffreddore, fino a quelli più aggressivi e pericolosicome l‛HIV, la meningite o la tubercolosi.I nostri meccanismi di difesa funzionano in moltimodi. Uno di essi agisce nei tessuti infettati,traumatizzati o infiammati e causa edema, dolore,alterazioni del flusso sanguigno e rilascio di molecoleinfiammatorie in situ. L‛attivazione del sistemaAfferenzeumoralie nervoseInfezioneDannoInfiammazioneEfferenze localiCervelloIpotalamoSistema nervososimpaticoSistema Endocrinoe ImmunitarioSTRESS, FATTORI SOCIALICRFIpofisiACTHSurreneGlicocorticoidiMolti meccanismi cerebrali si uniscono percoordinare il cervello e il sistema immunitario.immunitario innesca l‛azione dei leucociti, deimacrofagi e delle proteine di fase acuta che sirecano nel sito dell‛aggressione per identificare, peruccidere e per rimuovere i patogeni. La risposta infase acuta causa inoltre i sintomi che tutticonosciamo: febbre, dolore, sonnolenza, perdita diappetito, apatia. Ogni risposta serve a combatterel‛infezione, risparmia energie e favorisce laguarigione ma, se attivata troppe volte o troppo alungo, può risultare dannosa: per questo deve venireattentamente controllata.Cervello e risposte di difesaLa visione del cervello come organo immunologicamenteprivilegiato ha ormai lasciato il posto ad una concezionemolto diversa delle sue relazioni con il sistemaimmunitario. Oggi sappiamo che il cervello è in grado dirispondere ai segnali provenienti dal sistemaimmunitario e dai tessuti lesionati. Le vecchie credenzesono state superate. Numerosi studi hanno rivelato cheil cervello è in grado di esibire una vasta gamma dirisposte immunitarie ed infiammatorie ed è quindi unimportante regolatore del sistema immunitario e dellarisposta in fase acuta. Molte risposte alle malattie,quali la febbre (temperatura corporea), il sonno e lafame sono regolate soprattutto dall‛ipotalamo. Ilcervello riceve, dai tessuti lesionati o infettati, segnaliche possono essere di natura nervosa (attraverso inervi sensitivi) o umorale (attraverso gli ormonicircolanti).I segnali nervosi sembrano essere trasmessi dalle fibreC (che trasportano anche gli stimoli dolorifici - vediCapitolo 5) e dal nervo vago a provenienza dal fegato,sito chiave per la produzione delle proteine della faseacuta. Non è del tutto nota la natura dei principalisegnali circolanti diretti al cervello, ma si ritiene checoinvolga le prostaglandine (che vengono inibitedall‛aspirina) e le proteine del complemento (unacascata di proteine fondamentali per sopprimere lecellule patogene). Ma il segnale forse più importante èdato da un gruppo di proteine scoperte negli ultimi 20anni, note col nome di citochine.Molecole di difesa: le citochineLe citochine sono le nostre molecole protettrici. Oggi neconosciamo più di un centinaio e se ne scopronocontinuamente di nuove. Queste proteine vengononormalmente prodotte in piccolequantità, ma si attivano velocemente in reazione ad undanno: comprendono gli interferoni, le interleuchine, ifattori di necrosi tumorale e le chemochine. Moltevengono prodotte a livello del tessuto lesionato eagiscono sulle cellule circostanti, mentre altre entranonel flusso ematico e portano segnali ad organi distantiprovocando la risposta alle malattie e alle infezioni.37

Non preoccuparti,le citochine ti salveranno!L‛attivazione della produzione di citochine è dovuta abatteri e virus, danno cellulare o altre minacce per lasopravvivenza della cellula quali tossine o scarsità diossigeno. Il cervello regola la produzione dellecitochine: tramite l‛invio di segnali nervosi ai tessuti(soprattutto attraverso il sistema nervoso simpatico) odi segnali ormonali (come il cortisolo dalla surrenale),può attivare o inibire le citochine.Le citochine sono molecole proteiche con moltepossibilità di azione in particolare sul sistemaimmunitario. La maggior parte di esse attiva il sistemaimmunitario e i fattori chiave dell‛ infiammazionecausando edema, modificazioni del flusso sanguignolocale e rilascio di secondi mediatori che agiscono sumolti organi, compreso il fegato, dove stimolano leproteine di fase acuta. Benché le citochine condividanomolti meccanismi d‛azione, sono tuttavia fra loro moltodissimili: alcune sono anti-infiammatorie e inibiscono iprocessi pro-infiammatori; molte agiscono localmentesulle cellule vicine al sito di produzione, altre vengonoinvece immesse in circolo, come gli ormoni.Stress e sistema immunitarioTutti sappiamo che stress e preoccupazioni possonoabbassare le nostre difese e causare delle malattie.Solo ora iniziamo però a capire non solo come lo stresspossa interessare direttamente il cervello attivandol‛asse HPA (vedi capitolo precedente), ma anche comesia in grado di influenzare in modo indiretto il sistemaimmunitario attraverso meccanismi cerebrali.L‛influenza sul sistema immunitario e la suscettibilitàalle malattie dipendono dal tipo di stress e dalla modalitàdi risposta; alcune persone addirittura ci marciano.Quello che inibisce le nostre risposte di difesa è lostress che non siamo in grado di gestire, come glieccessi lavorativi o le grandi tragedie. L‛esattomeccanismo che lega lo stress al sistema immunitarionon è ancora del tutto chiaro, ma sappiamo che unfattore importante è l‛attivazione dell‛asse ipotalamoipofisi-surrenalico.Una delle principali rispostecerebrali allo stress è l‛aumentata produzione di unaproteina ipotalamica detta fattore rilasciante lacorticotropina (CRF) che, compiuto un breve tragittofino all‛ipofisi, stimola il rilascio di un altro ormone,fattore rilasciante l‛adrenocorticotropina (ACTH)che, immesso in circolo, raggiunge il surrene doveprovoca la secrezione di ormoni steroidi (nell‛uomo ilcortisolo), che sono tra i più efficaci soppressori dellafunzione immunitaria e dell‛infiammazione. Il processoappare essere tuttavia più complesso: vi sono infatti ingioco altri fattori nervosi e ormonali ed è noto che unostress moderato può invece far aumentare lafunzionalità immunitaria.Risposte cerebrali autoimmuni einfiammatorieStudi recenti hanno dimostrato che molte molecole didifesa quali le citochine giocano un ruolo attivo nellagenesi di alcune malattie neurologiche come la sclerosimultipla, l‛ictus e la malattia di Alzheimer. Sembra cheun‛iperproduzione a livello cerebrale di tali molecole, inparticolare di alcune citochine, possa danneggiare ineuroni. Si stanno attualmente sviluppando diversenuove strategie terapeutiche per le malattie cerebrali,basandosi sul razionale di inibire le molecoleautoimmuni e quelle infiammatorie. Tra le nuoveneuroscienze, la neuroimmunologia potrebbe fornirealcuni importanti indizi per nuovi possibili trattamentiper alcune gravi malattie neurologiche.38Siti Internet correlati: http://science.howstuffworks.com/immune-system.htm

SonnoZ Z Z zOgni notte ci ritiriamo nella nostra camera, cicorichiamo e scivoliamo nello stato di incoscienzadel sonno. Molti di noi dormono per circa 8 ore, ilche significa che passiamo circa un terzo dellanostra vita dormendo, in parte sognando. Secerchiamo di evitare di dormire per impiegarequesto tempo prezioso in altre attività, quali tirartardi a una festa o passare la notte sui libri perpreparare un esame, il nostro corpo e il nostrocervello subito ci ammoniscono che non dovremmo.Possiamo farcela per un po‛ ma non troppo a lungo.Il ciclo sonno/veglia è una delle tante attivitàritmiche del corpo e del cervello. Perché esistono,quali parti del cervello coinvolgono e comeavvengono?Il ritmo della vitaIl ciclo sonno-veglia è un ritmo endogeno che divienegradualmente parte del ritmo nictemerale nei primianni di vita. E‛ ciò che viene detto un ritmo circadiano(dal latino ‘circa‛ = attorno, e ‘dies‛ = giorno). E‛importante in tutto l‛arco della vita: i neonati dormonoper brevi periodi sia durante il giorno che la notte, ibambini spesso fanno un sonnellino nel pomeriggio,mentre gli adulti, solitamente, dormono solo la notte.Il sonno è salutare: si dice che Winston Churchill,Primo Ministro britannico durante la II GuerraMondiale, facesse spesso brevi sonnellini di cinqueminuti, a volte persino durante le riunioni di governo!Il normale ciclo sonno-veglia nell‛arco delle 24 ore è inparte controllato da un gruppetto di celluledell‛ipotalamo, poste proprio sopra il chiasma ottico aformare il nucleo soprachiasmatico. Questi neuroni,che hanno la particolarità di formare molte sinapsi trai loro stessi dendriti in modo da sincronizzare la lorofrequenza di scarica, fanno parte dell‛orologiobiologico cerebrale. Nell‛uomo funziona ad un ritmoleggermente più lento delle 24 ore, ma viene tenuto inregistro dagli stimoli visivi che comunicano quando ègiorno e quando è notte. Sappiamo questo in quanto,volontari che hanno partecipato ad esperimenti sulsonno vivendo in caverne buie per lunghi periodi, senzaindicazioni relative all‛ora della giornata, hannoassunto ritmi di attività a ciclo-libero della durata dicirca 25 ore.Gli stadi del sonnoIl sonno non è un processo passivo come sembra. Se siesegue una registrazione elettrica di un soggetto in unlaboratorio per lo studio del sonno (dotato di comodiletti!), l‛elettroencefalogramma (EEG) che si ottienedimostra il succedersi di stadi distinti. Quando siamosvegli, il nostro cervello mostra un‛attività elettrica dibassa ampiezza. Quando ci addormentiamo, l‛EEGdiviene inizialmente piatto ma, in seguito, mostra ungraduale aumento di ampiezza e diminuzione di attivitàmano a mano che si passa attraverso i vari stadi delsonno. Questi stadi sono detti di sonno-lento. Il motivodel cambiamento dell‛attività elettrica non è ancora deltutto ben compreso. Si ritiene che le cellule cerebrali,diventando irresponsive ai normali stimoli, sisincronizzino gradualmente fra loro. L‛inibizione attivadei neuroni che controllano i movimenti dei muscolischeletrici porta alla perdita del tono muscolare ma,fortunatamente, quelli che presiedono al controllocardio-respiratorio continuano a funzionarenormalmente!Durante la notte passiamo ripetutamente attraverso ivari stadi del sonno. In uno di questi l‛EEG diviene similea quello di veglia e gli occhi si muovono in entrambe ledirezioni sotto le palpebre abbassate. Si tratta dellostadio dei cosiddetti movimenti rapidi oculari (REM =rapid eyes movements) stadio in cui compaiono anche isogni. Se veniamo risvegliati durante il sonno REM,quasi sempre ricordiamo il contenuto del sogno. Ciòavviene anche per coloro che ritengono di non sognaremai (fate la prova con un vostro familiare!). La maggiorparte di noi ha da 4 a 6 brevi episodi di sonno REM ogninotte. I bambini hanno più sonno REM e persino glianimali mostrano di averlo.VegliaREMStadio1Stadio2Stadio3Stadio40 1 2 3 4 5 6 7 8Ore di sonnoUna normale notte di sonno di 8 ore consiste in un ciclo divari stadi di sonno, con brevi periodi di sonno REM (inrosso) che si verificano circa 4 volte per notteNSC attivo di giornoNSC quiescente di notteIl nucleo soprachiasmatico (NSC) è l‛orologiopersonale del cervello.La privazione di sonnoAlcuni anni fa, Randy Gardner, un ragazzo americano,decise di provare ad entrare nel Guinness dei Primatirestando sveglio per il periodo di tempo più lungo mairegistrato. Il suo intento era di rimanere 264 ore senzadormire, e ce la fece! Si trattò di un esperimentoattentamente controllato dai medici della Marina39

Militare Americana, che è altamente sconsigliabileripetere! Sorprendentemente ne uscì bene. I suoiproblemi più evidenti (oltre a sentirsi molto stanco)furono la difficoltà a parlare, l‛incapacità aconcentrarsi, la perdita di memoria e la comparsa diallucinazioni. Fisicamente rimase in ottime condizionie non diede mai segni di follia o di distacco dallarealtà. Alla fine dell‛esperimento mostrò qualcheripercussione, dormendo quasi quindici ore la nottesuccessiva e qualche ora in più anche le altre notti.Questo e molti altri esperimenti similari hannopersuaso i ricercatori che a trarre vantaggio dalsonno è il cervello più che il corpo. A simili conclusionisi è giunti anche conducendo studi controllati suglianimali.Perché dormiamo?Molti argomenti nel campo delle neuroscienze restanoun enigma e il sonno è uno di questi. Alcuni studiosiargomentano che il sonno sia utile agli animali perstare lontano dai pericoli rimanendo immobili. Ma cideve essere certamente ben altro. Gli studi diprivazione di sonno ci fanno pensare che il sonno REMe alcune fasi del sonno-lento, che avvengono nelleprime 4 ore ogni notte, siano ristoratrici per ilcervello. Forse lo aiutano a ripristinare le sue funzioniottimali ed il momento migliore per farlo, in analogiacon una barca tirata a riva, è quando non si stannoelaborando le informazioni sensoriali, o non si èattenti e vigili o non si debbono controllare le azioni.Le ricerche ci suggeriscono che il sonno è anche ilmomento in cui si consolidano gli apprendimenti delgiorno prima, un processo essenziale per la memoria.Come funzionano i ritmi?Molto si è appreso sulle basi neurali delle attivitàritmiche come il sonno registrando l‛attività deineuroni in varie aree cerebrali durante la transizionetra i diversi stadi del sonno stesso. Questeosservazioni hanno portato alla scoperta di un sistemaattivatore sito nel tronco encefalico che comprendediversi neuromodulatori, tra cui l‛adenosina, in unaFrontiere della RicercaE adessoaddormentati!!!sorta di reazione molecolare a catena che ciaccompagna attraverso i vari stadi del sonno. Imeccanismi di sincronizzazione consentono ai circuitineurali di passare da una stadio all‛altro.Un balzo in avanti è stato reso possibile dallaneurogenetica. Sono stati identificati svariati geni che,come le ruote dentate e gli ingranaggi di un orologio,sono le componenti molecolari del nostro segnapassi delritmo. Gran parte degli studi sono stati condotti sullaDrosophila (il moscerino della frutta) in cui sono statitrovati due geni - PER e TIM – che producono proteineche interagiscono fra loro per regolare la propriasintesi. La sintesi delle proteine e del mRNA inizia almattino presto, le proteine si accumulano, si legano fraloro e questo legame blocca la sintesi. La luce diurnaaiuta a degradare le proteine il cui livello scende diconseguenza ad un punto in cui i geni che codificano PERe TIM ripartono nuovamente. Questo ciclo continua aripetersi ed avviene persino se i neuroni sono coltivati invitro. L‛orologio biologico dei mammiferi, uomocompreso, funziona in modo molto simile a quello delmoscerino. Dato che i ritmi circadiani sono molto antichiin termini di evoluzione, forse non sorprende chemolecole identiche possano regolare l‛orologio inorganismi tanto diversi.Luce Buio Luce Buio10Luce Buio Luce BuioGiorni2030Topi Normali con "jet-lag"Topi senza jet-lag!40Topi Mutanti con "cambio-di-fuso" immediatoPer comprendere meglio i meccanismi molecolari dei ritmi circadiani, i neuroscienziati hanno modificato geneticamente deitopi in cui i geni espressi nel nucleo soprachiasmatico erano “soppressi”. Questi topi VIPR2 vivono bene e motrano unaalternanza dei ritmi notturni e diurni come i topi normali. I puntini neri dei diagrammi soprastanti indicano i momenti diattività dei topi – un ritmo diurno con attività notturna (aree grigie). Quando l‛ora di spegnimento della luce viene di colpoposticipato di 8 ore (circa al 25° giorno), i topi normali mostrano il “jet-lag” e impiegano alcuni giorni per modificare il lororitmo di attività. I topi mutanti si adattano immediatamente. Questo tipo di studi ci aiuta a comprendere i meccansmimolecolari attraverso cui la luce attiva i geni segnapassi dei ritmi circadiani.40Siti Internet correlati: http://www.hhmi.org/lectures/2000/http://www.cbt.virginia.edu, http://science.howstuffworks.com/sleep.htm

NeuroimmaginiI frenologi credevano di poter capire il cervelloguardando i bernoccoli sulla superficie del cranio.Se questo ci sembra oggi fuorviante, l‛ambizione dicapire il cervello osservando il cranio dall‛esterno haincuriosito molti nel corso dei secoli. Oggi possiamofarlo davvero – grazie all‛avvento delle modernetecniche di visualizzazione cerebrale. I tomografimoderni usano una gran varietà di metodi per fornircisplendide immagini di strutture cellulari e nervose, delflusso ematico e del metabolismo energetico delcervello, e delle variazioni dell‛attività neuronale cheavvengono quando compiamo varie operazioni.La strada verso le moderne tecnicheNel tentativo di stabilire una corrispondenza trastruttura e funzione, neurologi e neuropsicologi checorrelano ogni stranezza della mente e delcomportamento con le misurazioni delle strutturecerebrali post-mortem, hanno appreso molto sul cervello:è stato così che le aree legate alla parola sono stateidentificate da Broca. Questo approccio ha consentitomolti successi, ma ha anche dei limiti. Non si puòformulare semplicemente l‛assunto che la perdita di unafunzione in seguito ad una lesione in un‛area specifica delcervello rappresenti la funzione propria di quell‛area. Unadisfunzione può, ad esempio, essere dovuta al fatto chequell‛area si ritrova isolata o disconnessa da altre regionicon le quali normalmente comunica. E‛ anche possibile chearee del cervello indenni possano prendersi carico dellefunzioni che in circostanze normali vengono svolte da areeora danneggiate: si tratta del fenomeno noto comeplasticità. Solo poche lesioni patologiche sono inoltreconfinate in una precisa area funzionale. Potrebbe infinepassare molto tempo fra lo studio clinico di un paziente invita e lo studio del cervello post-mortem.Le tecniche di visualizzazione delle strutture cerebrali(neuroimmagini) cominciarono ad essere ideate circa 40anni fa. Il recente sviluppo dei metodi di visualizzazionefunzionale da parte dei fisici medici ha destatoparticolare attenzione. Tali metodi consentonoletteralmente di vedere all‛interno del cranio e indagarecosì il cervello umano mentre pensa, impara o sogna.Come funzionaLe tecniche elettrofisiologiche per rilevare l‛attivitàneuronale sono basate sulle variazioni del potenziale dimembrana dei neuroni attivati. Le tecniche divisualizzazione del cervello sfruttano l‛osservazione dellevariazioni del metabolismo energetico necessario perattivare i neuroni.Il gradiente elettrochimico che sposta gli ioni all‛interno eall‛esterno del neurone (e che è all‛origine del potenzialesinaptico e del potenziale d‛azione) ha bisogno di energiaper funzionare. Il glucosio e l‛ossigeno vengono rilasciatinel cervello attraverso la circolazione cerebrale. Graziealla giunzione neurovascolare, si ha un aumento locale delflusso sanguigno cerebrale nelle aree attive, che si verificamolto rapidamente. I moderni apparati per leneuroimmagini misurano queste variazioni del flussosanguigno cerebrale locale e le utilizzano come indicedell‛attività neurale.La prima tecnica funzionale sviluppata è stata laTomografia ad Emissione di Positroni (PET). Questaprocedura richiede di iniettare al soggetto dei tracciantiradioattivi che sono legati ad un composto di interessebiologico (come un farmaco che si lega al recettore di unneurotrasmettitore). Una serie di anelli di rilevatoricirconda la testa del soggetto e registra l‛istante e laposizione delle emissioni gamma che vengono prodottedall‛isotopo nucleare mentre attraversa il cervello edecade. La PET può essere utilizzata per produrre dellemappe di variazioni locali nel flusso sanguigno cerebrale(CBF). Queste misurazioni hanno portato all‛individuazionedelle funzioni cerebrali sensoriali, motorie e cognitive negliesseri umani. La PET ha però diversi svantaggi, il maggioredei quali è la necessità di iniettare un traccianteradioattivo. Ciò implica che non tutti possono sottoporsi adun‛indagine PET (come i bambini e le donne in gravidanza),ed il numero di misurazioni che possono essere fattedurante una sessione è limitato.In seguito è stata sviluppata una tecnica completamentedifferente, chiamata Immagine di Risonanza Magnetica(MRI), che ha il vantaggio di essere assolutamente “noninvasiva” e di non richiedere l‛uso di sostanze radioattive.A sinistra: i profitti ricavati dalla E.M.I. per la vendita dei dischi dei Beatles contribuirono allo sviluppo della prima macchina pervisualizzare il cervello. Questi ed altri strumenti hanno consentito ai neuroscienziati di guardare dentro il cervello in modo nuovo.A destra: una moderna macchina per la MRI. Il soggetto è disteso su un pianale che viene fatto scorrere all‛interno degli anellimagnetici. L‛acquisizione delle immagini può richiedere da 30 minuti a un‛ora.41

Questo consente di sottoporre all‛esame persone diogni età. La MRI può essere usata per produrreimmagini molto particolareggiate delle strutturecerebrali, ed il recente sviluppo di un‛ulteriore tecnicadetta Immagine di Tensore di Diffusione (DTI)consente di ottenere ricostruzioni minuziose delle fibredi sostanza bianca che connettono le regioni cerebrali.Immagine dei vasi sanguigni del cervello. Le variazioni delflusso ematico possono essere riconosciute e utilizzatecome indice di attività neuronale.Una delle applicazioni più entusiasmanti della tecnologiaMRI è il metodo chiamato Immagine di RisonanzaMagnetica funzionale (fMRI). Questa tecnica è basatasulle differenti proprietà magnetiche dell‛ossiemoglobina edella desossiemoglobina nel sangue (per questo il segnaledella fMRI è detto BOLD (blood oxygenation leveldepedent = dipendente dal livello di ossigenazione delsangue). L‛aumento dell‛attività neuronale causa unmovimento di ioni che attiva pompe ioniche che richiedonoconsumo d‛energia provocando un aumento del metabolismoenergetico e del consumo di ossigeno; questo porta ad unaumento dell‛emoglobina deossigenata e ad un calo delsegnale di magnetizzazione. L‛aumentato consumo diossigeno è seguito, dopo pochi secondi, da un incrementolocale del flusso sanguigno cerebrale. Tale incrementosupera quello del consumo di ossigeno; si ha dunque unaumento relativo della quantità di ossiemoglobina e,conseguentemente, dell‛entità del segnale. L‛esattomeccanismo che porta all‛aumento del flusso sanguignocerebrale non è ancora chiaro, ma si ritiene che sia dovutoad un segnale legato ad un neurotrasmettitore.Grazie al computer, le immagini ottenute dalle scansioniPET e MRI mostrano esattamente dove, nel cervello, sisono verificate variazioni di flusso sanguigno.Come si faProbabilmente siete molto bravi a sottrarre i numeri; maavete mai provato a sottrarre i cervelli? Non c‛è dubbioche il ragazzo della vignetta sia confuso. Sottrarreimmagini del cervello a due e a tre dimensioni è un fattorecritico per l‛analisi dei dati. La maggior parte degli studidi fMRI consiste nel misurare il segnale BOLD mentre unsoggetto è impegnato in un compito strettamentecontrollato. Durante la scansione, si rileva la rispostacomportamentale a diversi stimoli da parte di un soggettodisteso all‛interno del tubo magnetico. Gli stimoli possonoessere visivi, proiettati su uno schermo visibile alsoggetto, o uditivi, che giungono attraverso delle cuffie.È possibile indagare fenomeni complessi come lapercezione, l‛apprendimento, la memoria, il pensiero e lapianificazione.42

Spesso vengono ideati due compiti molto simili daeseguire l‛uno dopo l‛altro: l‛idea è che uno di essidovrebbe coinvolgere il processo cerebrale cheinteressa allo sperimentatore mentre l‛altro no. Leimmagini cerebrali ottenute in successione vengono poisottratte l‛una dall‛altra per ottenere un‛immaginebidimensionale nella quale i pixel descrivono il modo incui le variazioni dell‛attività sono specificamenteassociate all‛esecuzione di un preciso processocerebrale. Queste immagini sono raccolte da uncomputer per ottenere un‛effettiva sottrazione diimmagini tridimensionale (vedi la vignetta nella paginaprecedente). Recenti sviluppi della tecnica (noti comeprotocollo fMRI “ad eventi”) consentono di rilevarebrevi pensieri o eventi cerebrali di durata fino ad uno odue secondi). Per vedere se le variazioni del segnaledurante l‛esecuzione di un compito sono statisticamentesignificative, si utilizzano metodi molto sofisticati dianalisi dei dati. Un programma di analisi di larghissimadiffusione, che ha standardizzato l‛elaborazione deiA una persona dentro lo scanner può essere mostrata unagrande varietà di immagini. Tutte “accenderanno” le areevisive primarie della corteccia cerebrale: la V1 e la V2.L‛utilizzo di opportune tecniche di sottrazione ha svelatoche l‛analisi dei colori (a sinistra) viene effettuata nell‛areaV4, mentre quella del movimento (di punti casuali che sispostano sullo schermo, a destra) attiva l‛area V5.L‛attivazione dell‛area V5 avviene con la percezione delmovimento. Le informazioni a quest‛area provengonodall‛area V2 della corteccia cerebrale e dal Pulvinar (Pul)un nucleo cerebrale profondoo. La corteccia parietaleposteriore (PPC) controlla il flusso di informazioni.L‛analisi dello connessioni attive consente di elaborarneil relativo contributo.temporale mediale nei compiti di memoria a lungo termine.Nuovi paradigmi d‛indagine, come l‛uso della realtàvirtuale, stanno rivelando solo ora un‛attivazione di questolobo nei processi mnemonici, unitamente ad altre areecome la corteccia frontale ed il precuneo. Grazie anchealle nuove scoperte della neuropsicologia e delleneuroimmagini, la varietà delle aree coinvolte ha cambiatola nostra comprensione dei sistemi cerebrali di memoria.Si stanno inoltre sviluppando nuove tecniche matematiche(note come connettività effettiva) per osservare il modoin cui l‛attività neuronale di diverse regioni del cervellointeragisca e si correli durante lo svolgimento di compiticoplessi. Tutte queste osservazioni ci permettono diapprezzare come le aree del cervello funzionino come unasquadra e non semplicemente come “punti critici” isolati.La speranza è che queste nuove tecniche, con magneti dimaggiore intensità che forniscano immagini ancora piùprecise, ci possano un giorno raccontare le dinamichedelle reti neuronali che dialogano l‛una con l‛altra nelcontrollo ininterrotto della percezione, del pensiero edell‛ azione.dati delle immagini, è noto come “mappatura statisticaparametrica” (SPM). Le mappe di SPM sono reseintuitive con l‛uso dei colori: le zone più “calde” sonocolorate in giallo, quelle più “fredde” in blu e in nero.Gli scienziati che si occupano di neuroimmagini diconoche un‛area “si accende” quando si compionodeterminate funzioni. Se una persona guarda unascacchiera che cambia in continuazione, si osservanosostanziali attivazioni nella corteccia visiva primaria.L‛uso di elementi in movimento o colorati e di altristimoli appositamente disegnati per attivare areediverse del sistema visivo hanno fornito una grandequantità di informazioni sull‛organizzazione del sistemavisivo umano. Studi simili sono stati eseguiti per altriaspetti sensoriali. Questo modo di pensare “perlocalizzazioni” ha consentito inoltre di individuare learee coinvolte nei diversi aspetti della lettura, come latrascrizione di una parola scritta in un codicefonologico, l‛unione di fonemi in una parola, l‛estrazionedel significato delle parole, e così via. Sono statistudiati anche gli aspetti dell‛apprendimento, e si sonopotute distinguere le aree cerebrali coinvoltenell‛anticipazione e nella percezione del dolore.Con l‛avanzare della ricerca, sono spuntatemolte nuove sorprese. Un esempio recente èdato dalla mancata attesa attivazione del loboFrontiere della ricercaNikos Logothetis è un giovane ricercatore che haprodotto contributi importanti alla comprensione dellerelazioni fra l‛attività dei neuroni cerebrali e i segnalirilevati negli esperimenti di brain imaging.Esperimenti recenti nei quali la registrazione elettricadell‛attività cerebrale è stata associata alla fMRI hannomostrato una correlazione fra attività sinaptica e ilsegnale BOLD maggiore di quanto non si abbia per lescariche di potenziali d‛azione. Il segnale BOLD è quindiun indice di attività sinaptica cerebrale più realistico diquanto sia la produzione di potenziali d‛azione. Ciò haimportanti applicazioni per l‛interpretazione del segnaleBOLD in termini di localizzazione delle funzioni.Siti Internet correlati: http://www.dcn.ed.ac.uk/bic/http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/43

Reti neurali ementi artificialiIl cervello è fatto di sostanza molle. I neuroni, ivasi sanguigni ed i ventricoli pieni di liquido sonocomposti da membrane lipidiche, proteine e da unagran quantità d‛acqua. Puoi comprimerlo con le dita,tagliarlo con un bisturi, inserirvi degli elettrodi eguardarvi il sangue pulsare. Gli studi sul cervellosembrano fermamente ancorati alla biologia e allamedicina. C‛è tuttavia un altro modo di immaginareil cervello che ha attirato l‛attenzione dimatematici, fisici, ingegneri ed informatici, chepensano al cervello scrivendo equazioni, creandomodelli al computer ed apparecchi elettronici chesimulano i veri neuroni.Il cervello è un organo adattativo: è in grado di leggereuna scrittura che non abbiamo mai visto prima e capireil discorso di un perfetto sconosciuto, riesce atollerare che qualcosa non vada, funziona abbastanzabene per tutta la durata della vita anche se le suecellule muoiono e, anche in tarda età, è capace diapprendere nuove procedure. I robot di oggi sonomolto bravi ad eseguire i compiti per i quali sono statiprogettati, come costruire parti di automobile, masono poco tolleranti quando qualcosa non funziona.Il cervello è costituito da reti neuronali altamenteinterconnesse. I neuroni hanno bisogno di energia e lereti hanno bisogno di spazio. Il nostro cervellocontiene approssimativamente 100 miliardi di cellulenervose, 3,2 chilometri di “cavi”, un milione di miliardidi connessioni, il tutto in un volume di capienza pari acirca 1,5 litri ma dal peso di solo 1,5 chilogrammi e dalconsumo pari ad appena 10 watt. Se provassimo acostruire un cervello simile usando circuiti di silicio,consumerebbe circa 10 megawatt, la potenzanecessaria ad alimentare un‛intera cittadina. Tantoper peggiorare le cose, il calore prodotto da questocervello al silicio lo farebbe fondere! Per potercostruire macchine simili al cervello, occorre scoprirecome esso possa operare in maniera tanto efficienteed economica, ed impiegare gli stessi suoi principi.Il tuo cervello ha 100.000.000.000 di cellule e3.200.000 chilometri di cavi, con1.000.000.000.000.000 di connessionisinaptiche, tutto in un volume di 1,5 litri e delpeso di 1,5 kg. Ciò nonostante, consuma più omeno quanto una lampadina!Costruire circuiti cerebrali al silicioIl costo energetico della trasmissione dei segnali da unneurone all‛altro è stato uno dei fattori critici perl‛evoluzione del cervello. Circa il 50-80% di tutto ilconsumo energetico del cervello è impiegato per laconduzione dei potenziali d‛azione lungo le fibre nervosee per la trasmissione sinaptica. Il resto è utilizzato perla costruzione e la manutenzione delle strutture.Questo è vero tanto per il cervello di un‛ape quanto peril nostro. Tuttavia, se comparato alla velocità di uncomputer digitale, l‛impulso nervoso è molto lento – soloqualche metro al secondo. In un processore serialecome un computer digitale, questo renderebbe il lavoroimpossibile. I cervelli biologici però sono costruiti comereti parallele: la maggior parte dei neuroni è connessadirettamente con migliaia di altri. Per fare questo, ilcervello sfrutta tutto il suo volume tridimensionaleripiegando i fogli di cellule nei solchi e impacchettandole connessioni in fasci. Le connessioni fra un numeroanche modesto di neuroni al silicio è all‛opposto limitatadalla natura bidimensionale dei circuiti e delle schedeelettroniche: la comunicazione diretta fra di essi èquindi assai limitata. Sfruttando l‛elevatissima velocitàdegli apparati elettronici, gli impulsi provenienti da piùneuroni al silicio possono essere “moltiplicati”,consentendo il trasporto di più informazioni lungo lostesso cavo. In questo modo, gli ingegneri informaticiiniziano ad emulare la connettività delle reti biologiche.Per ridurre il consumo ed aumentare la velocità dellereti, gli ingegneri, ispirati dal modello neurologico,hanno adottato un sistema analogico anziché digitale.Carter Mead, uno dei “guru” della Silicon Valley inCalifornia, ha coniato il termine “progettazioneneuromorfa” per descrivere l‛applicazione dellaneurobiologia alla tecnologia. Anziché codificare leinformazioni digitalmente in termini di “0” e “1”, comefanno i computer, i circuiti analogici codificanomediante continue variazioni di voltaggio, così comefanno i neuroni sottosoglia (Capitolo 3). Le operazionipossono allora avvenire con un minor numero di passi,sfruttando la fisica di base dei circuiti al silicio. Lacomputazione analogica esegue facilmente le operazionielementari di calcolo quali somme, sottrazioni,esponenziali ed integrali, che sono invece tutte moltocomplicate per le macchine digitali. Quando i neuroni,siano essi biologici o di silicio, calcolano e “prendono unadecisione”, trasmettono, lungo l‛assone, la risposta aineuroni bersaglio. La codifica dei picchi di potenziale èenergeticamente svantaggiosa, e per essere efficientedeve massimizzare la quantità di informazionirappresentata da un treno di picchi riducendone laridondanza. L‛efficienza energetica può anche essereaumentata usando un numero di neuroni attivi il piùpiccolo possibile. Questo metodo è detto codificararefatta e fornisce agli ingegneri un altro importanteprincipio di progettazione delle reti neurali artificiali.44

Una retina al silicioE‛ già stata costruita una semplice versione artificialedi rete biologica, che consiste in una retina al silicioche cattura la luce e adatta la propria risposta allevariazioni delle condizioni di luce incidente. Questaretina è connessa a due neuroni di silicio che, come iveri neuroni della corteccia visiva, hanno il compito diestrarre le informazioni sull‛orientamento delle lineeed i bordi di contrasto dell‛immagine retinica.I neuroni di questo prototipo sono detti integratoriemettitorie sono largamente usati dai progettistineuromorfici. Il loro nome deriva dal fatto che essicodificano gli stimoli in ingresso come”‘somma”‛ divoltaggi sinaptici ed “emettono” un potenziale d‛azionesolo se il voltaggio raggiunge una determinata soglia. Ineuroni al silicio sono composti da transistor ma,invece di usarli come interruttori e portare i voltaggia saturazione come nei sistemi digitali convenzionali,eseguono il loro lavoro a livelli sotto soglia. A talilivelli, funzionano in maniera più simile alle membranecellulari dei neuroni veri. Ulteriori transistorforniscono la conduttanza attiva necessaria peremulare i flussi di corrente voltaggio e tempodipendentidei veri canali ionici. Questo piccolo sistemavisivo è un prototipo di un sistema artificialemolto più elaborato che è ancora in fase di sviluppo,ma è sufficiente ad illustrare come un segnale moltorumoroso dell‛ambiente possa essere elaboratovelocemente per produrre una semplice decisione.Questo sistema al silicio riesce a fare ciò per cui èstato progettato, cioè stabilire quale sial‛orientamento di una linea in un‛immagine, e ineuroscienziati stanno già per collaudareapparecchiature e a scopo didattico. L‛aspetto piùimportante è che le reti artificiali operano nel mondoreale, in tempo reale e utilizzano pochissima energia.Fotocamera montata davanti ad una retina al silicioReti neurali artificialiLe Reti Neurali Artificiali (ANN) vengono utilizzate perstudiare l‛apprendimento e la memoria. Di solitofunzionano su computer digitali convenzionali econsistono in un certo numero di unità semplici dielaborazione che sono altamente interconnesse in unarete. Il tipo più semplice di ANN è un associatoreanterogrado, con interconnessione a strati in ingressoe in uscita. Modificando l‛intensità delle connessioni fragli strati si genera una memoria associativa in modoche, quando si presenta un segnale d‛ingresso, vienerichiamato il segnale immagazzinato ad esso associato(vedi Riquadro del rompicapo matematico a paginaseguente). Un tipo più complesso di ANN è la reteneurale ricorsiva, che consiste di unità interconnessein un singolo strato che agiscono sia da ingresso che dauscita. Può apparire strano, ma questo adattamentoconsente alla rete di immagazzinare sequenze diinformazione anziché solo alcuni segnali. La decodificadi questa sorta di rete autoassociativa è ottenutaricercando ricorsivamente la sequenza immagazzinata.Si è visto che in una rete di 1000 unità si possonorichiamare circa 150 sequenze prima che gli errori nelprocesso di richiamo diventino rilevanti.La somiglianza delle ANN con quelle cerebrali consistenel modo in cui entrambe immagazzinano ed elaboranole informazioni. I ‘contenuti‛ elaborati risiedono nellarete stessa. Non hanno sedi proprie per la memoriacome i computer digitali, in cui il processore aritmeticoe gli indirizzi di memoria sono separati, ma possiedonoinvece un magazzino indirizzabile di contenuti. In unaANN, la diversa intensità delle connessioni permette diimmagazzinare l‛informazione, così come il variare dellaforza sinaptica consente l‛apprendimento. Le ANN nonsono programmate per eseguire alcuna proceduraspecifica: ogni ‘neurone‛ al suo interno è ‘muto‛, erisponde semplicemente in base alla somma delleintensità all‛ingresso, anche se può venire allenato perspecifiche prestazioni. Le modalità di apprendimentodelle reti modificano l‛intensità delle connessionineuronali; un esempio è dato dal confronto tra ilsegnale in uscita, provocato da un dato segnale inentrata, e la sequenza che si desiderava ottenere.Qualunque ‘errore‛ nel confronto viene poi utilizzatoper regolare l‛intensità delle connessioni ed ottenereun segnale d‛uscita più simile a quello desiderato. Larete riduce quindi l‛errore gradualmente, anche selentamente.Gli errori sono importanti: nessun apprendimento èpossibile se non si commettono errori. Questa è unacaratteristica da non trascurarsi. Una rete superallenata che non commette mai errori finisce colrispondere solo ad un tipo di segnale. Queste retivengono dette metaforicamente della nonna inriferimento ad ipotetiche cellule cerebrali che siattiverebbero solo alla vista della nonna senza maisbagliare! Ciò non sarebbe in realtà molto utile, perchéogni elemento da imparare richiederebbe una specificarete. Al contrario, l‛aspetto pregevole delle ANN stanella loro capacità di generalizzare i segnali d‛ingressocui non sono mai state esposte: osservano le relazioni,colgono le associazioni, scoprono le regolarità dellesequenze, commettono dei giusti errori, proprio comeun vero cervello, e possono evocare una sequenza anchequando il segnale d‛ingresso è rumoroso o incompleto.Si tratta di proprietà molto importanti per un cervellobiologico, che anche le ANN debbono possedere.45

Il paradosso della modernatecnologia di calcoloIl paradosso delle attuali ANN è che esse sono simulatematematicamente su computer digitali: questo limita la loroapplicazione nelle situazioni reali. Le simulazioni richiedonoinfatti tempo e le ANN non sono in grado di operare in temporeale. Esse sembrano invece adatte per guidare un‛automobileo pilotare un velivolo, perché non vengono disturbate dalrumore di segnale e continuano a funzionare anche se alcuneloro parti si guastano. I sistemi esperti che vengono impiegatinei piloti automatici sono però computer digitali su cuioperano programmi deterministici convenzionali e, persicurezza, necessitano di continue verifiche manuali. Se, suun aeroplano, le cose vanno davvero male, questi sistemi nonpossono risolvere nulla. Il pilota umano deve intervenire. Glialgoritmi attuali di apprendimento per le ANN sono troppolenti per questo tipo di emergenze. Se i neuroni al siliciopotessero davvero imparare, cosa che ora non avviene, alloramolti di questi problemi potrebbero essere risolti. Soloaccrescendo la comprensione del nostro cervello potremoriuscire a costruire reti neurali più sofisticate in grado diottenere prestazioni simili a quelle umane.Rompicapo matematicoUna memoria distribuita con contenuto indirizzabileImmaginate una serie di linee orizzontali che siincrociano con quattro verticali e “interruttori” neipunti di intersezione (A). Questa matrice è unamemoria. Le informazioni le vengono presentate sottoforma di numeri binari, come 0011 e 1010. Stabiliamoche gli interruttori siano aperti (on) quando un 1incontra un 1 (B, punti grigi). Questa disposizionesegnala la presenza di una coppia di 1. La matrice puòimmagazzinare altri numeri oltre a quelli precedenti,come 1010 e 0110 (C, punti azzurri). Lo stato finaledella matrice ha 7 interruttori on. Se ora si presentanuovamente il primo numero - 0011 - allo matrice finalee si fa in modo che la corrente sia indotta nei filiverticali ogni volta che un interruttore è on, lacorrente uscirà dalle linee verticali verso il basso (D,frecce rosse), generando il numero numero 2120Questo non è il numero inizialmente appaiato a 0011ma, se si divide 2120 per la quantità di 1 nel numerousato come richiamo (0+0+1+1 = 2) e considerando sologli interi (cioè non i valori decimali), si ottiene 1010.Quindi la matrice ha “ricordato” che 0011 siaccompagnava a 1010 anche se un altro messaggio èstato immagazzinato dopo il primo.ABCDNOMAD è un irrequieto ma intelligente progenitore dellefuture macchine pensanti. E‛ alto due piedi ed ha untorace cilindrico con “occhi”, “orecchie”, “mani” prensili esensori che lo aiutano a muoversi. Ciò che rende NOMADdiverso dalla maggior parte dei robot è che funzionasenza regole codificate o istruzioni. Possiede un cervellosimulato da un computer con 10.000 cellule nervose e piùdi un milione di connessioni che gli consentono dipercepire e reagire all‛ambiente. Può gestire situazioninuove e imparare dai suoi errori mentre si muove in unambiente semplice fatto da pochi cubi colorati. Alcunidei cubi hanno strisce e conducono l‛elettricità, così daessere “gustosi”. Altri hanno cerchi e non conduconol‛elettricità: sono, quindi, meno “gustosi”. Osservando icubi e “assaggiandoli” con i sensori elettrici delle suedita, NOMAD impara a trascurare i cubi con i cerchi afavore di quelli con le strisce.Divisione intera per 2Questo è il tipo di memoria che si pensa abbia il nostrocervello. Essa non immagazzinerebbe le informazioni inposti specifici, come accade in un computer. Leinformazioni, invece, sarebbero distribuite nella rete eimmagazzinate come variazioni delle connessionisinaptiche, così da poter essere recuperate inriferimento al proprio contesto. Il problema è chequesto tipo di memoria si satura molto presto,specialmente quando ci sono solo 4 fili. Una matrice con1000 paia di fili può comunque immagazzinare unagrande quantità di coppie sovrapposte senza troppeinterferenze.46Siti Internet correlati: www.artificialbrains.comhttp://www.ini.unizh.ch/

Se le cose non vannoper il giusto verso…Il cervello è un organo delicato. Un incidente puòcausare un trauma cranico che rende il cervellomalato e incapace di funzionare normalmente. Leaffezioni cerebrali possono dare una stupefacentevarietà di sintomi, spesso difficili da comprendere.La diagnosi delle affezioni cerebrali richiede lecompetenze cliniche di un neurologo o di unopsichiatra così come sofisticate indagini biomediche edi neuroimmagine. La ricerca sulle malattie cerebralirichiede competenze ancora più vaste. Alcunecondizioni, come l‛epilessia o la depressione, sonomolto comuni persino tra i bambini e gli adolescenti.Altre forme, come la schizofrenia, sono meno comunio sono proprie solo dell‛età anziana, anche se nonmeno invalidanti, come la malattia di Alzheimer. Altreancora hanno un‛importante componente genetica esollevano la difficile questione se sia auspicabile checiascuno di noi sappia di essere portatore dimutazioni predisponenti allo sviluppo di tali patologie.Segnali disorganizzati: l‛epilessiaDurante una convulsione (o crisi epilettica), il pazienteperde conoscenza e può cadere a terra, irrigidirsi etremare. Quando si riprende, può accorgersi di essersimorsicato la lingua o di aver perso le urine e puòrimanere per un po‛ confuso o sonnolento. Molti bambinisono affetti da epilessia ma spesso le crisi vannoscomparendo con l‛età. Sfortunatamente, alcuni possonoinvece presentare crisi settimanali o quotidiane.Cosa non funziona? Durante la convulsione i neuronipresentano un aumento di scarica dei potenziali d‛azionee subito dopo un periodo di ridotta eccitabilità. Questoprocesso ciclico è modulato da neurotrasmettitoriinibitori (GABA) ed eccitatori (glutammato). Anchequando la riduzione dell‛eccitabilità è incompleta, laconvulsione può essere scatenata dal reclutamento deineuroni contigui. Questo reclutamento può esserecircoscritto (e causare una convulsione parziale) odiffondersi all‛intera corteccia (dando luogo ad unaconvulsione generalizzata). Durante una convulsionegeneralizzata, il normale ritmo alfa dell‛elettroencefalogramma(EEG) viene sostituito da onde diattività elettrica ampie, lente e sincrone in entrambi gliemisferi cerebrali (vedi disegno sullo sfondo).Le convulsioni isolate sono abbastanza comuni, mentrequelle ricorrenti (epilessia) sono meno frequenti ma piùproblematiche e la loro causa è ancora ignota. Neipazienti che soffrono di epilessia, le crisi possonoessere provocate da stanchezza, digiuno, ipoglicemia,assunzione di alcol o fissazione di luci intermittenti(schermi televisivi), per cui devono essere moltoprudenti.Lo sfondo mostra un EEG durante una crisi epiletticaLa ricerca neuroscientifica ha dato due importanticontributi per migliorare la qualità di vita dei pazienticon epilessia. In primo luogo, grazie alla comprensionedella trasmissione eccitatoria, siamo ora in grado disintetizzare farmaci in grado di sopprimere l‛attivitàcritica senza abbassare la normale attività cerebrale. Ivecchi farmaci agivano piuttosto come sedativi, mentrequelli moderni sono molto più selettivi. In secondoluogo, i progressi nella qualità delle neuroimmagini hannoreso possibile localizzare con sufficiente accuratezzala zona di insorgenza della crisi. Nei casi gravementedisabilitanti è a volte possibile, per il neurochirurgo,asportare il tessuto cerebrale danneggiato ottenendouna diminuzione nella frequenza delle crisi e un ridottorischio di diffusione al tessuto sano. La terapiachirurgica dell‛epilessia è a volte ritenuta un po‛drastica, ma occorre sottolineare come sia spessorisolutiva.Cefalea ed emicraniaMolte persone sono spesso soggette a cefalea.Solitamente è dovuta a tensione muscolare e non è nulladi cui doversi preoccupare. A volte però, soprattutto seil mal di testa insorge molto rapidamente o è associatoad un‛eruzione cutanea o a vomito, potrebbe esistereuna grave causa scatenante. In questo caso il dolore nonè di origine cerebrale, ma deriva dall‛irritazione o dallostiramento delle meningiche avvolgono il cervello.La causa più commune dicefalea è l‛emicrania.Con il mal di testa(spesso limitato ad unametà del capo), ilsoggetto si sente male,trova fastidiose le luciforti o i rumori, esperimenta l‛auraemicranica, checonsiste nel vedere lucilampeggianti o lineefrastagliate. L‛aura, disolito, precede il dolore.Sembra verosimile che l‛emicrania abbia inizio nellazona del cervello che elabora la sensazione dolorificaproveniente dai vasi sanguigni cerebrali, poiché leneuroimmagini mostrano un‛aumentata attività inqueste regioni all‛inizio della crisi. In seguito si ha unbreve incremento dell‛afflusso sanguigno locale (cheè responsabile della visione delle luci lampeggianti),subito seguito da un decremeto, (che si traduce inuna debolezza momentanea).Nell‛ultimo decennio si è avuta una rivoluzione neltrattamento degli attacchi emicranici, a seguito delmiglioramento della nostra comprensione dei47

ecettori della serotonina (5-HT). E‛ statascoperta una nuova classe di farmaci che attiva unparticolare sottogruppo di questi recettori.Questi farmaci, i triptani, sono molto efficacinell‛arrestare la crisi emicranica al suo esordio. Sitratta di uno dei molti modi in cui la ricerca hadato un grosso contributo al miglioramento dellaqualità di vita di milioni di persone nel mondo.Carburante insufficiente: l‛ictusQuando una persona sviluppa un‛improvvisa debolezzain una metà del corpo, la causa di ciò è solitamente unictus nella metà opposta del cervello. Anche lasensibilità, l‛equilibrio e il linguaggio possono venirneinteressati. A volte queste anomalie migliorano con ilpassare del tempo, spesso fino a rientrare almeno inapparenza nella norma, ma l‛ictus rimane pur sempre lacausa più frequente di morte e di invalidità. L‛ictuspuò variare per forma e dimensioni e le sue sequeledipendono molto dalla zona cerebrale colpita.Ciò che è andato storto ha a che vedere conl‛interruzione dell‛apporto energetico necessario alcervello per funzionare. I neuroni e la glia hannobisogno di carburante per lavorare e sopravvivere.Questo carburante viene erogato attraverso iquattro principali vasi sanguigni che riforniscono ilcervello. Il carburante più importante è costituitodall‛ossigeno e dai carboidrati sotto forma di glucosioche insieme forniscono la materia prima per lacostituzione dell‛ATP, fonte energetica di tutte lecellule (vedi Capitoli 2 and 3), necessaria perveicolare il flusso di ioni che sta alla base dell‛attivitàelettrica dei neuroni. Circa due terzi dell‛energia diun neurone alimenta un enzima detto Na/K ATPasiche ristabilisce il gradiente ionico del sodio e delpotassio dopo il verificarsi del potenziale d‛azione.In quello che è detto un attacco ischemico transitorio(TIA), viene a mancare l‛apporto sanguigno ad unaparte del cervello e il rifornimento di ATP vieneinterrotto. I neuroni non possono ripristinare il lorogradiente ionico e quindi non possono più condurre ipotenziali d‛azione. Se, ad esempio, l‛apporto sanguignoalla corteccia motoria dell‛emisfero sinistro vienebloccato, il braccio e la gamba destra restanoparalizzati. Se l‛ostruzione si risolve in fretta, ineuroni possono nuovamente produrre ATP, ricaricarele loro membrane e la funzione torna nella norma.Fortunatamente, dopo un TIA non rimane alcun dannopermanente.Un ictus è più grave. Se l‘apporto sanguigno vieneinterrotto per un lungo periodo, può verificarsi undanno irreversibile. In mancanza di ATP, le cellule nonpossono mantenere l‛omeostasi, si gonfiano edesplodono. I neuroni possono anche depolarizzarsispontaneamente e rilasciare neurotrasmettitoripotenzialmente tossici come il glutammato. Anche lecellule gliali, che solitamente eliminano il glutammatoin eccesso attraverso una pompa ATP-dipendente,smettono di lavorare. In assenza di energia, la vitadelle cellule cerebrali diviene molto precaria.Studiando attentamente cosa avviene in corso diictus, i neuroscienziati sono stati in grado di metterea punto nuove terapie. La gran parte degli ictus èdovuta a coaguli di sangue che occludono i vasi e iltrattamento con un farmaco “anti-coagulante” dettoattivatore tissutale del plasminogeno (TPA) puòsciogliere il coagulo e ristabilire il flusso sanguigno. Sesomministrato immediatamente, il TPA può avere uneffetto drammatico sugli esiti. Sfortunatamente, nonè semplice attuare una somministrazione precoce delfarmaco, perché spesso non è neppure ovvio aifamiliari del paziente ciò che sta accadendo.EmisferocerebraledestroEmisfero sinistroin sezioneSede dell’ictusUn‛altra terapia innovativa è data da una classe difarmaci che bloccano alcuni neurotrasmettitori, tracui il glutammato, che si accumula a livelli tossici incorso di ictus. Questi farmaci possono bloccare irecettori stessi del glutammato piuttosto che ilsegnale intracellulare da esso attivato. Molti di questifarmaci sono in fase di sviluppo anche se nessuno diessi ha ancora trovato un utile impiego nell‛ictus.Malattie geneticheCervellettodestroMidollospinaleArteriecerebraliPenombraischemicaperilesionaleIl disegno mostra il danno cerebrale in un ictus e lazona di penombra circostante a rischio di danno.I medici hanno sempre classificato e diagnosticato lepatologie cerebrali a seconda della regione colpita. Inmoti casi, il nome della malattia descrive ciò che nonva e la zona cerebrale colpita, spesso attenendosiall‛etimologia latina o greca, come nel caso della“aprassia parietale”. Nell‛ultimo decennio, l‛esplosionedelle conoscenze genetiche ha completamentecambiato le cose. Per molte malattie ereditarie ilproblema sta altrove.Alcuni ereditano un disturbo del controllo fine deimovimenti che li rende sempre più instabili col passaredel tempo. Oggi conosciamo l‛esatto difetto geneticoche causa questa affezione detta, con nome cherispecchia la maniera classica di denominare lemalattie, atassia spinocerebellare. Molte altrepatologie vengono oggi classificate secondo la causa ei test genetici sono divenuti di prassi nel sospetto dimalattie genetiche. La diagnosi viene posta ora conmaggior rapidità e con maggior certezza di prima.48

Disturbo di apprendimentoSchizofreniaInfiammazione: la sclerosi multiplaLa sclerosi multipla colpisce i giovani adulti ed ècaratterizzata da episodi ripetuti di debolezza,intorpidimento, diplopia e scarso equilibrio che duranopoche settimane prima di regredire nuovamente adun‛apparente normalità. L‛alternanza dei periodi dimalattia e di remissione è tipica della malattia.Albero genealogico indicante le generazioni di una famigliaaffette da disturbo di apprendimento e da schizofrenia.Queste affezioni possono anche saltare una generazione.La malattia di Huntington è una forma degenerativaassociata a movimenti involontari abnormi che prendenome dal medico che la descrisse per primo. E‛ dovutaalla mutazione di una proteina codificata da uno deigeni più grandi del genoma umano, la huntingtina. Leforme ad insorgenza precoce di malattia di Parkinson(una malattia che provoca rallentamento motorio,rigidità, tremore ed instabilità posturale) sono dovutea modificazioni del gene che codifica per la parkina.Oltre ad essere d‛aiuto nella diagnosi, i test geneticisono utili per stabilire, nei familiari dei pazienti, ilrischio di sviluppare la malattia o di trasmetterla aipropri figli.Tuttavia, anche se la rivoluzione genetica ha moltocambiato il modo in cui i medici trattano le malattie delsistema nervoso, siamo solo all‛inizio di un lungo viaggiodi scoperta. Lo stesso difetto genetico può causaremalattie differenti in persone diverse, mentrealterazioni genetiche diverse possono provocaremalattie molto simili. Il comprendere cosa sta alla basedi queste differenze e come il nostro patrimoniogenetico interagisce con l‛ambiente in cui viviamo e checostruiamo attorno a noi è una delle grandi sfidefuture dell‛era genomica in cui viviamo.Punto in discussioneSe scopriste di essere a rischio di sviluppare una malattiagenetica, vorreste saperlo con certezza? Sarebbe giustoidentificare il gene in epoca prenatale e ricorrereall‛aborto di coloro che svilupperanno la malattia? Cosa nesarebbe di tutti gli anni utili e produttivi che sivivrebbero prima che la malattia si manifesti?La sclerosi multipla è causata da un‛infiammazionedel sistema nervoso che si attiva e poi scompare. Ilnostro sistema immunitario è adatto a combattere leinfezioni batteriche e virali. A volte però si confondee aggredisce parti di noi stessi, dando luogo ad unacondizione definita malattia autoimmune, checolpisce quasi tutti i tessuti. Se attacca la mielinache avvolge i neuroni, si genera un‛infiammazionelocalizzata che provoca la demielinizzazione. Dopoqualche tempo l‛infiammazione regredisce, la mielinaviene ricostituita e tutto ritorna nella norma. Non èchiaro quali siano i fattori scatenanti l‛infiammazionee molte persone presentano solo un singolo episodiomolto breve, mentre altre tendono ad avere episodiricorrenti che colpiscono parti diverse del cervello.Non conoscendo cosa causi l‛infiammazione nellascleroso multipla, non siamo neppure in grado diarrestarla completamente. Sappiamo, tuttavia, chegli attacchi possono diventare di minore duratasomministrando farmaci come gli steroidi cheassopiscono il sistema immunitario. Nei pazienti congravi forme di sclerosi multipla, si ritiene che possaessere utile assopire in modo permanente alcuneparti del sistema immunitario utilizzando farmaciquali l‛azatioprina o il ß-interferone, anche seesistono ancora molti dubbi al riguardo.Il sistema immunitario può aggredire anche legiunzioni di connessione tra nervi e muscoli, causandouna malattia detta miastenia gravis, oppure puòattaccare i nervi alla loro emergenza dal midollospinale, dando luogo alla condizione denominatasindrome di Guillain Barré.Jacqueline du Pré, unanotissima musicistaaffetta da sclerosimultipla49

Neurodegenerazione:il morbo di AlzheimerE‛ il nostro cervello che ci fa essere ciò che siamo:come reagiamo in differenti situazioni, di chi ciinnamoriamo, ciò che temiamo, cosa ricordiamo.Questo aspetto fondamentale della natura umana siperde quando scivoliamo in quel disturbo degenerativonoto come malattia di Alzheimer. Si tratta di unaforma di demenza, una perdita globale delle nostrefacoltà che colpisce circa il 5% dei 65enni e il 25%degli ultra-85enni. E‛ una malattia crudele che di solitoinizia con un disturbo di memoria e prosegue con laperdita della personalità, fino alla morte. Per i parentiè un‛esperienza terribile vedere i loro cari perdersi inquesta maniera; negli ultimi stadi di malattia, i malatinon li riconoscono più e necessitano di aiuto anche perle attività quotidiane come lavarsi, vestirsi e mangiare.Di conseguenza, anche la vita di chi li accudisce vienedrammaticamente sconvolta.“Papà in questi giorni non sa chi io sia. Sembra proprionon riconoscermi più. Si arrabbia e si spaventa per laminima cosa: non penso capisca cosa sta succedendoattorno a lui. All‛inizio sembrava solo esseresmemorato e perdeva tutte le cose. Poi è peggiorato.Non voleva andare a dormire, sembrava non sapereche ore fossero e neppure dove si trovasse. Ora haperso anche il controllo degli sfinteri e deve essereaiutato per mangiare e per vestirsi. Non ce la faccio.”Cosa c‛è che non va? Quando insorge la malattia diAlzheimer, le cellule cerebrali muoiono: la corteccia siassottiglia e i ventricoli (gli spazi cerebrali pieni diliquido) si allargano. In vita, la diagnosi viene di solitoposta sulla base dei rilievi clinici e può essereconfermata solamente post-mortem quando, all‛esamemicroscopico del cervello, si rileva la perdita cellulare,la diffusa e anomala deposizione di proteina amiloide,addensata in piccole placche degenerative, e l‛intricatogroviglio di proteine bastoncellari che sono dei normalicostituenti delle cellule cerebrali, i grovigli fibrillari.La moderna ricerca sta cercando di migliorare ladiagnosi in vita mediante l‛utilizzo di nuovi testneuropsicologici, atti a rilevare i disturbi cognitivi neglistadi precoci di malattia e a distinguerli, ad esempio,dai sintomi depressivi.La colorazione del tessutonervoso indica le placche diamiloide (nel riquadro) e igrovigli neurofibrillari(freccia).E‛ stata di nuovo la genetica a darci una mano nelcominciare a comprendere la malattia, indicandoci lemutazioni dei geni che codificano per il precursoredella proteina amiloide (da cui è prodotta l‛amiloide) edella presenilina (che codifica gli enzimi checatabolizzano il precursore della proteina). Ereditareuna particolare variante del gene dell‛apolipoproteinaE (apoE) denominata apoE-4 costituisce un fattore dirischio per la malattia. I fattori genetici non narranotuttavia l‛intera storia: anche i fattori ambientali comele tossine o altri fattori come i traumatismi cerebralipossono giocare un ruolo importante. I fattori geneticisono tuttavia così importanti da averci condotto aselezionare animali da laboratorio geneticamentemodificati che mostrano i segni della malattia. Gli studisu questi animali vanno interpretati con molta cautela enon sopravvalutati, anche se possono aiutarci a capire lebasi biologiche del processo patologico.Ancora non esistono terapie in grado di arrestare laprogressione della malattia di Alzheimer, anche se siprosegue la loro strenua ricerca sugli animali dilaboratorio. E‛ noto che le cellule nervose che utilizzanol‛acetilcolina come trasmettitore chimico sonoparticolarmente vulnerabili alla malattia. I farmaci chestimolano l‛azione dell‛acetilcolina residua, bloccandol‛effetto degli enzimi che normalmente degradanoquesto neurotrasmetitore, hanno un modesto effettoterapeutico sia nei modelli animali che nei casi clinici.Questi farmaci, tuttavia, nulla possono per rallentare laprogressione di questa ancora incurabile malattia. Lastrada per sconfiggerla definitivamente sembra esserequella di mettere insieme le tracce genetiche, capire illegame tra la chimica del cervello e le funzioni psichichee approfondire i meccanismi del danno cellulare.Il disturbo depressivoPotrebbe risultare sorprendente apprendere che ladepressione e la neurodegenerazione possono esserestrettamente apparentate, ma è ormai noto che i gravidepressi mostrano una perdita di cellule cerebrali.Il disturbo depressivo èmolto diverso dalsentimento di tristezzache tutti noi, di tanto intanto, sperimentiamo. Sitratta infatti di una gravecondizione clinica in cuil‛umore diviene depressoper settimane o mesi ealla fine prevale su tutto,fino al punto che chi nesoffre vuole solo morire epuò persino tentare il suicidio. I malati mostrano altrisintomi caratteristici: sonno disturbato, diminuzionedell‛appetito, perdita di concentrazione, di memoria e diinteresse nella vita. Per fortuna è una malattia curabile.I farmaci antidepressivi, che potenziano gli effetti deineuromodulatori come la serotonina e la noradrenalinapossono rapidamente (nel giro di alcune settimane)guarire questo disturbo.Anche la psicoterapia puòrisultare efficace e unaterapia farmacologica epsicologica combinata puòrisultare particolarmenteefficace. Questacondizione è moltocomune: 1 persona su 5può soffrire, durante lapropria vita, di un qualchegrado di depressione.Vincent Van Gogh, ilpittore impressionista,soffriva di una gravedepressioneEssere gravemente ecronicamente depressi haun effetto di disequilibriosul controllo degli ormoni50

dello stress come il cortisolo, il cui rilascio ha uneffetto benefico nelle situazioni acute di stress(Capitolo 12). Gli ormoni dello stress, tuttavia, quandovengono attivati cronicamente, possono danneggiare lecellule cerebrali, particolarmente a livello dei lobifrontale e temporale. Si è recentemente scoperto chei farmaci antidepressivi favoriscono l‛integrità dellecellule cerebrali e aumentano il tasso di produzione dinuovi neuroni nell‛ippocampo. In questo modo sono finoad un certo punto in grado di proteggere il cervellodagli effetti tossici dello stress e persino di farlidivenire una risorsa.La schizofreniaUn altro disturbo psichiatrico che unisce alterazionicerebrali chimiche e strutturali è la schizofrenia. Sitratta di una malattia progressiva e potenzialmentemolto invalidante che colpisce 1 persona su 100, inizianella prima età adulta e rovina più vite del cancro.I sintomi chiave della schizofrenia sono il delirio(strane credenze o idee bizzarre che sono spesso ditipo persecutorio) e le allucinazioni (disturbi dellapercezione per cui il soggetto prova sensazioniabnormi come udire voci quando nessuno parla).Spesso si associa una perdita progressiva dellecapacità cognitive, delle relazioni sociali e dellacapacità lavorativa.La malattia viene spesso misconosciuta: non ha nientea che vedere con la “personalità multipla” con cui vienespesso confusa. I pazienti non sono mai violentie spesso sono timorosi piuttosto che pericolosi.Esistono chiari fattori genetici nella genesi dellamalattia ma, come per altre condizioni, anchel‛ambiente e le condizioni di stress sono moltoimportanti. Nonostante tutte le evidenti alterazionipsichiche, la schizofrenia è comunque una malattiacerebrale. E‛ noto da tempo che i ventricoli cerebralidei pazienti con schizofrenia sono più ampi e che lafunzionalità dei lobi frontali è diminuita.I farmaci che bloccano i recettori della dopamina sonoutili a ridurre la frequenza e la gravità dei sintomi, manon portano alla guarigione della malattia. Le ricerchepiù nuove suggeriscono che, attivando sperimentalmentei recettori con sostanze tipo amfetamina, è possibilerilevare un anomalo rilascio di dopamina nei pazienti conschizofrenia. C‛è però ancora molto da scoprire suquesta condizione: i rilievi autoptici suggerisconol‛esistenza di anomalie di connessione neuronale durantele fasi di sviluppo ed evidenziano un malfunzionamentodi altri neurotrasmettitori come il glutammato.I nostri sforzi per comprendere la natura della malattiamentale rappresentano l‛ultima grande frontiera delleneuroscienze mediche. Organizzazioni come il MedicalResearch Council e la Wellcome Trust hanno messo lamalattia mentale come primo punto nella loro agendadella programmazione delle ricerche per il prossimodecennio. Un importante progetto si sta concentrandosia sulle conoscenze genetiche che sulle attrezzatureper le neuroimmagini per studiare questa malattia inmodo prospettico nelle famiglia a rischio (vediriquadro). Il colmare il divario tra “molecolare e clinico”resta una delle sfide più affascinanti della ricerca.Frontiere della ricercaRisultatoInvestigatoriPsichiatri“Dapprima non capivamo cosa stesse accadendo a nostrafiglia Sue. Aveva iniziato bene l‛Università e avevaaffrontato facilmente gli esami del primo anno. Poi ècambiata: era sempre tranquilla ed appartata quandostava a casa, insolitamente quieta per il suo carattere.Non usciva più con gli amici e più tardi abbiamo scopertoche non andava più nemmeno a lezione e restava a lettotutto il giorno. Poi, un giorno ci disse di aver ricevuto unmessaggio importante tramite la televisione che lerivelava che aveva poteri particolari e che il satellitecontrollava i suoi pensieri con la telepatia. Rideva senzamotivo e subito scoppiava a piangere. Era chiaro chequalcosa non andava per niente. Diceva che poteva udirevoci tutte intorno che raccontavano tutto ciò che faceva.Risultò essere affetta da schizofrenia.La prima volta rimase ricoverata per circa due mesi. Oraassume regolarmente dei farmaci. Benché adesso stiamolto meglio (non ha più strame idee sui satelliti) nondimostra di avere grande interesse nelle cose. Ha dovutointerrompere gli studi universitari e anche se ha lavoratoper un periodo in un negozio vicino, è stata poi licenziatain seguito ad un nuovo ricovero di due settimane. Non èpiù la stessa di prima. “GPsSoggettiFamiglie ad altorischioUno studio prospettico sulla schizofreniaLa maggior parte degli studi sulle malattieneurologiche e psichiatriche sono condotti supersone già affette dalla patologia. Un gruppo diricercatori scozzesi ha utilizzato dati genetici perstudiare i membri di famiglie a rischio d i sviluppareschizofrenia. Neuroimmagini, test delle funzionimentali ed esame obiettivo sono stati eseguiti adintervalli regolari per valutare la possibilità diidentificare segni prognostici di malattia incipiente.Questo tipo di studio potrà dimostrarsi molto utileper la messa a punto di nuovi trattamenti.Siti Internet correlati: Brain and spine foundation: http://www.bbsf.org.ukBritish epilepsy association: http://www.epilepsy.org.uk Stroke: http://www.strokecenter.orgNational Institute of Neurological disorders and stroke: http://www.ninds.nih.gov51

NeuroeticaC‛era una volta, tanto tempo fa (come spessoiniziano le fiabe), una netta distinzione tra scienzae tecnologia. Gli scienziati perseguivanosfrenatamente il sentiero della ricerca della verità,indipendentemente da dove potesse condurre, senzaalcun‛altra ricompensa che “il piacere dellascoperta”. Gli ingegneri e i tecnici utilizzavano ifrutti degli sforzi della scienza per cambiare ilmondo in cui si viveva. Per quanto affascinantepossa sembrare questa distinzione, è sempre stataed è tuttora una favola. Oggi gli scienziati sonosempre più consapevoli dell‛importanza del contestosociale in cui operano e di come tale contestoinfluenzi i loro studi.Le questioni relative all‛impatto delle neuroscienzesulla società vanno sotto il comune denominatore dineuroetica, punto di intersezione tra neuroscienze,filosofia ed etica. Essa si occupa di come le scopertesul cervello influiscano sul nostro considerarci esseriumani (comprese le basi neurali della morale), delleimplicazioni nelle politiche sociali (come il poteredell‛educazione nei bambini) e di come la ricercastessa debba essere condotta (come l‛etica dellasperimentazione sugli animali o l‛uso dell‛ingannoriguardo ad altri esseri umani). Riguarda inoltre come ineuroscienziati dovrebbero rivolgersi al vastopubblico per comunicare ciò che fanno e condividere leopinioni su ciò che dovrebbero fare.Il contesto socialeAnche se alcuni neuroscienziati ritengono che le loroidee siano separate dalla realtà sociale, è raro checiò avvenga. Nel secolo XVII, Cartesio usò unametafora idraulica (mutuata dall‛ingegneria idraulicache aveva visto usare nei giardini dei castellifrancesi) per spiegare come gli “umori” del cervellomuovessero i muscoli. All‛inizio del XX secolo, nell‛eradell‛industrializzazione, i neurofisiologi descrissero lecomplesse reti cerebrali come “un telaio incantato” o,più tardi, come una gigantesca “centralina telefonica”.Oggi, alla soglia del XXI secolo, abbondano lemetafore informatiche, come la fantasiosaspeculazione che “la corteccia cerebrale operi inmodo non dissimile da internet”. Queste metaforesono in parte scorciatoie per aiutare a veicolare ideecomplesse, ma anche concetti che sono realmenteradicati in sofisticate teorie sul cervello.Ciò che i neuroscienziati possono fare (e fanno) èaffrontare i problemi scientifici separatamente daquelli del quotidiano. Spesso si tratta di una fuga inun mondo astratto e stereotipato in cui avvienequalcosa di molto simile ad una religiosa ricerca dellaverità. Sia che si indaghino le correnti ioniche checonsentono la propagazione del potenziale d‛azione, ocome vengano rilasciati ed agiscano i mediatorichimici, o come l‛attività delle cellule della cortecciavisiva rappresenti gli aspetti del mondo visibile, lamaggior parte dei problemi delle neuroscienzevengono affrontati in maniera isolata.Ma il mondo reale non è poi così distante. Una voltanoto come funzionano i trasmettitori chimici, è logicoimmaginare dei farmaci intelligenti che possano aiutarcia ricordare meglio. Altri potrebbero pensare diprogettare neurotossine (agenti nervini) in grado dibloccare le funzioni vitali, come alcuni inibitorienzimatici che non sono altro che potenziali agentiutilizzabili in una guerra biologica.“PENSARE AL CERVELLO RIGUARDA TUTTI NOI, E‛LETTERALMENTE CIO‛ CHE CI RIEMPIE A TESTA”Zach Hall, Università della CaliforniaSe fosse disponibile un farmaco che ti aiutasse asuperare un esame, lo prenderesti? C‛è qualchedifferenza con un atleta che utilizza gli steroidi permigliorare la sua prestazione o una persona cheassume antidepressivi?Dilemmi etici meno fantasiosi circondano il futurodelle neuroimmagini . Queste tecniche, ad esempio,renderanno presto possibile, con appropriateprocedure di verifica, distinguere i veri ricordi di unapersona da quelli falsi.52

La variabilità della risposta è oggi troppo grande, ma igiudici potrebbero un giorno disporre di tecniche dineuroimmagine (una sorta di impronta digitalecerebrale) in grado di aiutare a stabilire l‛attendibilitàdi una testimonianza. Questo solleva interessantidomande su cosa dovrebbe essere la privacy mentale.Le nuove scoperte sul cervello mettono continuamentein discussione la nostra percezione del sé. Le teorie piùaccreditate sull‛evoluzione del cervello comprendonoquelle sulla coscienza sociale. Esiste una crescenteconsapevolezza che morale e coscienza siano legate alcervello emozionale che elabora i segnali di ricompensae punizione: un‛ipotesi che alcuni definiscono come eticaevoluzionistica. Il sapere di più su questo argomentopotrebbe risultare in un‛immensa fonte di benessere edaiutarci ad essere più attenti ai nostri reciprocisentimenti. Costruire questa ipotesi all‛interno dellanostra attuale primitiva teoria della plasticità neurale,può avere anche una ripercussione sull‛educazione, benal di là delle finalità accademiche più immediate chespesso costituiscono l‛unico tema di dibattito.E‛ altrettanto importante notare come i neuroscienziatinon siano concordi sugli sviluppi futuri dei loro studi.Per alcuni neurobiologi molecolari la verità ultima ècelata nei costituenti molecolari del sistema nervoso,indagabili con nuove tecnologie proteomiche egenomiche che promettono esaustive spiegazioni ingrado di risolvere i problemi affrontati da altrineuroscienziati. Questo è il procedimento riduzionista,le cui infiorettature filosofiche e tecnologiche sonospesso celebrate dall‛informazione mediatica. Ma ègiustificabile una tale fiducia nel riduzionismo? Oesistono livelli descrittivi superiori di mente e cervelloche non sono riducibili in tal modo? Esistono delleproprietà emergenti che derivano dall‛organizzazionecerebrale? I neuroscienziati interazionisti credonofermamente in un modo di procedere diverso e sibattono per un approccio più eclettico alle moderneneuroscienze, che indaghi anche la loro interazione conle scienza sociali. Non si tratta di argomenti di facilediscussione, ma la questione circa quali ricerche sianecessario intraprendere, costituisce materia su cui lasocietà dovrebbe essere consultata. Dopo tutto, laricerca à finanziata con i soldi dei contribuenti.Qualche esempio concreto di neuroeticaAlcuni aspetti di neuroetica vanno affrontati conqualcosa in più che il buonsenso. Supponiamo che leneuroimmagini di un soggetto volontario per unesperimento rivelino in modo inaspettato un‛anomaliacerebrale come un tumore. Oppure immaginiamo che unapersona sottoposta ad un indagine neurogenetica vengascoperta essere portatrice di una mutazione che larende suscettibile ad una malattia neurodegenerativa.In ciascuno dei due casi, è bene informare il soggetto?Il buonsenso suggerisce di passare la responsabilitàall‛interessato dopo avergli chiesto il consenso acomunicargli o meno qualunque importante informazionemedica scoperta nel corso dell‛indagine sperimentale.Il consenso informato è però una strana questione.Supponiamo che un ricercatore stia conducendo unasperimentazione su una nuova terapia per l‛ictus in cuifarmaco attivo e placebo debbano essere somministratiin cieco entro poche ore dall‛evento. Esistono valideragioni scientifiche per intraprendere questo protocollorandomizzato. Non possiamo però sapere in anticipo chiandrà incontro ad un ictus e sarebbe quindi impossibile,per la persona colpita, accordare un consensoinformato. Se ciò esclude i pazienti dal parteciparealla sperimentazione, ciò risulterebbe in un danno alungo termine per loro stessi e per i pazienti futuri.Anche i parenti non sarebbero in grado di darefacilmente il consenso nel poco tempo a lorodisposizione. Sarebbe meglio abbandonare il consensoinformato e sostituirlo con una dichiarazione dirinuncia? Siamo decisamente su un terreno scivoloso.Un altro aspetto importante della neuroetica riguarda lasperimentazione animale. Gli animali non sono in gradodi dare il consenso informato. Per alcuni di noi, la solaidea di sperimentare su animali risulta fastidiosa. Peraltri è invece insensato non avvalersi degli animali perincrementare le nostre conoscenze sul sistema nervoso,sano e malato che sia. Si tratta di argomenti non facilida discutere spassionatamente, ma è importante farlo efarlo con rispetto.In molti paesi europei, la sperimentazione animale èregolata da norme molto rigide. I ricercatori debbonofrequentare corsi e superare esami che attestino la loroconoscenza delle norme e la loro competenzanell‛assicurare che non vengano inferte inutilisofferenze all‛animale. La regola delle tre R - ridurre,raffinare e rimpiazzare – è largamente accettata comebuon principio cui gli scienziati biomedici debbonoattenersi. Tutti aderiscono volentieri, all‛interno deivincoli della legge, e ciò permette un vasto, se nonunanime, pubblico consenso. Molte nuove scopertederivano dalle tecniche di rimpiazzo, come le colturetessutali e i modelli computazionali, anche se queste nonpossono del tutto sostituire gli studi sul cervello viventedai quali possono derivare molte nuove scoperte e nuoveterapie per le malattie neurologiche e psichiatriche.L‛impiego della L-DOPA nel trattamento della malattiadi Parkinson, ad esempio, deriva da uno studio sulcervello di ratto insignito del Premio Nobel. Le nuovetecniche danno infine nuove opportunità per la curadelle malattie sia dell‛uomo che degli animali.Basta dirlo…Il fatto che i paesi in cui gli scienziati più si adoperanoper comunicare con il vasto pubblico siano anche quelli incui esiste meno fiducia nella scienza, costituisce un verorompicapo. La correlazione non si identifica però con lacausa ed è improbabile che lo sforzo per coinvolgere ilpubblico nel dibattito circa l‛impatto della scienza sullasocietà, e il crescente senso di responsabilità nel farquesto, siano la causa di questa crescente sfiducia. Sitratta piuttosto del fatto che il pubblico interessatosta diventando sempre più esigente, sempre più scetticorispetto a nuovi “farmaci miracolosi”, e sempre piùconsapevole dei lenti e spesso incerti progressi dellascienza. Far diminuire la sfiducia non è comunque unbuon motivo per favorire un ritorno alla cieca ignoranza.Un motivo per coinvolgere nel dibattito i giovani e quantialtri sono interessati alle neuroscienze è che i neuroscienziatinon sono ancora d‛accordo sui principi basilaridel loro campo di studi. Anziché focalizzarsi su singolescoperte, i mezzi di comunicazione dovrebbero fornirel‛idea della scienza come processo. Un processocomplicato da incertezze e discussioni.La neuroetica è un nuovo campo d‛indagine. E‛ ironico chesia stato proprio Richard Feynman, un fisico teorico, adaver descritto il motivo per occuparsi di scienza come“il piacere della scoperta”. Ed è stato sempre Feynman agettarsi a capofitto nello studio per cercare di scoprireperché la navetta spaziale americana Challenger eraesplosa subito dopo il decollo. L‛impatto della scienzasulla società riguarda quindi tutti noi.Siti Internet correlati: http://www.stanford.edu/dept/news/report/news/may22/neuroethics.htmlhttp://www.dana.org/books/press/neuroethics/53

Formazione e professioneQuando molti studenti pensano alla carrierascientifica, immaginano solo camici bianchi elaboratori. Speriamo invece, con questomanuale, di aver dato l‛idea che esistono moltiaspetti diversi delle neuroscienze e che laricerca sul cervello riguarda, sotto moltiaspetti, la vita delle persone. Dal laboratorio,all‛ospedale, a molti altri ambiti, vi sono, inquesto campo, molte interessanti opportunità.Laurea e Dottorato in NeuroscienzeIn alcune Università si tengono corsi di Laurea inNeuroscienze. Sono Corsi di Laurea Magistrale, delladurata di due anni, ai quali si accede dopo una Laureatriennale. Esistono anche molti corsi di Dottorato cherichiedono una Laurea Magistrale in biologia, farmacia,medicina o psicologia. E‛ importante avere buoneconoscenze di genetica e di biologia molecolare.Spesso, per accedere a questi corsi, e in particolarea quelli di Dottorato, è necessario avere dei requisitispecifici o superare un esame. Per saperne di più, sipuò consultare il sito internet delle Università che sivorrebbero frequentare oppure il sito della SocietàItaliana di Neuroscienze (http://www.sins.it/) oquello della Federation of European NeuroscienceScocieties (http://fens.mdc-berlin.de/).MedicinaIn Italia, quello in Medicina è un Corso di LaureaMagistrale a ciclo unico. Esistono Facoltà di Medicinain molte Università e da alcuni anni l‛accesso è anumero programmato (si accede dopo il superamentodi un esame di ammissione). Dopo il conseguimentodella Laurea è possibile iscriversi alle Scuole diSpecializzazione in neurologia, neurochirurgia, opsichiatria. Anche l‛accesso alle scuole diSpecializzazione è a numero programmato e qui lacompetizione è ancora maggiore, dato l‛esiguo numerodi posti disponibile. Tuttavia, il conseguimento di unaSpecializzazione medica è ricco di soddisfazioni e diprospettive di carriera.“Il privilegio di chi lavora nell‛Università è lalibertà di idee. Nessun giorno è uguale. Ognigiorno si apprende qualcosa di nuovo e tutti igiorni si debbono affrontare nuove sfide”.Maria Fitzgerald, Professore all‛Università di Londra.“Il fascino era, ed è ancora, nella prospettivadella scoperta, nell‛essere piacevolmentesorpreso da essa e nel potersi sentire partecipidel risultato”.Joanna Jarmolowska,Scuola di Dottorato inNeuroscienze, Università di Trieste“Le Neuroscienze coniugano tra lorodiverse discipline scientifiche, il che mi hadato la possibilità di applicare la mia Laureain Psicologia (unita ad una sana dose dipassione) per approfondire lo studio delsistema nervoso intraprendendo un nuovopercorso di formazione universitaria nelDottorato in Neuroscienze. Spero chequesto mio nuovo cammino educativo midia gli strumenti necessari per diventare unabrava neuroscienziata”Alberto Della Mora,Studente di NeuroscienzeUniversità di Trieste“Sono affascinato dalle neuroscienze, inparticolare da quelle cognitive. Attualmentesono coinvolto nello studio delleconnessioni cortico-corticali, mediante coregistrazioneTMS/EEG. In futuro vogliocontinuare a lavorare in questo campo,perchè ritengo affascinante l’ipotesi che ilcervello umano possa studiare se stesso.Dopo la Laurea, vorrei entrare nelDottorato del centro BRAIN (BasicResearch And Integrative Neuroscience)dell’Università di Trieste e trascorrere unlungo periodo all’estero”Richard Ribchester, Neurofisiologo all‛Università diEdimburgo.54

L‛industria farmaceuticaVengono continuamente scoperti e sviluppati nuovifarmaci e il cervello costituisce un bersaglio critico deitrattamenti farmacologici. L‛industria farmaceutica e leistituzioni accademiche da essa supportate conduconociascuna le proprie ricerche. Molte impiegano personaleuniversitario offrendo la possibilità di esperienze incampo industriale per lo sviluppo di abilità e pratica dilaboratorio. I laureati di molte facoltà scientifiche,compresa Medicina, vegono assunti volentieri,soprattutto se hanno esperienza di laboratorio.Ricerca in NeuroscienzeNel campo della ricerca esistono molte opportunità. Ilcampo comprende argomenti che vanno dalleneuroimmagini e dagli studi comportamentali, fino allaneuropsicologia e alla genetica molecolare. I ricercatoriuniversitari sono sempre disponibili ad incoraggiare ead aiutare gli studenti meritevoli a trovare il percorsopiù adatto a loro nell‛ambito degli studi accademici.L‛industria informaticaDedicarsi alle neuroscienze non è così ovvio per chiintende intraprendere una carriera nel campodell‛informatica. Ciò nonostante, si osserva un sempremaggiore interesse nei meccanismi computazionali di“tipo cerebrale”, interesse che è destinato a crescerecon lo sviluppo della rete web, così come le applicazionidelle neuroscienze in campo non strettamente medico.L‛insegnamentoLe neuroscienze non costituiscono una materia distudio nelle scuole superiori. I laureati in neuroscienzepotranno tuttavia insegnare biologia, oltre a possederemolte altre competenze, che sono sempre valide per lacarriera di insegnante.L‛informazione scientificaDal giornalismo, alla radio, alla televisione, una carrieranel campo delle scienze dell‛informazione è sempreambita e ricca di soddisfazioni. Esistono molteopportunità per intraprendere la strada dellacomunicazione scientifica. La scienza è in continuaevoluzione e le nuove scoperte necessitano di esserediffuse sia a scopo educativo che divulgativo. La scienzadel cervello non fa eccezione. C‛è grande interesse daparte del pubblico, ben riconosciuto dai media, verso lenuove scoperte che hanno un grosso impatto sociale. Conun buon retroterra scientifico, conseguito nel corso deglistudi universitari, è molto più facile comunicare scopertecomplesse in modo accurato sia ad altri scienziati che alvasto pubblico.Scienza e arteScienza ed arte non sono in contrasto fra loro. Unaforma che sappia catturare l‛immaginazione èfondamentale per presentare soggetti scientifici ad unvasto pubblico. I musei e le gallerie spessoincoraggiano e finanziano collaborazioni creative trascienziati ed artisti.Siti Internet correlati: http://www.abpi-careers.org.uk/www.gsk.com www.sciart.org55

RingraziamentiSiamo debitori a molte persone che ci anno cortesemente fornito parti del testo e immagini incluse in questo manuale.Speriamo che l‛elenco sottostante sia esaustivo e ci scusiamo con tutti coloro che ci hanno fornito il loro aiuto ma il cuicontributo non è stato menzionato. Per i disegni del manuale: Maddelena Miele e Robert Filipkowski. Per le illustrazionidi copertina: Peter Brophy, Beverley Clark, Michael Hausser, David Linden, Richard Ribchester. Per il frontespizio:Peter Somogyi, Elaine Snell, Lisa Cokayne-Naylor. Per il Cap. 1 (Il Sistema Nervoso): Marina Bentivoglio, Nobel Forum.Per il Cap. 2 (Il potenziale d‛azione): Tobias Bonhoeffer, Peter Brophy, Eric Kandel, Nobel Forum. Per il Cap. 3(Messaggeri chimici): Marianne Fillenz, Per il Cap. 4 (Farmaci e cervello): Leslie Iversen. Per il Cap. 5 (Tatto e dolore):Susan Fleetwood-Walker, Han Jiesheng, Donald Price. Per il Cap. 6 (La visione): Colin Blakemore, Andy Doherty, BillNewsome, Andrew Parker. Per il Cap. 7 (Il movimento): Beverley Clark, Tom Gillingwater, Michael Hausser, Chris Miall,Richard Ribchester, Wolfram Schultz. Per l Cap. 8 (Lo sviluppo del Sistema ervoso): Andrew Lumsden. Per il Cap. 9 (Ladislessia): John Stein. Per il Cap. 10 (Plasticità neurale): Graham Collingridge, Andrew Doherty; Kathy Sykes. Per ilCap. 11 (Apprendimento e Memoria): Ted Berger, Livia de Hoz, Graham Hitch, Eleanor Maguire, Andrew Doherty,Leslie Ungerleider, Fareneh Vargha-Khadem. Per il Cap. 12 (Lo stress): Jonathan Seckl. Per il Cap. 13: (Cervello esistema immunitario): Nancy Rothwell. Per il Cap. 14 (Sonno e Ritmi circadiani): Anthony Harmar. Per il Cap. 15(Neuroimmagini): Mark Bastin, Richard Frackowiak, Nikos Logothetis, Eleanor Maguire, Lindsay Murray, ElisabethRounis, Semir Zeki. Per il Cap. 16 (Reti neurali e menti artificiali): Rodney Douglas, Gerry Edelman, Jeff Krichmar,Kevan Martin. Per il Cap. 17 (Se le cose non vanno per il verso giusto): Malcolm Macleod, Eve Johnstone, Walter Muir,David Porteous, Ian Reid. Per il Cap. 18 (Neuroetica): Colin Blakemore, Kenneth Boyd, Stephen Rose, William Saffire.Per il Cap. 19 (Studio e Formazione) Yvonne Allen (BNA), Victoria Gill.La British Neuroscience Association è un organismo non-profit registrato come CHARITY No. 264450.Coord. Trad. internazionale Dr Duncan Banks (d.banks@open.ac.uk), The Open University, UK (BNA website manager).Traduzione italiana a cura di M.Vittoria Meraviglia (Università di Milano-Bicocca) con la collaborazione di PieroPaolo Battaglini e Gabriele Garbin (BRAIN, Università di Trieste), Mara Fabri e Chiara Pierpaoli (UniversitàPolitecnica delle Marche, Ancona), Lisa Gherardini (CNR, Pisa) e Yuri Bozzi (Università di Trento).Letture di approfondimentoCi sono molti libri affascinanti per continuare a leggere di scienze e neuroscienze. Fra di essi consigliamo:V.S. Ramachandran, (Sandra Blakeslee) La donna che morì dal ridereMondadori, 2003ISBN: 9788804517757Un‛affascinante narrazione del dolore da arto fantasma e di altri disturbi del sistema nervoso.Oliver Sacks, L‛uomo che scambiò sua moglie per un cappelloAdelphi, 2001ISBN: 9788845916250Un racconto preciso e divertente degli effetti dei danni cerebrali sulla mente.Jean-Dominique Bauby, Lo scafandro e la farfallaTEA Ponte alle Grazie, 1997ISBN: 978-88-7818-530-2La storia personale e commovente delle conseguenze di un ictus.Richard P. Feynman, “Sta scherzando Mr. Feynman!” Vita e avventure di uno scienziato curiosoZanichelli, 2007ISBN: 8808066274L‛eclettico fisico suonatore di bonghi. Un eroe per tutti i giovani scienziati.56Per richiedere ulteriori copie:Centro interdipartimentale BRAIN (Basic Research And Integrative Neuroscience), Università di Triestebrain@units.it