Cervello, evoluzione e adattamento di Stefano Canali

Cervello, evoluzione e adattamento di Stefano Canali

Il cervello è l'organo preposto al controllo e alla coordinazione di tutte le funzioni organiche. Esso elabora le informazioni provenienti dai diversi tessuti dell'organismo, per produrre la risposta comportamentale più funzionale agli stati di necessità del corpo e alla situazione ambientale. in questo senso, il cervello è l'organo primario dell'adattamento. Nel corso dell'evoluzione degli organismi viventi, il cervello si è via via complicato con apparati di analisi ed integrazione delle informazioni sempre più sofisticati, che hanno permesso alla risposta adattativa di non realizzarsi più, come avveniva e come avviene negli organismi inferiori, in via esclusivamente riflessa ed automatica, ma in modo intelligente ed aperto all'esperienza. Il nostro cervello rappresenta il prodotto della stratificazione dei tre tipi di cervello apparsi nel corso della trasformazione evolutiva dei vertebrati. Il cervello più antico, specializzato nel controllo delle funzioni automatiche, come la vigilanza, la respirazione e la circolazione, comprende le parti del midollo che si allungano nel cervello e che terminano nel tronco celebrale.

Fig.11 I centri che si sono sovrapposti a queste strutture, come il talamo, l'amigdala e i nuclei del putamen, fanno parte del cosiddetto cervello emozionale. Dalle loro funzioni dipende il comportamento emotivo e motivazionale ed i meccanismi del rinforzo psicologico (soprattutto quelli al piacere e al dolore) che sono alla base dei processi di apprendimento. La corteccia cerebrale Fig.12 rappresenta la parte evolutivamente più recente del cervello umano. Essa rappresenta lo strato corrugato di cellule nervose che racchiude i centri del cervello più antichi. La corteccia cerebrale integra e coordina le funzioni di tutte le altre strutture nervose ed è la sede delle funzioni psiche superiori, come l'intelligenza razionale e il linguaggio. Il neurone è l'unità di base del sistema nervoso, una cellula altamente differenziata e specializzata per la raccolta, l'integrazione e la conduzione di impulsi nervosi.

Il termine neurone è stato introdotto nel 1891 dall'anatomista tedesco Wilhelm von Waldeyer, cui piaceva riferirsi a tale cellula come alla "macchina del pensiero".Le cellule nervose, tuttavia, erano già state identificate nel 1873 da Camillo Golgi, grazie ad una nuova tecnica di colorazione dei tessuti nervosi da osservare al microscopio. Golgi però pensava che le cellule nervose si prolungassero l'una nell'altra senza interruzioni fisiche, formando una sorta di rete continua di fibre. Fu lo spagnolo Santiago Ramon y Cajal ad accertare che ogni neurone rappresenta un'unità anatomica e funzionale distinta. Dal corpo cellulare del neurone si diramano due tipi differenti di fibre nervose, un assone e numerosi dendriti. L'assone è preposto alla condizione dei messaggi che da un neurone vengono inviati ad altre cellule. I dentriti, al contrario, trasmettono al corpo cellulare del neurone i segnali nervosi provenienti dalle altre cellule con cui è posto in contatto.Fig.14

Un cervello umano contiene oltre 100 miliardi di cellule nervose ed ognuna di esse entra mediamente in contatto con 50 o 100.000 altri neuroni. Il numero totale dei contatti nervosi che si stabiliscono in un cervello umano supera quello stimato di tutti i corpi celesti presenti nell'universo. Una cifra veramente astronomica che può spiegare la complessità delle funzioni di questo organo nella nostra specie. Le cellule nervose La sinapsi Il termine sinapsi è stato introdotto nel 1879 dal fisiologo inglese Charles Scott Sherrington e deriva dal greco synapsis, che significa giunzione, unione. La sinapsi è la giunzione tra due neuroni specializzata nella trasmissione dell'impulso nervoso. La giunzione sinaptica è di tipo solamente funzionale in quanto in realtà tra due neuroni di frappone uno spazio microscopico: la fessura sinaptica. In questo spazio, attraverso l'intervento di sostanze chimiche endogene sintetizzate nei corpi cellulari dei neuroni, chiamate neurotrasmettitori, si realizza la comunicazione tra cellule nervose. I due versanti neuronali della sinapsi si differenziano per struttura e meccanismi funzionali. La terminazione dell'assone che conduce l'impulso nervoso verso la fessura sinaptica rilascia il neurotrasmettitore incorporato in speciali vescicole, traducendo l'impulso elettrico in un segnale chimico. La terminazione del dendride che riceve il segnale nervoso, invece, presenta sulla sua membrana apparati specializzati, i recettori, la cui struttura molecolare è conformato ad accogliere, come una serrature per una specifica chiave, soltanto un tipo di neurotrasmettitore Fig. 17

Nella terminazione del dentrite, quindi, il messaggio chimico viene riconvertito in un impulso elettrico che riprende a viaggiare come tale nelle fibre nervose. Un neurone può arrivare a stringere anche 100.000 contatti sinaptici con altre cellule nervose. Decine di migliaia di messaggi eccitatori ed inibitori giungono così ad ogni istante al neurone attraverso le sue sinapsi. Come un microcalcolatore, il neurone analizza ed integra questi segnali e, con un processo di somma algebrica, decide se emettere o meno, a sua volta, un segnale nervoso attraverso il suo assone.A livello della sinapsi si verificano inoltre i primi eventi molecolari legati all'apprendimento e alla memoria. I processi svolti in queste microstrutture sono così la base funzionale di tutte le funzioni svolte dal nostro sistema nervoso e dal nostro cervello, comprese quelle che regolano e controllano la nostra vita emotiva e i nostri pensieri. La trasmissione nervosa e i neurotrasmettitori Le cellule nervose comunicano attraverso segnali di tipo chimico mediati dai neurotrasmettitori e codificati a livello dei relativi recettori. Sebbene nel cervello esistano deice di miliardi di neuroni, il numero dei neurotrasmettitori accertati è di qualche decina. Ciò significa che esistono milioni di neuroni che usano lo stesso mediatore chimico per scambiarsi informazioni. Nel cervello esistono quindi popolazioni di neuroni che parlano con linguaggi diversi. Il neurotrasmettitore viene rilasciato nella giunzione sinapsitica dalla terminazione assonica di un neurone in risposta alla stimolazione elettrica. Esso si lega quindi alle molecole dei recettori presenti sulle terminazioni del dendride dando così luogo alla serie di modificazioni chimiche sulla membrana della sinapsi che rilanciano l'impulso bioelettrico lungo le fibre nervose, verso altri neuroni Fig.19.

I neurotrasmettitori esistono tre tipi neurotrasmettitori. Il primo tipo comprende i neurotrasmettitori più diffusi nel cervello e dotati di struttura proteica più semplice, come l'acido gamma-ammino-butirrico (GABA) e l'acido glutammico. Il GABA, neurotrasmettitore inibitorio, e l'acido glutammico, mediatore chimico eccitatorio, hanno una azione marcata a livello delle sinapsi. I neurotrasmettitori del secondo tipo, come l'acetilcolina, la serotonina, la dopamina, la noradrenalina hanno una concentrazione cerebrale piuttosto bassa rispetto a quelli del primo tipo, ma ciò non significa che siano meno importanti. Tali mediatori chimici infatti sono coinvolti in maniera più o meno diretta nel controllo e nella regolazione del comportamento, dei processi cognitivi e sopratutto delle emozioni. La loro azione si esplica in maniera più lenta e meno marcata rispetto ai mediatori del primo tipo, ma tende ad essere più persistente e a diffondersi, come nel caso della noradrenalina, attraverso la circolazione sanguigna, anche su apparati funzionali diversi dal sistema nervoso, soprattutto su quello ormonale. Questa proprietà accomuna invece gran parte dei neuropeptidi, la classe dei neurotrasmettitori del terzo tipo. I neuropeptidi sono molecole proteiche complesse la cui recente scoperta ha rivoluzionato il modo di concepire le funzioni del sistema nervoso e le correlozioni tra questo organo e gli altri apparati funzionali, costringendo a rivedere la classica divipeptidi può essere rilasciata sia da neuroni che da cellule paraneuronali localizzate in tessuti od organi non nervosi, come l'intestino, il cuore e il pancreas. La liberazione dei neuropeptidi è regolata dal sistema nervoso ed è determinata dal passaggio di una corrente bioelettrica, ma la loro azione sui vari organi bersaglio si esplica in maniera identica a quella propria di un ormone. L'azione dei neuropeptidi è di fondamentale importanza per l'integrazione delle attività dei vari organi e garantisce la coordinazione funzionaletra meccanismi fisiologici e processi comportamentali. La loro attività possiede, così, un carattere ubiquitario in quanto si esplica, allo stesso tempo, sul sistema nervoso centrale e sugli altri organi periferici. Il TTHRF (TRF), un neuropeptide rilasciato dall'ipotalamo, ad esempio stimola a livello periferico la secrezione di ormoni tiroidei, producendo quindi un'attivazione metabolica generale.

Dal punto di vista funzionale, ciò corrisponde all'azione di tale neuropeptide a livello del sistema nervoso centrale, dove induce un aumento della vigilanza, del tono dell'umore e dell'attività motoria. Una famiglia molto importante di neuropeptidi è rappresentata dalle endorfine. Le endorfine modulano la percezione del dolore ed il tono dell'umore e sono dotate di una potente azione morfino-simile. Per questa ragione, la loro scoperta, fatta nel 1975 da John Hughes e Hans Koesterlitz dell'università di Aberdden, ha permesso di gettare lice sui meccanismi d'azione dei derivati dell'oppio e sulla basi biologiche della dipendenza da eroina. GABA Il legame tra GABA e relativo recettore determina un cambiamento chimico nella membrana del neurone bersaglio che rende quest'ultimo refrattario a eventuali stimoli eccitatori. Il GABA, pertanto, esercita un'azione di inibizione della trasmissione nervosa. I recettori specializzati per il GABA rappresentano il substrato anatomico sul quale agiscono i farmaci tranquillanti ed ansiolitici.Gli ansiolitici si legano ai recettori del GABA e ne mutano la forma, aumentandone l'affinità col neurotrasmettitore. Ciò a sua volta determina un potenziamento dell'azione del GABA ed una maggiore inibizione dell'attività bioelettrica del cervello. Tali farmaci, così, non riducono l'ansia per una loro propria virtù terapeitica, ma rendono soltanto la naturale azione tranquillante del GABA. Acido glutammico L'azione dell'acido glutammico sui relativi recettori invece aumenta l'eccitabilità neuronale ed innalza conseguentemente il consumo energetico delle cellule nervose. L'acido glutammico o glutammato viene usato in cucina per il suo gradevole sapore di carne. Un eccessivo uso di glutammato, nella forma di "dado" salsa di soia o di altri prodotti per insaporire i cibi, può indurre uno stato di ipereccitazione ed insonnia, con forte cefalea.

Questa sintomatologia è stata chiamata "sindrome cinese", in quanto si presenta con relativa frequenza dopo i pasti nei ristoranti cinasi, dove si fa un maggiore uso di glutammato rispetto alla cucina occidentale. Acetilcolina L'acetlicolina è il mediatore del sistema nervoso parasimpatico e delle sinapsi che si collegano ai gangli del sistema nervoso simpatico e svolge funzioni di neurotrasmettitore a livello del sistema nervoso centrale. In questa ultima divisione funzionale, l'acetilcolina rappresenta il mediatore di vie nervose implicate nella trasmissione dei segnali motori verso i muscoli scheletrici e nell'attivazione cerebrale. Dopamina La dopamina è il principale neurotrasmettitore del cervello emozionale. Essa svolge un ruolo fondamentale nella regolazione dei comportamenti adattativi e delle componenti affettive che li accompagnano rinforzandoli. La dopamina è uno dei principali neurotrasmettitori dei nuclei della base che coordinano il comportamento motorio, come la sostanza nera. I sintomi del morbo di Parkinson, quali la rigidità e il tremito, dipendono da deficit nelle funzioni del sistema dopaminergico, cioè dell'insieme dei neuroni contenenti dopamina.Tale neurotrasmettitore, inoltre, sembra costituire il messaggero nervoso più importante tra quelli in gioco nei processi emozionali del piacere e della ricompensa, quegli stati psicologici evocati dai comportamenti gratificanti che realizzano finalità adattative come il mangiare, il bere, il riprodursi, l'avere successo nella lotta e nella competizione, lo sfuggire un pericolo, ecc. Numerose ricerche neurobiologiche hanno provato che in tali occasioni si registra una marcata attivazione dei sistemi neuronali dopaminergici. La trasmissione dopaminergica, così, rappresenta uno dei correlati fisiologici del rinforzo psicologico, il processo che spinge a ripetere i comportamenti risultati utili o comunque piacevoli, ovvero il fenomeno determinante nei processi di apprendimento. Una scarsa attività del sistema dopaminergico sembra essere un correlato fisiologico della depressione, mentre, al contrario, una iperattività di tale sistema pare connessa alla sindrome maniacali e schizofeniche. Ciò sembra dimostrato anche dalla validità terapeutica dei presidi farmaceutici usati in questi tipi di disordini psichiatrici.Una classe di antidepressivi piuttosto usati (gli IMAO), infatti, agisce aumentando la disponibilità sinaptica della dopamina, attraverso l'inibizione dell'azione degli enzimi che distruggono tale neuromediatore dopo la trasmissione nervosa. Gli antipsicotici, al contrario, limitano la trasmissione dopaminergica, bloccando i recettori per la dopamina. Noradrenalina Anche la noradrenalina è un importante mediatore nervoso del cervello emozionale.

Essa è cinvolta però soprattutto nella regolazione dei comportamenti d'emergenza e nella risposta allo stress. A livello del sistema nervoso centrale produce attivazione cerebrale, aumentando l'attenzione e la vigilanza, mentre a livello periferico, attraverso le fibre del sistema nervoso simpatico, media gli aggiustamenti funzionali ai comportamenti di lotta e fuga, come l'aumento del battito cardiaco, della pressione arteriosa, della mobilitazione degli zuccheri, della dilatazione dei bronchi, dell'induzione del rilascio di andrenalina, ecc. La norandrenalina è implicata nei processi del rinforzo psicologico ed interviene quindi nelle funzioni cognitive. La norandrenalina, infine, è il trasmettitore nervoso principale del nucleo del locus coeruleus, un centro nervoso profondo che integra le informazioni sensoriali in arrivo alla periferia, per distribuirle poi ai centri superiori del cervello e alla neocorteccia. Tale nucleo sembra interessato all'azione delle droghe allucinogene. Serotonina Il ruolo della serotonina come mediatore nervoso è stato scoperto nel 1957 da Brodie e Shore, dopo che Vittorio Erspamer aveva determinato la sua presenza in alcune cellule nervose. La stazione principale delle vie serotoninergiche è rappresentata dal nucleo del rafe, un centro nervoso situato in profondità nel cervello. La serotonina sembra implicata nella regolazione del sonno e del sogno, nel controllo della temperatura corporea e nella coordinazione delle attività intestinali. La serotonina possiede una struttura chimica affine a quella dell'LSD, tanto che alcuni neuroscienziati hanno ipotizzato un coinvolgimento di questo nerotrasmettitore negli stati alterati di coscienza indotti dalle sostante psichedeliche e nella sintomatologia allucinatoria propria della schizofrenia. Endorfine Come gli altri neuropeptidi, le endorfine sono caratterizzate da un largo spettro d'azione e presiedono alla modulazione e al controllo di numerosi programmi integrati fisiologici e comportamentali. Tenendo presente che esse possiedono generalmente un'azione inibitoria sui neuroni con cui stabiliscono un legame a livello recettoriale, si possono caratterizzare le funzioni delle endorfine descrivendo la mappa della loro localizzazione nel cervello.

La maggior concentrazione di recettori per le endorfine si riscontra: nella sostanza gelatinosa del midollo spinale, parte in cui le fibre nervose sensitive che conducono gli stimoli dolorifici dalle varie parti del corpo stabiliscono i loro primi contatti a livello encefalico; nella sostanza grigia periacquedottale, una struttura del mesencefalo che ha la funzione di integrare gli stimoli dolorifici in arrivo al cervello; nella regione mediana del talamo, la porzione anatomica specializzata nell'elaborazione e nella trasmissione verso le altre parti del cervello degli stimoli sensoriali associati a dolori intensi e profondi; nel nucleo del tratto solitario, una parte del tronco cerebrale che presiede al controllo della respirazione e del riflesso della tosse; nel locus coeruleus, un centro nervoso del tronco cerebrale che rappresenta la stazione di origine delle fibre nervose contenenti norandrenalina; in tutte le strutture del sistema limbico e del cervello emozionale, l'organizzazione funzionale responsabile della risposta fisiologica, comportamentale e del vissuto psichico delle emozioni. Le endorfine e i neurotrasmettitori del secondo tipo sono i mediatori chimici del cervello più interessati all'azione delle droghe e alle alterazioni biochimiche che si instaurano nel cervello dei soggetti tssicodipendenti. Ciò anche perchè tali neurotrasmettitori sono alla base delle funzioni di una complessa e importante struttura di vie e centri nervosi, il cosiddetto sistema di ricompensa cerebrale. Il sistema di ricompensa cerebrale Il concetto di sistema di ricompensa cerebrale è il prodotto finale di una sperimentazione sui centri nervosi del piacere.

Questo filone di ricerche prese il via a partire dalla scoperta di James Olds dei fenomeni dell'autostimolazione cerebrale. Nel 1954, Olds studiava gli effetti sull'aprendimento della stimolazione di una particolare struttura posta alla base del cervello. Gli animali affamati dovevano imparare a percorrere un labirinto per ricevere una ricompensa di cibo alla fine di ogni test corretto. Alcuni ratti venivano poi stimolati elettricamente al cervello con dei microelettrodi cronicamente impiantati. Secondo l'ipotesi di Olds questa stimolazione avrebbe dovuto incrementare le prestazioni dei test. Gli animali stimolati, però, manifestavano uno strano comportamento, ritornavano nel posto del labirinto dove avavano ricevuto la stimolazione e lo esploravano attivamente, oppure ripetevano i gesti e le posture concomitanti alla stimolazione. In sostanza, essi manifestavano l'apprendimento di un comportamento associato alla stimolazione elettrica, indice evidente che l'eccitazione elettrica del cervello possedeva per i topi qualità gratificanti e piacevoli.Olds pose quindi i ratti in gabbie di Skinner, dove, attraverso una leva, essi potevano autostimolarsi il cervello. Gli animali imparavano presto che premendo la leva potevano ottenere la stimolazione e si dimostravano pronti a subire scariche elettriche e altre punizioni pur di stimolarsi il cervello. Il sistema di ricompensa cerebrale comprende fibre contenenti dopamina e noradrenalina che si originano dai nuclei profondi dell'encefalo e si distribuiscono soprattutto nei centri cerebrali preposti al controllo degli equilibri fisiologici - dove vengono valutati i bisogni organici - a a quelli implicati nel comportamento motivazionale ed emozionale. Il sistema di ricompensa cerebrale in tal senso fa sì che i comportamenti risultati utili a soddisfare i bisogni organici siano gratificati e rinforzati attraverso la connotazione emotiva del piacere, inducendo quindi l'animale (e l'uomo) a ripeterli. Il sistema di ricompensa cerebrale proietta e riceve fibre nervose anche dalla corteccia cerebrale, cioè a dire dalla sede dei processi psichici superiori. Il piacere e la ricompensa, così, vengono ad avere una rappresentazione cognitiva, diventano variabili dipendenti dell'esperienza personale e dei fattori socio-culturali.

Materiale tratto da "Alter Ego" Università degli Studi di Cassino.