Created on 25 Aug 2018 ; Modified on 25 Sep 2018
Lezioni del prof. Steve Joordens della Università di Toronto, erogate tramite Coursera.
Gli appunti della prima settimana sono: La storia, e il metodo scientifico.
Il cervello umano pesa meno di 1.5 Kg, circa il 2% del corpo, che è la maggiore percentuale presente tra gli animali.
Per contro consuma:
Composto da 100 miliardi (1011 un 1 seguito da 11 zeri) di neuroni, può formare 1 quadrilione [1] di connessioni tra neuroni (1015: un 1 seguito da 15 zeri) [2].
La specificità del cervello consiste proprio nella sua rete di connessioni. E non è vero che si usi solo una parte del cervello, lo si usa tutto, anche se probabilmente alcune parti per volta.
Una sezione verticale del cervello permette di distinguere la materia grigia a quella bianca. La funzione della materia bianca consiste nell'assicurare il supporto fisico, la trasmissione dei nutrienti e le comunicazioni.
La materia grigia sembra essere l'organo che effettua le elaborazioni dei segnali.
Il tessuto cerebrale è fortemente ripiegato su se stesso per ottimizzare l'uso dello spazio. La parte esterna delle pieghe è detta circonvoluzione [3] mentre l'interna é detta solco [4].
Microscopicamente il tessuto cerebrale è formato da neuroni.
Un neurone è formato da:
Non vi è contatto tra i neuroni. Tra i dendriti e i terminali degli assoni vi è un piccolo spazio detto fessura sinaptica [6] in cui il segnale (elettrico) é trasmesso tramite molecole chimiche.
La funzione del soma consiste nel "sommare" i segnali che riceve. Se l'intensità complessiva del segnale ricevuto supera un determinato valore, detto soglia, allora il neurone si attiva, inviando a sua volta un segnale tramite l'assone ai neuroni che gli sono collegati a valle.
I segnali ricevuti possono essere di due tipi: di attivazione e di inibizione. A sua volta il neurone può inviare a valle un segnale di attivazione o di inibizione.
Per capire lo scenario generale, si immagini il neurone che riceve migliaia di segnali dai neuroni a monte. Ognuno di questi segnali può essere di attivazione o d'inibizione. Il neurone elabora il valore complessivo di questi segnali ricevuti e invia il suo segnale, di attivazione o inibizione, a migliaia di neuroni a valle [7].
Il risultato di una elaborazione cerebrale si ottiene considerando il fatto che (centinaia di) migliaia di neuroni inviano i loro segnali di attivazione o di inibizione. Segnali ricevuti ed elaborati da altre migliaia di neuroni, che a loro volta trasmettono i loro segnali a seguire. In questo scenario sono le connessioni ad essere importanti: è la rete nel suo complesso che elabora il risultato, non il lavoro di pochi singoli neuroni.
Questo si osserva, ad esempio, nel caso di ricezione di stimoli dolorosi. In tal caso il cervello reagisce attivando contemporaneamente più aree, per elaborare: quelle di gestione dello stimolo in sé, oltre alle aree demandate alla gestione degli aspetti emotivi, e alle aree demandate alla gestione del ragionamento cognitivo.
Si pensa che questa caratteristica di elaborazione in parallelo di diversi aspetti del segnale, permetta al cervello di gestire situazioni con una presenza rilevante di segnali di disturbo. Ad esempio si pensi ad una conversazione in un ambiente affollato, o la capacità di riconoscere un oggetto in conctesti disturbati (agenti atmosferici, riflessi luminosi, ...).
Così come permette il funzionamento complessivo del sistema anche con il danneggiamento di una sua parte.
Consideriamo l'interconnessione del cervello con il resto del corpo umano.
La connessione principale passa tramite il midollo spinale [8]. Questo, con il cervello, forma il sistema nervoso centrale.
Il midollo spinale ha una limitata capacità di elaborazione autonoma dei segnali che provengono dalla periferia prima che giungano al cervello: sono i riflessi.
Il sistema nervoso centrale è collegato al sistema nervoso periferico formato dai nervi che collegano il cervello al resto del corpo.
Si può classificare il sistema nervoso periferico come indicato:
Il sistema somatico controlla le attività volontarie, in particolare le masse muscolari, ma, più o meno limitatamente, anche altri organi, ad esempio l'attività respiratoria.
Il sistema autonomo reeagisce automaticamente agli stimoli presenti nell'ambiente. Fondamentalmente ha due modalità di lavoro: parasimpatico e simpatico.
Quando si è in modalità parasimpatico, l'organismo è rilassato ed effettua le attività di routine, ad es. digestive.
In modalità simpatico l'organismo è in stato di allerta. In questo stato le attività di routine vengono fermate e si scatenano i meccanismi atti a massimizzare le azioni di sopravvivenza in emergenza: attacco o fuga.
Il passaggio da parasimpatico a simpatico è del tutto automatico e immediato, come se agisse un interruttore. Il ritorno alla modalità parasimpatico avviene più lentamente.
In questo meccanismo gestito dal sistema autonomo, si può inserire, limitatatmente, il sistema somatico, con la possibilità di ritardare momentaneamente la reazione istintiva e imporre per breve tempo un'azione volontaria.
Questo, e i prossimi quattro paragrafi, espongono sommariamente la morfologia del cervello.
Le regioni subcorticali si ritiene siano le strutture più antiche perché sono presenti, senza eccezioni, in tutti gli animali con morfologia complessa, inclusi i rettili.
La seguente immagine [9] indica a grandi linee le regioni subcorticali nel cervello umano:
Le regioni subcorticali hanno ruoli legati alle funzioni base della vita. Ad esempio la prima parte del tronco cerebrale [10] regola il battito cardiaco, la pressione sangugna e la respirazione.
Oltre il midollo allungato vi è il ponte di Variolo [11] che regola ormoni e cicli del sonno.
Salendo ancora vi sono le aree che controllano l'aggressività e il sesso.
Di fianco vi è il cervelletto [12], che controlla l'attività fine di molte attività motorie. Le attività motorie sono iniziate dalla corteccia motoria, e il cervelletto regola l'attività fine di questi movimenti, facendo in modo che siano fluidi e coordinati.
Ancora più in alto vi è il corpo calloso, che è la principale via di comunicazione tra i due emisferi, destro e sinistro, del cervello.
Altre due strutture interessanti situate in queste regioni sono l'amigdala e l'ippocampo che fanno parte del sistema limbico.
L'amigdala è fondamentalmente il sistema d'allerta precoce del cervello. Sembra che i diversi stimoli passino prima di tutto per l'amigdala che li analizza per l'individuazione di eventuali pericoli. Se si percepisce un pericolo, l'amigdala attiva il sistema nervoso simpatico: è L'interruttore.
Un funzionamento equilibrato dell'amigdala è fondamentale. Se non scatta, non si reagisce a situazioni di pericolo. Se scatta troppo facilmente, si vive in un perenne stato d'ansia, al limite sperimentando gli attacchi di panico.
L'ippocampo è vicino l'amigdala. Questo sistema controlla i ricordi coscienti. Il danneggiamento dell'ippocampo porta a forme di amnesia. La vicinanza all'amigdala sembra sia dovuta al fatto che in caso di pericolo, al superamento dello stesso, gli stimoli dall'amigdala vengano memorizzati nell'ippocampo.
La seguente immagine [13] illustra i lobi della corteccia cerebrale.
Il lobo occipitale [14] occupa la parte posteriore della corteccia cerebrale, e si occupa fondamentalmente della elaborazione delle immagini che provengono dagli occhi.
Questi segnali sono trasportati dal nervo ottico ad una zona intermedia, nominata corpo genicolato laterale [15]. In questa zona transitano tutti i segnali generati dai sensi, oltre la vista anche l'udito, il tatto, l'olfatto e il gusto. Si ipotizza che il suo compito consista nel dare una priorità ai segnali.
Quando il segnale visivo raggiunge il lobo occipitale, impegna prima di tutto la corteccia visiva primaria. Dopo di che viene trasmesso alla regione vicina detta corteccia associativa, o corteccia secondaria.
La corteccia primaria elabora la sensazione, cioè il segnale fisico che proviene dall'occhio. Un piccolo danno alla corteccia primaria, probabilmente genera un'area nera nella visione, detta scotoma, dovuta alla mancanza di segnale.
La corteccia associativa effettua una elaborazione di livello successivo, occupandosi della interpretazione del segnale ricevuto. In questa attività incrocia il segnale fisico, con i dati presenti in memoria, permettendo il riconoscimento di oggetti anche a fronte di una visione solo parziale o confusa. Questa è detta percezione.
Danni alla corteccia associativa portano ad agnosia visiva, ovvero l'incapacità di riconoscere oggetti o persone anche se il segnale visivo è corretto.
PS. Esistono due lobi occipitali, uno per ogni emisfero cerebrale.
Il lobo temporale si sviluppa lateralmente, nella parte inferiore della corteccia cerebrale (vedi: lobi della corteccia cerebrale). E si occupa della elaborazione dei segnali acustici.
Come esistono due lobi occipitali, esistono due lobi temporali, uno per l'emisfero destro e l'altro per il sinistro.
Anche in questo caso abbiamo una zona per l'elaborazione primaria del segnale e una successiva zona per la sua percezione, cercando di associarlo a suoni uditi nel passato.
Le corteccie associative dei lobi temporali hanno diverse specializzazioni.
Il lobo sinistro è specializzato nella elaborazione del linguaggio. E' in questa zona che sono localizzate l'area di Broca (esecuzione del parlato) e l'area di Wernike (riconoscimento del parlato). Secondo Joordens può essere per questo motivo che si ritiene il lobo sinistro sia la sede delle attività analitiche. Perché quando si esegue questo tipo di attività si tende a parlare con se stessi, attivando le aree di Broca e di Wernike.
Il lobo destro è specializzato nell'analisi dei suoni: timbro, tono, cadenza, ... In particolare la musica è analizzata dal lobo destro. Da qui l'idea che il lobo destro sia quello delle attività creative.
Di fatto, entrambi gli emisferi partecipano ad entrambi i tipi di attività: analitica o creativa. I relativi segnali viaggiano velocemente, più volte, da sinistra a destra e viceversa.
Il lobo parietale é localizzato ancora nella parte posteriore della testa, ma al di sopra del lobo occipitale (vedi: lobi della corteccia cerebrale).
I lobi parietali elaborano le sensazioni corporee. La corteccia somatosensoriale [16] é la parte che riceve gli stimoli grezzi.
Le zone della corteccia somatosensoriale, mappano le diverse parti del corpo, in modo incrociato: gli stimoli della parte destra del corpo sono ricevuti dalla corteccia somatosensoriale dell'emisfero sinistro, e viceversa. Questa modalità di interconnessione è detta incrociata [17].
La quantità di tessuto dedicata ad un parte del corpo è proporzionale all'importanza di quella parte. Ad esempio il viso e le mani hanno hanno una quantità di tessuto dedicato percentualmente molto superiore ad altre parti del corpo.
Si nota una organizzazione analoga nella striscia motoria. Questa appartiene al lobo frontale, ma l'affinità con l'organizzazione della striscia somatosensoriale porta a pnsare ad un lavoro di coppia tra i segnali dedicati al movimento e la percezione dell'avvenuto movimento, al fine di effettuarne la regolazione.
Ritornando alla corteccia somatosensoriale. Sembra che la parte sinistra sia specializzata per l'elaborazione degli stimoli dal corpo. Mentre la parte destra per l'elaborazione degli stimoli riguardanti il mondo esterno. Questa organizzazione sembra legata alla necessità di guidare il corpo nell'ambiente. A questo scopo è necessario avere una percezione della posizione e movimento del proprio corpo come se fosse un veicolo. In pratica è possibile percepire la posizione di ogni parte del proprio corpo ed avere la senazione di cosa stia facendo. Questa percezione è detta propriocezione [18], e sembra essere appannaggio del lobo temporale sinistro.
Il lobo temporale destro sembra specializzato nell'elaborare i segnali relativi al mondo esterno. Il suo danneggiamento porta alla sindrome detta negligenza spaziale unilaterale [19]. Chi soffre di questa sindrome trascura i particolari id un lato dell'ambiente che lo circonda, pur non avendo problemi sensoriali specifici. Ovvero, pur vedendo correttamente con entrambi gli occhi, ed udendo con entrambe le orecchie, questi pazienti possono ignorare, ad esempio, ciò che è presente nel loro lato sinistro [20].
E' il lobo che caratterizza maggiormente il cervello umano. E' situato nella zona anteriore della corteccia (vedi: lobi della corteccia cerebrale).
Occupa circa la metà del cervello, e sembra il tessuto cerebrale sviluppato in tempi più recenti (evolutivamente parlando).
A differenza dei lobi già visti, il cui scopo consiste nei primi stadi di elaborazione degli stimoli sensoriali, i lobi frontali sembrano impegnati soprattutto nell'analisi finale degli stimoli e nelle conseguenti decisioni e azioni da intraprendere. Per certi versi: più orientati all'agire nel mondo che al percepire se stessi.
Muovendosi dai lobi parietali, verso la parte frontale del cranio, si passa dalla corteccia somatosensoriale alla corteccia motoria. Questa zona marca l'inizio dei lobi frontali, e si occupa di segnali in uscita, invece che in ingresso.
Anche per la corteccia motoria vale quanto detto per la somatosensoriale. La quantità di tessuto impegnato nel trattamento del segnale è proporzionale all'importanza dell'organo impattato in funzione dell'azione verso il mondo circostante. Quindi predominanza di viso e mani.
Anche in questo caso esiste una organizzazione incrociata [21]: la parte sinistra del cervello mappa la parte destra del corpo e viceversa. Vale anche per la corteccia motoria, oltre che per la somatosensoriale.
In caso di pazienti estremamente violenti, in passato si è fatto molto uso della pratica chirurgica della lobotomia frontale. Questa consisteva nel recidere una serie di nervi che collegano l'area frontale del lobo a quella motoria. I pazienti sottoposti a questa pratica perdevano l'aggressività, assumendo un comportamento completamente passivo:
Pensare all'opposto dei punti precedenti permette di capire alcune delle funzioni dei lobi frontali (che la lobotomia frontale normalmente comprometteva). Complessivamente possiamo dire che le funzioni dei lobi frontali consistono nel decidere come adottare un comportamento appropriato alle circostanze.
Si ricorda che il corpo calloso mette in comunicazione i due emisferi, destro e sinistro, del cervello. Quando il corpo calloso viene danneggiato, questa comunicazione può cessare, dando luogo a due emisferi completamente separati.
Questa condizione è stata studiata perché la resezione del corpo calloso è una tecnica chirurgica utilizzata in caso di gravi e frequenti attacchi di epilessia.
L'epilessia è causata da tempeste di stimoli nervosi che rimbalzano amplificandosi avanti e indietro tra i due emisferi. In questa condizione, nei casi più gravi, il paziente perde conoscenza e la corteccia motoria viene stimolata casualmente dando luogo alle convulsioni.
Per evitare questa condizione si è pensato di sezionare il corpo calloso.
I pazienti sottoposti a questa tecnica chirurgica, sono poi stati seguiti anche per capire come sarebbe cambiato il loro comportamento. Nel tempo si è osservato che la mano sinistra poteva assumere comportamenti che il paziente non era in grado di spiegare. Per capire il motivo si sono messi a punto esperimenti selettivi, in cui si mostravano due diverse parole ai due emisferi. Quando si chiedeva al paziente quale parola aveva letto, questi rispondeva la parola osservata dall'emisfero sinistro: quello che sovraintende alla elaborazione del linguaggio. D'altro canto si osservava nel paziente un atteggiamento "teso" da parte della mano sinistra (controllata dall'emisfero destro). Addirittura, estendendo l'esperimento con la presenza di oggetti, la mano sinistra afferrava l'oggetto letto dall'emisfero destro, mentre il paziente pronunciava la parola letta dall'emisfero sinistro.
Questo ha portato ad ipotizzare lo sviluppo di due diverse personalità nell'ambito dello stesso paziente, ognuna legata ad un emisfero.
Ulteriori evoluzioni dell'esperimento hanno portato ad un dibattito importante e tuttora presente riguardo la coscienza del sè in psicologia. In pratica: facendo osservare un seminudo all'emisfero destro, il paziente arrossiva a causa di pensieri sessuali imbarazzanti. Se lo sperimentatore chiedeva il motivo dell'imbarazzo, il paziente non era in grado di identificarlo, ma non si limitava a dire "non lo so". Piuttosto (il suo emisfero sinistro, quello in grado di parlare) "inventava" una motivazione plausibile.
Questo ha portato ad ipotizzare che una persona possa reagire in modo del tutto automatico agli stimoli esterni, e la nostra parte cosciente (l'emisfero sinistro) successivamente alla reazione si costruisca un modello per spiegare il nostro comportamento, e lo faccia proprio. Questa ipotesi è in contrasto con quella che vede la nostra coscienza come motore delle nostre azioni.
| [1] | Attenzione alla terminologia. Quando si parla di -one vi possono essere due diverse interpretazioni: la scala lunga e la corta. Qui uso la scala corta, come usuale nel mondo anglosassone. |
| [2] | In media un neurone ha 7000 connessioni (sinapsi) con altri neuroni. |
| [3] | In inglese: gyrus o gyri. |
| [4] | In inglese: fissure. |
| [5] | Inglese: body. |
| [6] | Inglese: synaptic cleft. |
| [7] | (Ndr) Una tecnica di elaborazione usata dall'Intelligenza Artificale, detta Rete Neuronale, si basa proprio sul modello appena descritto. |
| [8] | Inglese: spinal cord. |
| [9] | Elaborato a partire da By Dr. Johannes Sobotta - Atlas and Text-book of Human Anatomy Volume III Vascular System, Lymphatic system, Nervous system and Sense Organs, Public Domain, |
| [10] | E' il midollo allungato (inglese: medulla oblongata). |
| [11] | Inglese: pons. |
| [12] | Inglese: cerebellum. |
| [13] | Di Sebastian023, CC BY-SA 3.0, |
| [14] | Inglese: occipital lobe. |
| [15] | Inglese: lateral geniculate nucleus. In sigla: LGN. |
| [16] | Inglese: somatosensory cortex o somatosensory strip o sensory strip. |
| [17] | Inglese: cross wiring o contra-lateral wiring. |
| [18] | Inglese: proprioception. |
| [19] | Inglese: unilateral visual neglect. |
| [20] | Attualmente non vi è una spiegazione a riguardo, ma si osserva statisticamente che di solito non viene percepita la parte sinistra dell'ambiente. |
| [21] | Organizzazione controlaterale: contralateral in inglese. |
| [22] | La capacità di inventare menzogne realisitche, ovvero ingannare l'interlocutore, è una attività cognitiva di alto livello che richiede l'attività dei lobi frontali. |