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NEUROSCIENZE COGNITIVE (Gazzaniga, Zanichelli), Dispense di Neuroscienze Cognitive

M. S. Gazzaniga, R. B. Ivry, G. R. Mangun. Neuroscienze cognitive. Terza edizione italiana. Zanichelli, Bologna, 2021. I capitoli contenuti nel documento sono: 1-2-3-5-7-9-11-12-13.

Tipologia: Dispense

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CAP.1- STORIA DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE
Willis coniò il termine neurologia e fu il primo anatomista a collegare specifiche lesioni celebrali,
ossia cambiamenti nella struttura cerebrale, a specifici deficit comportamentali, arrivando a teorizzare
come il cervello trasmetta le informai azioni. Insieme a Wren mise in moto le idee e la conoscenza di
base alla base delle neuroscienze cognitive odierne.
Una prospettiva storica
Negli anni ‘70 venne coniato il termine neuroscienze cognitive:
Cognizione= processo della conoscenza, ossia ciò che deriva dalla consapevolezza cosciente,
dalla percezione e dal ragionamento
Neuroscienze= studio dell’organizzazione e delle funzioni del SN
Il fine ultimo delle neuroscienze cognitive è la comprensione del odo in cui le funzioni del cervello
fisico possano dare luogo ai pensieri, alle idee e alle credenze di quella che sembra una mente
intangibile.
Per far ciò bisogna tenere a mente due cose: 1) il cervello è il frutto di un lungo processo evolutivo
segnato dalla selezione naturale 2) è costituito da cellule viventi. La prospettiva evoluzionistica aiuta a
prosi interrogativi più mirati sulla base della conoscenza e fornisce intuizioni su come e perché il
cervello funzioni in questo modo.
Gli ultimi 2500 anni sono stati caratterizzati dalla contrapposizione tra:
Monismo (Talete): ritiene che la mente cosciente sia il prodotto dell’attività fisica del
cervello e non sia separata da esso. Le neuroscienze cognitive si rifanno a questa
teorizzazione.
Dualismo (Cartesio): il corpo, incluso il cervello, è dotato di proprietà materiali e lavora
come una macchina. Al contrario, la mente è qualcosa di immateriale e non può seguire le
leggi della natura. Nonostante questo, sostiene la possibilità che mente e corpo possano
interagire e riteneva che l’interazione avvenisse all’interno della ghiandola pineale.
La storia del cervello
Willis anticipò le neuroscienze cognitive con la nozione che lesioni cerebrali isolate (biologia)
potevano influenzare il comportamento (psicologia).
Tale visione fu successivamente ampliata da Gall, il quale si convinse che il cervello era l’organo
della mente e che le facoltà innate erano localizzate in regioni specifiche della corteccia cerebrale
(localizzazionismo). Individua e localizza 35 funzioni specifiche, divise in capacità cognitive
fondamentali (linguaggio, percezioni) e capacità effimere (affettività, morale). Gall e Spurzheim
ipotizzarono che se una persona utilizza una facoltà con maggior frequenza di altre, la parte del
cervello corrispondente a quella funzione aumentasse di grandezza e causasse la formazione di una
protuberanza sul cranio. Per cui, un’analisi attenta del cranio poteva fornire informazioni sulla
personalità del suo possessore (personologia anatomia). L'idea che il carattere potesse essere
predetto attraverso la palpazione del cranio prende il nome di frenologia.
Flourens fu il primo a mostrare che effettivamente certe parti del cervello erano responsabili di certe
funzioni; sviluppò l’opinione che al comportamento partecipasse l’intero cervello (teoria del campo
aggregato).
Jackson osservano gli esordi degli attacchi epilettici dei suoi pz ipotizzò che la che la corteccia
cerebrale avesse un’organizzazione topografica, per cui ogni area corticale rappresentava una sorta di
mappa di una data regione corporea, e giunse alla conclusione che molte regioni cerebrali
contribuiscono a uno stesso comportamento.
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CAP.1- STORIA DELLE NEUROSCIENZE COGNITIVE

Willis coniò il termine neurologia e fu il primo anatomista a collegare specifiche lesioni celebrali, ossia cambiamenti nella struttura cerebrale, a specifici deficit comportamentali, arrivando a teorizzare come il cervello trasmetta le informai azioni. Insieme a Wren mise in moto le idee e la conoscenza di base alla base delle neuroscienze cognitive odierne. Una prospettiva storica Negli anni ‘70 venne coniato il termine neuroscienze cognitive:Cognizione = processo della conoscenza, ossia ciò che deriva dalla consapevolezza cosciente, dalla percezione e dal ragionamento  Neuroscienze= studio dell’organizzazione e delle funzioni del SN Il fine ultimo delle neuroscienze cognitive è la comprensione del odo in cui le funzioni del cervello fisico possano dare luogo ai pensieri, alle idee e alle credenze di quella che sembra una mente intangibile. Per far ciò bisogna tenere a mente due cose: 1) il cervello è il frutto di un lungo processo evolutivo segnato dalla selezione naturale 2) è costituito da cellule viventi. La prospettiva evoluzionistica aiuta a prosi interrogativi più mirati sulla base della conoscenza e fornisce intuizioni su come e perché il cervello funzioni in questo modo. Gli ultimi 2500 anni sono stati caratterizzati dalla contrapposizione tra:  Monismo (Talete): ritiene che la mente cosciente sia il prodotto dell’attività fisica del cervello e non sia separata da esso. Le neuroscienze cognitive si rifanno a questa teorizzazione.  Dualismo (Cartesio): il corpo, incluso il cervello, è dotato di proprietà materiali e lavora come una macchina. Al contrario, la mente è qualcosa di immateriale e non può seguire le leggi della natura. Nonostante questo, sostiene la possibilità che mente e corpo possano interagire e riteneva che l’interazione avvenisse all’interno della ghiandola pineale. La storia del cervello Willis anticipò le neuroscienze cognitive con la nozione che lesioni cerebrali isolate (biologia) potevano influenzare il comportamento (psicologia). Tale visione fu successivamente ampliata da Gall , il quale si convinse che il cervello era l’organo della mente e che le facoltà innate erano localizzate in regioni specifiche della corteccia cerebrale ( localizzazionismo ). Individua e localizza 35 funzioni specifiche, divise in capacità cognitive fondamentali (linguaggio, percezioni) e capacità effimere (affettività, morale). Gall e Spurzheim ipotizzarono che se una persona utilizza una facoltà con maggior frequenza di altre, la parte del cervello corrispondente a quella funzione aumentasse di grandezza e causasse la formazione di una protuberanza sul cranio. Per cui, un’analisi attenta del cranio poteva fornire informazioni sulla personalità del suo possessore ( personologia anatomia ). L'idea che il carattere potesse essere predetto attraverso la palpazione del cranio prende il nome di frenologia. Flourens fu il primo a mostrare che effettivamente certe parti del cervello erano responsabili di certe funzioni; sviluppò l’opinione che al comportamento partecipasse l’intero cervello ( teoria del campo aggregato ). Jackson osservano gli esordi degli attacchi epilettici dei suoi pz ipotizzò che la che la corteccia cerebrale avesse un’organizzazione topografica, per cui ogni area corticale rappresentava una sorta di mappa di una data regione corporea, e giunse alla conclusione che molte regioni cerebrali contribuiscono a uno stesso comportamento.

Broca pubblicò l’autopsia di Tan sostenendo che la sua afasia era prodotta da una lesione del lobo frontale inferiore nell’emisfero sinistro (area di Broca). Successivamente, Wernicke osservò un pz con una sintomatologia dissimile prodotta da una lesione in una regione più posteriore dell’emisfero sinistro (area di Wernicke). A partire da queste due scoperte si riconobbe nuovamente che una lesione cerebrale focale potesse causare deficit del comportamento. Si iniziò ad indagare con maggiore attenzione la corteccia cerebrale e la sia organizzazione cellulare. Brodmann analizzò l’organizzazione cellulare della corteccia e individuò 52 regioni distinte. Per indicare le differenze di organizzazione nelle varie regioni cerebrali venne coniato il termine citoarchitettura. Presto altri anatomisti proposero suddivisioni della corteccia ancora più particolareggiate e precise, scoprendo che le varie aree del cervello, distinte in base alla loro citoarchitettura, effettivamente rappresentavano regioni cerebrali distinte anche dal punto di vista funzionale. Golgi sviluppò il metodo di colorazione cromo-argentica in grado di visualizzare singoli neuroni nella loro interezza. Usando questa colorazione Ramon y Cajal scoprì che i neuroni sono unità discrete e definì la dottrina del neurone, riconoscendo che il SN è costituito da single cellule. Inoltre, riconobbe che la trasmissione delle informazioni nervose, di natura elettrica, avveniva in una sola direzione: dai dendriti verso il terminale assonico. Von Helmhotz comprese che la corrente elettrica cellulare non rappresentava un effetto collaterale dell’attività cellulare ma, al contrario, il mezzo stesso che trasportava le informazioni lungo l’assone del neurone. Sherrington coniò il termine sinapsi. Durante il XX secolo , le vedute localizzazioniste furono mediate da coloro che compresero che, nonostante specifiche ubicazioni neuronali potessero servire funzioni indipendenti, era la rete di queste ubicazioni e la loro interazione che consentiva agli esseri umani di mantenere un comportamento olistico e integrato. Gli scienziati, quindi, sono giunti a credere che la conoscenza delle parti debba essere acquisita insieme a quella della globalità. La storia della psicologia Donders fu il primo ad utilizzare la differenza del tempo di reazione per dedurre la differenza di elaborazione cognitiva. Da questa intuizione nacque la psicologia sperimentale. Fino a quel momento la mente era oggetto di studio della filosofia. In campo filosofico si erano affermate due posizioni:  Razionalismo, qualsiasi conoscenza può essere raggiunta usando la ragione  Empirismo, ogni conoscenza deriva dall’esperienza sensibile e il cervello nasce come tabula rasa. Da questa prospettiva si sviluppa l’associazionismo Ebbinghaus fu uno dei primo sostenitori dell’ associazionismo. Intuì che i processi mentali più profondi potevano essere misurati. Ancora più associazionista è Thorndike il quale osservò che una risposta seguita da una ricompensa rimaneva impressa nell’organismo come una risposta abituale. Se non ricompensata, la risposta finiva per scomparire. Presto l’associazionismo venne dominato dalle idee di Watson, il quale proponeva che la psicologia potesse essere oggettiva solamente se fondata sul comportamento osservabile. Nasce il comportamentismo. Contemporaneamente, in Inghilterra e in Canada, Penfield e Jasper introducono la procedura di Montreal per il trattamento dell’epilessia. A partire dalle osservazioni sugli epilettici Penfield fu in grad di creare mappe delle cortecce sensoriale e motoria del cervello. A lui si unì Hebb , il quale si convinse che il funzionamento del cervello spiegasse il comportamento e che la biologia e la psicologia non potessero essere separate. Nel sul libro “l’organizzazione del comportamento” postulò che l’apprendimento avesse base biologica, che i neuroni possano combinarsi in una singola unità di

CAP.2- STRUTTURA E FUNZIONI DEL SISTEMA NERVOSO

Le cellule del sistema nervoso Cellule gliali: svolgono svariate funzioni nel SN, forniscono sostegno strutturale e l’isolamento elettrico dei neuroni oltre alla modulazione dell’attività neuronale. Il SNC presenta tre principali ripi di cellule gliali:

  1. Astrociti: sono grandi cellule di forma arrotondata o radialmente simmetrica che circondano i neuroni e che, attraverso i pedicelli terminali , trasportano ioni attraverso la parete dei vasi sanguigni. Generano la barriera ematoencefalica , che limita la diffusione di oggetti microscopici (batteri) e di voluminose molecole idrofile del sangue all’interno del tessuto neurale, pur consentendo la diffusione di piccole molecole idrofobe come l’O, CO 2 e gli ormoni. In questo modo il SNC è protetto da agenti chimici e patogeni che possono influenzare l’attività neuronale. Recentemente è stato dimostrato anche il ruolo attivo degli astrociti nella funzionalità cerebrale. Studi in vitro testimoniano che gli astrociti rilasciano molecole che influenzano l’attività neurale e modulano la forza del contatto sinaptico. Studi in vivo riscontrano che quando l’attività degli astrociti è bloccata, l’attività neurale aumenta.
  2. Oligodendrociti: producono la mielina nel SNC (le cellule di Schwann lo fanno nel periferico). Queste cellule avvolgono le membrane cellulari in strati concentrici intorno all’assone producendo la guaina mielinica. La mielina è un buon isolante elettrico e aumenta la velocità e la distanza con cui l’informazione può viaggiare attraverso il neurone.
  3. Microglia: sono fagociti che divorano le cellule danneggiate. A differenza delle altre cellule della glia proliferano anche negli adulti. Neuroni: sono le unità fondamentali di elaborazione dei segnali che trasmettono l’informazione in tutto il sistema nervoso. I neuroni sono composti da una membrana cellulare che racchiude il soma, il quale a sua volta contiene l’apparato metabolico che sostiene le funzioni vitali del neurone del quale fanno parte il nucleo, il reticolo endoplasmatico, l’apparato i golgi, i mitocondri ecc. Queste strutture sono circondate dal citoplasma, un liquido salato composto da ioni, sia positivi sia negativi, e da altre molecole (proteine). Inoltre, l’intero neurone è immerso in un liquido extracellulare anch’esso composto da ioni. Le componenti principali del neurone sono:
  4. Dendriti: sono estensioni ramificate del neurone che ricevono input da altri neuroni. Possono apparire come grandi arborizzazioni (cellule di Purkinje) oppure assumere forme più semplici (motoneuroni spinali). Molti dendriti presentano processi citoplasmatici specializzati denominati spine , piccole protuberanze fissate sulla superficie dei dendriti tramute un breve peduncolo, dove i dendriti ricevono input da altri neuroni.
  5. Assone : è un singolo processo che si estende dal soma, è la via d’uscita lungo la quale i segnali elettrici scendono fino alle terminazioni assoniche, dove il neurone trasmette ad altri neuroni o altre cellule bersaglio. Alcuni assoni possono ramificarsi in assoni collaterali , i quali trasmettono segnali a più di una cellula. Gli assoni sono avvolti dalla mielina , le interruzioni nella guaina di chiamano nodi di Ranvier.
  6. Sinapsi : una struttura specializzata in cui due neuroni risultano in stretto contatto in modo tale che segnali chimici o elettrici possono essere passati da una cellula all’altra.

L'elaborazione dei segnali neurali: l’elaborazione dei segnali neuronali si compone dei processi di ricezione, elaborazione e trasmissione delle informazioni. Le informazioni sono ricevute dal neurone tramite le sinapsi di input passano attraverso il corpo cellulare e poi, attraverso l’assone, alle sinapsi di output, nei terminali assonici. A livello delle sinapsi di output, l’informazione viene trasferita attraverso le sinapsi da un neurone all’altro, o a cellule non neurali. All’interno del neurone le informazioni si muovono attraverso modificazioni della condizione elettrica del neurone. Tra neuroni il trasferimento delle informazioni si verifica attraverso le sinapsi. Le sinapsi possono essere:  Sinapsi chimiche , rilasciano neurotrasmettitori  Sinapsi elettriche , i segnali tra neuroni viaggiano con correnti elettriche transinaptiche I neuroni nella maggior parte dei casi sono al tempo stesso presinapstici e postsinaptici:  Neuroni presinaptici : quando le sinapsi di output entrano in contatto con altri target  Neuroni postsinaptici : quando altri neuroni interagiscono con le loro sinapsi di input I processi di elaborazione dei segnali includono numerosi stadi: →Potenziale di membrana: in quale modo il neurone genera segnali e che cosa sono? Per produrre i segnali il neurone necessita di energia. Tale energia si presenta sotto forma di potenziale elettrico neuronale transmembrana , definito come la differenza di voltaggio neuronale tra i due lati della membrana. Sia il voltaggio interno che quello esterno del neurone dipendono dalla concentrazione di ioni potassio, sodio e cloro. Quando il neurone è a riposo il potenziale interno è negativo. Generalmente a riposo la differenza di potenziale tra interno ed esterno è -70 mV , ed è chiamata potenziale a riposo. La differenza di potenziale è come una batteria, l’energia immagazzinata può essere utilizzata per svolgere lavoro. In che modo il neurone genera e mantiene questo potenziale a riposo e come lo utilizza per l’elaborazione delle informazioni? La membrana neuronale è composta da un doppio strato di lipidi e mantiene una separazione netta tra gli ioni intracellulari e quelli extracellulari e tra le cariche elettriche che, in definitiva, consentono la comunicazione neuronale. La membrana neuronale, inoltre, è punteggiata da proteine transmembrana, le principali sono:

  1. Canali ionic i: proteine forate che consentono a determinati tipi di ioni di passare sulla base dei gradienti elettrochimici e di concentrazione. I canali ionici permettono selettivamente il passaggio attraverso la membrana di un solo tipo di ione; quelli suoi neuroni sono selettivi per gli ioni sodio (Na+), potassio (K+), calcio (Ca2+) o cloro (Cl-). La selettività dei canali ionici determina la permeabilità selettiva della membrana neuronale; la membrana neuronale è maggiormente permeabile agli ioni K+^ e agli ioni Na+. Inoltre, diversamente dalla maggior parte delle cellule i neuroni sono eccitabili, ossia possono modificare la permeabilità delle loro membrane. Sulla base di questa capacità distinguiamo: 1- canali ionici ad accesso regolato o canali ionici attivi , ossia canali formati da proteine capaci di modificare la loro permeabilità a un particolare tipo di ione. Questi si aprono o si chiudono in risposta alle variazioni del voltaggio transmembrana o in risposta a stimoli fisici o chimici. 2- canali ionici ad accesso non regolato o canali ionici passivi , ossia canali che consentono il continuo passaggio dello ione associato.
  2. Pompe ioniche : impiegano energia per il trasporto attivo degli ioni attraverso la membrana contro il loro gradiente di concentrazione. In generale, le concentrazioni di Na+^ e Cl-^ sono maggiori all’esterno della cellula, mentre le concentrazioni di K+^ sono maggiori all’interno. In tale situazione per contrastare l’equilibrio i neuroni usano proteine di trasposto chiamate pompe ioniche. In particolare, la pompa sodio-potassio pompa ioni sodio fuori dalla cellula e ioni potassio all’interno, opponendosi ai gradienti di concentrazione, e per questo impiega

molteplici dendriti si sommano nel monticolo assonico. La corrente elettrica così generata circola attraverso la membrana neuronale nella zona di innesco del potenziale a punta, polarizzando la membrana. Se la depolarizzazione è forte abbastanza ( -55mV, potenziale di membrana depolarizzato ) viene innescato un potenziale d’azione. Raggiunto il potenziale depolarizzato i canali voltaggio dipendente per il Na+^ si aprono e gli ioni Na+^ affluiscono rapidamente all’interno del neurone. Tale afflusso depolarizza ulteriormente il neurone, aprendo altri canali per il sodio. Questo processo prende il nome di ciclo di Hodgkin-Huxley. Questo ciclo rapido genera la forte depolarizzazione che costituisce la parte iniziale del potenziale d’azione. In seguito, i canali ad eccesso regolato voltaggio-dipendente per il K+^ di defluire all’esterno del neurone. Questo efflusso dà inizio al ritorno del potenziale di membrana di membrana verso il potenziale di riposo. L'apertura dei canali per il potassio dura più a lungo della chiusura dei canali del sodio, causando una seconda fase di ripolarizzazione; tale ripolarizzazione spinge il potenziale di membrana verso il potenziale di membrana verso il potenziale di equilibrio del K+, che è ancora più negativo del potenziale a riposo. La membrana è iperpolarizzata intorno ai –80 mV. L'iperpolarizzazione causa la chiusura dei canali per il potassio, con il risultato di un graduale ritorno al suo stato di riposo. Durante questo stato transitorio di iperpolarizzazione non può essere generato un altro potenziale d’azione ( periodo refrattario assoluto ). Tale stato è seguito da un periodo refrattario relativo , durante si possono generare potenziali d’azione solo mediante depolarizzanti più forti del normale. Il periodo refrattario porta con sé due conseguenze:

  1. La rapidità con cui il neurone può generare può generare potenziali d’azione è limitata a circa 200 potenziali d’azione al secondo 2. La corrente passiva che si propaga dal potenziale d’azione fluisce lungo l’assone con forza sufficiente a depolarizzazione la membrana un poco più in là, dove i canali ionici non ci trovano nello stato refrattario, aprendo i canali ad accesso regolato voltaggio-dipendente in questa successiva porzione della membrana. Il risultato è che il potenziale d’azione viene propagato lungo l’assone solo in una direzione. Inoltre, i potenziali d’azione devono anche viaggiare rapidamente. La guaina mielinica consente alle correnti passive generate dal potenziale d’azione di essere propagate di più lungo l’assone. Il risultato è che non vi è necessità che i potenziali d’azione siano generati con tanta frequenza e che essi possono essere diffusi lungo l’assone a intervalli distanti l’uno dall’altro. In pratica, è necessario che i potenziali d’azione degli assoni mielinici si verifichino esclusivamente nei nodi di Ranvier (conduzione saltatoria). I potenziali d’azione sono sempre della stessa ampiezza sono definiti fenomeni di natura tutto o nulla. L'intensità dei potenziali non rivela nulla sull’intensità dello stimolo che lo ha iniziato, l’intensità dello stimolo è rivelata dal tasso di scarica dei potenziali d’azione. →oscillazione neurali: molti neuroni scaricano a un certo tasso di frequenza continua di base. Questo tasso è diverso nei differenti tipi di neuroni e può derivare da proprietà intrinseche al neurone o da network neurali più ampi. Queste oscillazioni neurali sono importanti per capire alcuni segnali che possiamo registrare con elettrodi sul cervello sullo scalpo. La trasmissione sinaptica Esistono due tipi di sinapsi: Trasmissione chimica: la maggior parte dei neuroni invia un segnale al neurone post-sinaptico rilasciando neurotrasmettitore nella fessura sinaptica. Come avviene la trasmissione sinaptica? L'arrivo del potenziale d’azione alla terminazione assonica porta alla depolarizzazione

della membrana di questa aprendo i canali per il Ca+^ voltaggio-dipendenti. L'apertura di questi canali innesca la fusione delle vescicole che contengono neurotrasmettitore con la membrana della sinapsi e il rilascio del neurotrasmettitore nella sinapsi. Il neurotrasmettitore si diffonde nella fessura e, quando raggiunge la membrana post-sinaptica, si lega con i recettori. Neuroni differenti producono e rilasciano neurotrasmettitori diversi. Se vengono rilasciati più neurotrasmettitori dallo stesso neurone si parla di co-trasmissione. Inoltre, neurotrasmettitori specifici si legano a specifici recettori. Esistono due tipi di recettori post-sinaptici:

  1. Canali ionici ligando dipendenti: il legame diretto con il neurotrasmettitore apre i canali ionici. Il legame con il neurotrasmettitore produce una modifica nella conformazione del recettore e questo fa aprire i canali ionici. L'ingresso degli ioni porta alla depolarizzazione (eccitazione) o all’iperpolarizzazione (inibizione; produce potenziale post-sinaptico inibitorio [IPSP]) della cellula post-sinaptica. I canali ionici ligando dipendenti veicolano una segnalazione rapida misurata in millisecondi.
  2. Recettori accoppiati alla proteina G (GPCR): nei quali i segnali biochimici causano indirettamente l’apertura dei canali ionici. Le proteine G si legano con i nucleotidi GDP e GTP e si comportano come commutatori molecolari. Esistono più di 1000 GPCR e ciascun tipo viene attivato da una specifica molecola di segnalazione , questa può essere un neurotrasmettitore un neuropeptide o un nuerosteroide. Quando la molecola di segnalazione si lega al suo GPCR, il cambiamento di conformazione attiva la proteina G che, a sua volta, attiva o regola una proteina target specifica che produce un secondo messaggero. Di conseguenza, il secondo messaggero innesca una cascata di reazioni biochimiche. La segnalazione veicolata dai GPCR è più lenta, può arrivare a durare secondi, e produce cambiamenti modulatori dello stato funzionale più duraturi rispetto ai canali ligando dipendenti. Neurotrasmettitori: cosa rende una molecola un neurotrasmettitore?
  • Deve essere sintetizzato dal neurone pre-sinaptico, essere localizzato al suo interno e restare immagazzinato nella terminazione pre-sinaptica prima del rilascio
  • Deve essere rilasciato quando il potenziale d’azione depolarizza la terminazione
  • Il neurone post-sinaptico deve contenere recettori specifici per il neurotrasmettitore in questione
  • Applicato artificialmente alla cellula deve produrre lo stesso effetto che deriverebbe dalla stimolazione del neurone pre-sinaptico → classificazione biochimica dei neurotrasmettitori: Classe Neurotrasmettitori Amminoacidi Aspartato, GABA, glutammato glicina Ammine biogene Dopamina, noradrenalina, adrenalina (queste 3 sono dette anche catecolammine) serotonina, istamina Acetilcolina / Neuropeptidi Tachichinine →sostanza P Ormoni neuroipofisari →ossitocina, vasopressina Fattori di rilascio ormonale ipotalamici →fattore di rilascio della corticotropina, somatostatina, il fattore di rilascio della gonadotropina Peptidi oppioidi →endorfine, encefaline Altri neuropeptidi →insuline, secretine, gastrine
  1. Dopamina: prodotta dalle ghiandole surrenali e da piccole aree del cervello (striato, substatia nigra, ipotalamo). Sono stati identificati 5 recettori della dopamina: da D 1 a D 5 (+2 probabili); sono tutti recettori GPCR. Vi sono diverse vie dopaminergiche coinvolte nel controllo motorio e cognitivo, nell’arousal motivazionale, nel rinforzo. Il morbo di Parkinson, la schizofrenia, l’ADHD e le dipendenze sono associati a deficit ai circuiti della dopamina.
  2. Serotonina: rilasciata soprattutto dai neuroni del nucleo del rafe all’interno del tronco encefalico, questi neuroni proiettano nella maggior parte del SNC. Le vie serotoninergiche sono coinvolte nella regolazione dell’umore, della temperatura, dell’appetito, del comportamento, della contrazione muscolare e del sonno. Ha un effetto anche su apprendimento e memoria. Farmaci SSRI usati per depressione agiscono sui nuclei del rafe e su altri target nel cervello.
  3. Norepinefrina (NE): viene prodotta e usata dai neuroni con corpo cellulare nel locus coeruleus (LC), un’area del cervello coinvolta nelle reazioni fisiologiche allo stress e localizzata nel ponte. Questi neuroni hanno vaste proiezioni alla corteccia, al cervelletto e al midollo. Durante il sonno l’attività LC è bassa, si alza a livelli base durante la veglia, e aumenta in risposta agli stimoli presentati. Al di fuori del SNC viene rilasciata dalle ghiandole surrenali. Vi sono due tipi di recettori, tutti GPCR: ➙ alpha (1 e 2): tendenzialmente 1 ha effetti eccitatori e 2 inibitori ➙ beta (1, 2, 3): tendenzialmente ha effetti inibitori NE media la risposta attacco-fuga, aumenta l’arousal, la cigilanza, l’attenzione focalizzata e la formazione di memorie. Aumenta l’ansia e l’irrequietezza
  4. Neurosteroidi: sono steroidi sintetizzati del cervello, alcuni inibitori altri eccitatori. Sono in grado di legarsi ai neurotrasmettitori attraverso recettori sia ad apertura diretta che indiretta. Sono coinvolti nel controllo di diversi processi neurobiologici, come la cognizione, lo stress, l’ansia, la depressione, l’aggressività, la temperatura, la pressione sanguigna, la locomozione ecc. Il cervello possiede le molecole necessarie per convertire il colesterolo in steroidi, come l’estradiolo o il testosterone, e i recettori specifici per ciascun neurosteroide e per gli ormoni steroidei a livello periferico. → inattivazione dei neurotrasmettitori dopo il rilascio: dopo esser stato rilasciato nella fessura sinaptica ed essersi legato con i recettori della membrana post-sinaptica, il neurotrasmettitore deve essere rimosso per prevenire l’ulteriore trasduzione di segnali eccitatori o inibitori. Ciò avviene per diversi meccanismi:
  5. Ricaptazione attiva della sostanza all’interno della terminazione presinaptica: per esempio le ammine biogene. Questo meccanismo è mediato da proteine di trasporto attivo che pompano il neurotrasmettitore a ritroso attraverso la membrana pre-sinaptica
  6. Scomposizione enzimatica del neurotrasmettitore nella fessura sinaptica: come l’AChE degrada ACh
  7. Diffusione del neurotrasmettitore lontano dalla regione della sinapsi o dal sito d’azione Per controllare il livello di neurotrasmettitore nella fessura sinaptica i neuroni presinaptici hanno degli autorecettori che si legano alle molecole di neurotrasmettitore rilasciate, consentendo così al neurone di regolare la sintesi del neurotrasmettitore e il suo rilascio. Trasmissione elettrica: nelle sinapsi elettriche i neuroni non sono separati dalla fessura sinaptica; le membrane delle due cellule nervose sono a contatto diretto attraverso le giunzioni comunicanti. I canali delle giunzioni hanno dei pori che mettono in comunicazione i citoplasmi dei due neuroni. Di conseguenza i neuroni sono isopotenziali, ossia hanno

lo stesso potenziale, per cui, i cambiamenti elettrici di un neurone si ripercuotono istantaneamente anche nell’altro. Tuttavia, in base ai principi della conduzione elettrotonica, le correnti passive che scorrono fra i due neuroni diminuiscono quando uno di è essi è depolarizzato o iperpolarizzato e, quindi, sono più piccole nel neurone post-sinaptico. Il più delle volte la comunicazione è bidirezionale, ma le sinapsi rettificanti limitano sul flusso della corrente in un’unica direzione. La trasmissione elettrica è molto rapida ma ha dei limiti: queste sinapsi sono meno plastiche di quelle chimiche e non sono in grado di amplificare il segnale come fanno quelle chimiche rilasciando neurotrasmettitori. Una panoramica della struttura del SN I neuroni raramente lavorano in isolamento. La comunicazione neuronale dipende dalle configurazioni connettive del sistema nervoso. Identificare le varie forme di connettività è molto complessi perché la maggior parte dei neuroni sono connessi al tempo stesso sia in circuiti seriali che in circuiti paralleli. Neuroni localizzati e interconnessi formano un microcircuito. Questi elaborano un certo tipo di informazione e possono svolgere compiti sofisticati come elaborare le informazioni sensoriali. Sebbene la maggior parte degli assoni sia caratterizzata da previ proiezioni, alcuni sono abbastanza estesi da poter proiettare da una regione del cervello ad un’altra. Le connessioni a lunga distanza connettono due reti neurali più complesse, dette macrocircuiti , costituiti da più microcircuiti integrati. Le reti neurali permettono analisi più complesse attraverso l’integrazione di processi di elaborazione di informazioni da parte di diversi microcircuiti. Un po' di lessico utile:

  • Connessioni corticocorticali: connessioni tra due regioni corticali
  • Connessioni talamocorticali: input che originano nelle strutture sottocorticali come il talamo
  • Connessioni corticoltalamiche o corticofighe: input parte dalla corteccia per arrivare a regioni sottocorticali Inoltre, le reti neurali sono organizzate in sistemi neurali. Le due principali divisioni del SN sono:
  1. SNC (encefalo + midollo), può essere considerato come la porzione del SN responsabile del comando e del controllo
  2. SNP (nervi + gangli fuori dal SNC), può esser visto come una grande rete di distribuzione che trasmette le informazioni sensoriali al SNC, del quale poi veicola i comandi motori ai muscoli. Ciò è reso possibile da due sottosistemi: ➙ sistema somatomotore: controlla muscoli volontari del corpo ➙ sistema visceromotore: controlla funzioni viscerali automatiche Sistema nervoso autonomo: il sistema nervoso autonomi è coinvolto nel controllo dell’attività involontaria della muscolatura liscia, del cuore e di varie ghiandole. È caratterizzato da due sottodivisioni, che spesso lavorano in modo antagonistico:
  3. Branca simpatica, in genere usa norepinefrina
  4. Branca parasimpatica, solitamente impiega acetilcolina

risultati dall’aumento di attività cerebrale. I cambiamenti locali di flusso sanguigno possono essere usati come unità del cambiamento dell’attività neurale locale. Riquadro 2.1: navigando nel cervello Un tour guidato nel cervello Il midollo spinale: il midollo spinale raccoglie le informazioni sensoriali dai recettori periferici del corpo, che rinvia al cervello, e conduce ai muscoli i segnali motori in uscita. Ogni segmento del midollo presenta delle vie riflesse monosinaptiche che coinvolgono sinapsi solo entro il midollo spinale (es: tendine rotuleo). Il midollo spinale decorre dal tronco encefalico , a partire dalla prima vertebra spinale, fio all’estremità terminale chiamata cauda equina. Inoltre, è racchiuso dalle vertebre della colonna. Come la colonna, anche il midollo si divide in sezioni (cervicale, toracico, lombare, sacrale) e ne possiamo individuare 31 segmenti. Ciascun segmento presenta, sia a dx che a sx, un nervo spinale , che entra ed esce dalla colonna attraverso i forami. Ciascun nervo spinale presenta assoni di natura sia sensoriale che motoria:

  1. Neurone afferente , trasporta input sensoriali all’interno del midollo attraverso la radice dorsale
  2. Neurone efferente , trasporta output motorio attraverso la radice ventrale della colonna vertebrale Guardando la sezione trasversale del midollo notiamo che:
  3. All'esterno → sostanza bianca
  1. All'interno → sostanza grigia. Questa si divide in due sezioni: ➙ corno dorsale: contiene neuroni sensoriali e gli interneuroni; quest’ultimi proiettano sia sui motoneuroni ipsilaterali che controlaterali del midollo per aiutare nella coordinazione dei movimenti degli arti ➙ corno ventrale: contiene grossi motoneuroni che proiettano ai muscoli La materia grigia circonda il canale centrale che contiene FCS. La Costanzo suggerisce: tutto ciò che è motorio si trova davanti, quindi la colonna sensoriale è dorsale. Il troco encefalico (rombencefalo): il tronco encefalico è una struttura comporta da tre parti: 1) midollo allungato o mielencefalo; 2) ponte o metencefalo; 3) mesencefalo. Queste tre componenti si trovano tra il midollo spinale e il diencefalo. Il tronco encefalico contiene gruppi di nucleo motori e sensoriali, nuclei dei sistemi di neurotrasmettitori e tratti di sostanza bianca che si compongono delle vie ascendenti per l’informazione sensoriale e da quelle discendenti per i segnali motori. Qualsiasi lesione al tronco encefalico mette in grave pericolo la sopravvivenza. → midollo allungato o bulbo: la porzione caudale del tronco encefalico; ospita i corpi cellulari di molti nervi cranici e controlla funzioni vitali come la respirazione, il ritmo cardiaco e l’arousal. Tutte le informazioni sensoriali ascendenti che entrano nel midollo spinale passano per il midollo allungato attraverso due gruppi di nuclei bilaterali: i nuclei gracile e coneato. Questi due sistemi di proiezione continuano il loro viaggio per il tronco encefalico, giungendo al talamo e infine alla corteccia somatosensoriale. Inoltre, gli assoni motori corticospinali del midollo allungato si organizzano in fasci detti tratti piramidali. Questi si incociano, formando la decussazione delle piramidi. Per questo i motoneuroni che originano a dx controllano i muscoli controlaterali, e viceversa. Da un punto di vista funzionale, il midollo allungato rappresenta una stazione di scambio dell’informazione sensoriale e motoria tra il corpo e il cervello. →ponte: è la principale connessione tra il cervello e il cervelletto; è situato anteriormente al midollo allungato ed è costituito da un vasto sistema di fibre inframezzato da nuclei. È importante per alcuni movimenti oculari (anche movimenti oculari rapidi del sonno REM), della faccia e della bocca. Inoltre, una parte dell’informazione uditiva è convogliata verso l’oliva superiore (regione pontina). Contiene una grossa porzione della formazione reticolare , una serie di nuclei che modula l’arousal e

Il diencefalo: costituito da: → talamo (termini): situato quasi perfettamente al centro del cervello all’estremità rostrale del tronco encefalico. È diviso in due parti, una nell’emisfero dx e una nel sx, a cavallo del terzo ventricolo. Le due parti sono connesse dalla massa intermedia, un ponte di sostanza grigia. Sopra al talamo ci sono il fornice e il corpo calloso; al fianco c’è la capsula interna, costituita da assoni che decorrono traa la corteccia cerebrale, il midollo allungato e il midollo spinale. Il talamo è detto “porta d’ingresso alla corteccia” dato che tutte le modalità sensoriali giungono al talamo prima di dirigersi verso le regioni corticali. Inoltre, il talamo, riceve impulsi dao gangli della base, dal cervelletto, dalla neocorteccia e dal lobo temporale mediale; tutte strutture a cui, a sua volta, invia proiezioni dando origine a numerosi circuiti. Il talamo è diviso in numerosi nuclei: ➙ nucleo genicolato laterale: riceve info dalle cellule gangliari della retina e invia assoni alla corteccia V ➙ nucleo genicolato mediale: riceve informazioni dall’orecchio interno e invia assoni alla corteccia uditiva primaria ➙ nuclei ventrali posteriori (mediale e laterale): proietta informazioni somatosensoriali alla corteccia somatosensoriale primaria ➙ nucleo del pulvinar: coinvolto nell’attenzione e nelle funzioni di inetgrazione I nuclei di scambio del talamo non proiettano solo alla corteccia, essi ricevono anche informazioni dalle aree corticali. →ipotalamo: è il principale collegamento tra il sistema nervoso e il sistema endocrino; si trova sul fondo del terzo ventricolo. Contiene i corpi mammillari e riceve afferenze dal sistema limbico. Una delle sue funzioni è rappresentata dal controllo dei ritmi circadiani attraverso le afferenze derivanti dalla formazione reticolare mesencefalica, dall’amigdala e dalla retina. Le sue afferenze comprendono proiezioni alla corteccia prefrontale, al midollo spinale e all’ ipofisi (ghiandola pituaria) connessa alla sua base. Controlla le funzioni necessarie per il mantenimento dello stato corporeo normale, come la regolazione della temperatura, attraverso il sistema endocrino e il controllo dell’ipofisi. Inoltre, produce ormoni e i fattori che regolano la produzione di ormoni in altre regioni del cervello. I neuroni ipotalamici proiettano all’ eminenza mediana , un’area al confine tra ipotalamo e ipofisi, che rilascia ormoni regolatori del sistema circolatorio dell’ipofisi anteriore. A loro volta, questi innescano o inibiscono il rilascio di diversi ormoni nel sangue. I neuroni nella regione anteromediale dell’ipotalamo includono quelli del nucleo sovraottico e dei nuclei

paraventricolari. Questi inviano all’ipofisi posteriore proiezioni assoniche che stimolano questa ghiandola a produrre vasopressina e ossitocina. Gli ormoni peptidici che circolano nel sangue possono agire anche su sisti distanti e influenzano una vasta gamma di comportamenti. Inoltre, l’ipotalamo stesso può essere influenzato dagli ormoni prodotti dal resto del corpo. Il telencefalo: situato verso la fronte il telencefalo si sviluppa nel cervello e contiene sistema limbico, gangli della base, bulbo olfattivo e la corteccia. → sistema limbico: un po' di storia:

  1. Willis descrive il lobo limbico “classico” e sostiene che sia costituito dal giro cingolato, ossia una banda di corteccia cerebrale che si estende sopra il corpo calloso in direzione ateroposteriore e che abbraccia il lobo frontale e parietale, dall’ ipotalamo , dai nuclei anteriori talamici e dall’ ippocampo , un’area localizzata sulla faccia ventromediale del lobo temporale.
  2. Papez è il primo a ipotizzare che queste strutture sia organizzate in un sistema deputato al controllo del comportamento emozionale. Per questo il sistema prende il nome di circuito di Papez.
  3. McLean successivamente chiama questo circuito sistema limbico e include l’ amigdala , un groppo di neuroni situati anteriormente all’ippocampo, la corteccia orbitrofrontale e alcune parti dei gangli della base. Alcune formulazioni, inoltre, distinguono tra sistema limbico e strutture paralimbiche. Le strutture che fanno parte del sistema limbico sono strettamente interconnesse e condividono la caratteristica di essere le strutture più plastiche della corteccia. Inoltre, condividono le specializzazioni comportamentali: 1) combinare frammenti di informazioni riguardanti esperienze recenti supportando, così, la memoria; 2) mettere a fuoco gli stati emotivi e motivazionali; 3) associare gli stati autonomici, ormonali e immunologici all’attività mentale 4) coordinare il comportamento affiliativo; 5) percepire gusto, olfatto e dolore. →gangli della base: sono un insieme di nuclei localizzati bilateralmente in profondità nel cervello al di sotto della porzione anteriore dei ventricoli laterali, vicino al talamo. I gangli della base sono composti da: 1) nucleo caudato ; 2) putament ; 3) globo pallido ; 4) nucleo sottotalamico ; 5) substantia nigra. Il putamen e il nucleo caudato formano il neostriato. In generale i

Scissura interemisferica: va dall’estremità rostrale a quella caudale del prosencefalo Osservando la superficie laterale della corteccia si incontrano regioni che non sono visibili come l’ insula, situata tra i lobi temprale e frontale. L'insula è un’isola sulla corteccia nascosta in profondità del solco laterale; si divide in anteriore e posteriore. Gli emisferi sono connessi da: 1) corpo calloso ; 2) commissura anteriore ; 3) commissura posteriore. Suddivisione della corteccia in base all’architettura cellulare: la citoarchitettonica usa lo studio della microanatomia e dell’organizzazione del cervello per suddividere la corteccia. Broadmann ha identificato circa 52 aree distinte. Altri anatomisti hanno suddiviso ulteriormente la corteccia arrivando a identificare 200 regioni. Probabilmente il modo più efficacie di suddividere la corteccia è combinare le aree citoarchitettoniche con quelle funzionali. L'utilizzo della mappa di Broadmann ha delle limitazioni. Se si sta studiando una particolare area del cervello attraverso tecniche di neuroimaging non si può sapere se la sua anatomia corrisponda esattamente a quella osservata da Broadmann. Per cui per fare comparazioni si utilizza la topografia del cervello. Utilizzando criteri citoanatomici diversi la corteccia può essere divisa in aree anche in base ai pattern di stratificazione. Gli strati della corteccia sono:

  1. Neocorteccia: comprende la corteccia sensoriale e motoria primarie e le aree associative. Contiene sei strati cellulari, numerati da I a VI (I è il più superficiale).
  2. Mesocorteccia: comprende la regione paralimbica, comporta da giro cingolato, giro paraippocampale, corteccia insulare, corteccia entorinale e la corteccia orbitofrontale. La mesocorteccia si trova tra la neocorteccia e l’allocorteccia è formata da 3-6 strati.
  3. Allocorteccia: evoluzionisticamente la più antica, comprende 1-4 strati. Si compone del complesso ippocampale ( archicorteccia ) e la corteccia olfattiva primaria ( paleocorteccia ). In ciascuno degli strati i neuroni sono simili e si differenziano tra gli strati. Inoltre, pur essendo collegati agli altri neuroni dello stesso strato, i neuroni di ciascuna lastra sono allineati con i neuroni delle lastre superiori e inferiori, formando delle colonne dette minicolonne o microcolonne. Infatti, i neuroni di una colonna fanno sinapsi con quelli degli strati sopra e sotto, formando dei circuiti

primordiali che funzionano in modo più o meno unitario. Le colonne neuronali sono le unità di elaborazione fondamentali della corteccia; fasci di microcolonne riunite ( colonne corticali ) creano le unità funzionali della corteccia. Suddivisione della corteccia in base alla funzione: i lobi della corteccia assolvono a una vasta gamma di ruoli funzionali. Talvolta, le suddivisioni anatomiche e funzionali collimano. Nella maggior parte dei casi sistemi cognitivi sono composti da network le cui componenti sono localizzate in diverse parti della corteccia o in regioni sottocorticali. Generalmente la corteccia viene suddivisa in 5 sottotipi funzionali: 1) aree sensoriali primarie 2) aree motorie primarie 3) aree associative unimodali 4) aree associative multimodali 6) aree limbiche e paralimbiche. METTE FIGURA 2. → lobo frontale: presenta due suddivisioni funzionali:  Corteccia prefrontale: un’area associativa di ordine superiore. Le principali regioni sono: 1) corteccia prefrontale dorsolaterale, 2) corteccia prefrontale ventrolaterale, 3) la corteccia orbitofrontale, 4) le regioni prefrontali mediali, 5) la corteccia cingolata anteriore. La corteccia prefrontale partecipa agli aspetti più complessi della pianificazione, dell’organizzazione e del controllo esecutivo. Lesioni ai lobi frontali si associano alla difficoltà a raggiungere un obiettivo e alla mancanza di motivazione a iniziare/interrompere un comportamento. I lobi frontali sono coinvolti anche nelle funzioni sociali.  Corteccia motoria: davanti al solco centrale. ➙ corteccia primaria motoria (M1 o MI): corrisponde a BA4. Include il banco anteriore del solco centrale e gran parte del giro precentrale. Riceve input dal cervelletto e dai gangli della base attraverso il talamo e l’area premotoria. Lo strato afferente contiene i neuroni piramidali (cellule di Betz). ➙ corteccia premotoria: anteriore alla M1 in BA6 , si trova sulla superficie laterale dell’emisfero. Contribuisce al controllo dei movimenti. ➙ corteccia motoria supplementare: anteriore alla M1 in BA6 , dorsale all’area premotoria ed estesa verso la superficie mediale dell’emisfero. Coinvolta nella pianificazione e nel sequenziamento del movimento. ➙ aree associative motorie: modulano inizio, inibizione, pianificazione e guida sensoriale dei movimenti. Gli assoni entrano in contatto sinaptico con i motoneuroni del midollo. → lobo parietale: riceve le informazioni sensoriali sul tatto, sul dolore, sulla temperatura, sui sensi e sulla propriocezione attraverso le cellule recettrici della cute che proiettano al midollo spinale, il quale porta il segnale fino al talamo. Il talamo invia gli input sensoriali verso:  corteccia somatosensoriale primaria (S1): una porzione del lobo parietale immediatamente causale al solco centrale.  corteccia somatosensoriale secondaria (S2): localizzata ventralmente a S1.