Negli Usa, test per creare il “super soldato” con stimolazione elettrica cervello

Dalle olimpiadi e campi di combattimento il passo sembra essere corto per la sollecitazione elettrica del cervello. Le forze armate americane stanno sperimentando alcuni reparti d’elite questa tecnica, già messa in atto da diversi atleti olimpici, nel corso dell’allenamento, e l’auspicio che migliori particolarmente le prestazioni che implicano gesti ripetitivi, come tirare a bersaglio e fare centro.

La stimolazione, spiega il sito military.com, fa parte di un pacchetto di strategie allo studio che coinvolge anche l’uso di alcuni farmaci, ma finora si è rivelata quella più promettente. Anche se il meccanismo dell’effetto non è ancora interamente noto sembra che gli stimoli, impartiti da una specie di cuffia i cui impulsi raggiungono la corteccia motoria, riescano a portare il cervello in uno stato di ‘iper-plasticità’ che rende più facile l’apprendimento.

“Dall’inizio dell’anno – spiega Jason Salata, un portavoce dell’esercito – le unità speciali della Marina hanno iniziato un programma di miglioramento cognitivo su un piccolo gruppo di volontari per valutare la possibilità di migliorare le performance con la neurostimolazione. Gli elementi che stanno testando questa tecnologia includono personale del Naval SPecial Warfare Develoment Group, meglio conosciuto come il Seal Team Six. I risultati preliminari sono incoraggianti, e ci spingono ad andare avanti nella ricerca”.

L’azienda che ha messo a punto la tecnologia è la Halo, la stessa che la sta sviluppando per applicazioni sportive e da cui è possibile acquistare il dispositivo anche da parte di persone ‘normali’ per quasi 600 euro.

Un test su atleti impegnati nel salto con gli sci hanno trovato miglioramenti nelle performance superiori al 10%, ma studi sono in corso anche su atleti, soprattutto di discipline di velocità, e ciclisti.

Oltre alla stimolazione, spiega il sito specializzato, l’esercito Usa sta studiando gli impulsi luminosi, la registrazione e l’analisi dei dati biometrici ma anche metodi meno tecnologici come l’uso di stimolanti, supplementi nutrizionali e persino la meditazione, usata per aumentare la concentrazione e l’attenzione e diminuire gli effetti della privazione del sonno.

“Il nostro approccio è comunque estremamente cauto – sottolinea l’ammiraglio Tim Szymanski, che fa parte del team di sperimentatori – con un occhio attento agli effetti collaterali e al rischio che i soldati possano ‘fare da se'”.

Un organo stupefacente che pesa circa 1.5 kg ed è formato da miliardi di piccole cellule è situato dentro la nostra testa. Esso ci consente di percepire il mondo attorno a noi, di pensare e di parlare. Il cervello umano è l’organo più complesso dell’intero corpo e, verosimilmente, l’oggetto più complesso al mondo. Questo manuale serve da introduzione alla sua conoscenza.

In questo manuale verranno descritte le nostre attuali conoscenze sul funzionamento del cervello e quanto ancora ci sia da imparare sull’argomento. Lo studio del cervello ha coinvolto scienziati e medici di varie specialità, che vanno dalla biologia molecolare alla psicologia sperimentale, attraverso discipline quali l’anatomia, la fisiologia e la farmacologia. Gli interessi condivisi hanno condotto ad una nuova disciplina chiamata neuroscienze – la scienza del cervello.

Il cervello può fare molto ma non tutto. E’ costituito da cellule nervose – i suoi mattoni – che sono connesse fra loro in forma di reti. Queste reti sono in costante stato di attivazione elettrica e chimica. Il cervello può vedere e percepire. Può avvertire dolore e le sue reazioni chimiche lo aiutano nel controllarne gli spiacevoli effetti. Possiede numerose aree dedicate a coordinare i nostri movimenti al fine di espletare azioni complesse. Un cervello in grado di fare queste e molte altre cose non nasce completamente formato ma si sviluppa gradualmente: prenderemo in considerazione alcuni dei principali processi genetici coinvolti nel suo sviluppo.

Il malfunzionamento di uno o più di questi processi, può causare condizioni quali, a esempio, la dislessia. Esistono inoltre somiglianze tra il modo in cui si sviluppa il cervello e i meccanismi che compaiono più tardivamente, responsabili delle modificazioni delle connessioni tra le cellule: si tratta di un processo definito plasticità neurale. Si ritiene che la plasticità stia alla base dell’apprendimento e della memoria. Il nostro cervello può ricordare i numeri telefonici e ciò che abbiamo fatto il Natale scorso. Purtroppo, soprattutto per un cervello che ricorda le ricorrenze familiari, non mangia e non beve.

E’ quindi un po’ limitato. Ma subisce lo stress, come facciamo noi tutti, modificando alcuni meccanismi ormonali e molecolari che possono condurre ad un’ansia eccessiva, come quella che provano molti di noi all’approssimarsi di un esame. C’è un momento in cui il sonno è importante, così gli lasciamo godere il riposo di cui necessita. Sfortunatamente, il cervello può anche ammalarsi o subire traumi. Nuove tecniche come gli elettrodi in grado di esplorare la superficie di una cellula, le immagini ottiche, le apparecchiature per le scansioni cerebrali e i chip al silicio contenenti reti neurali artificiali, stanno oggi cambiando il volto delle neuroscienze. Vi presenteremo queste novità considerando anche alcune delle loro implicazioni etiche e sociali.

IL SISTEMA NERVOSO

Struttura di base – Il sistema nervoso è costituito dal cervello, dal midollo spinale e dai nervi periferici. E’ composto da cellule nervose, dette neuroni, e da cellule di sostegno dette cellule gliali. Esistono tre tipi principali di neuroni. I neuroni sensitivi sono associati a recettori specializzati per rilevare e per rispondere ai vari stimoli dell’ambiente interno ed esterno. I recettori sensibili ai cambiamenti di luminosità e di suono o agli stimoli meccanici e chimici, sottendono le modalità sensoriali della visione, dell’udito, del tatto, del gusto e dell’olfatto.

Quando stimoli cutanei meccanici, termici o chimici superano una data intensità, possono danneggiare i tessuti e attivare un’insieme particolare di recettori, detti nocicettori, che innescano sia i riflessi di difesa che la sensazione di dolore. I motoneuroni, che controllano l’attività dei muscoli, sono responsabili di tutte le forme di comportamento, compreso il linguaggio. Interposti tra i neuroni sensitivi e i motoneuroni vi sono gli interneuroni che costituiscono il gruppo più numeroso (nel cervello umano).

Gli interneuroni mediano i riflessi semplici ma sono anche implicati nelle funzioni cerebrali superiori. Le cellule gliali, a lungo ritenute avere una semplice funzione di sostegno dei neuroni, sono ora note per il loro importante contributo allo sviluppo del sistema nervoso e al suo funzionamento nell’adulto. Benché molto più numerose, esse non trasmettono informazioni come i neuroni.

L’architettura dei neuroni consiste in un corpo cellulare e in due serie di strutture addizionali dette “processi”. Una di queste strutture è costituita dagli assoni; il loro compito è quello di trasmettere l’informazione da un neurone ad altri neuroni connessi con il primo. L’altra struttura è costituita dai dendriti che hanno il compito di ricevere l’informazione trasmessa dagli assoni di altri neuroni. Entrambe queste formazioni entrano a far parte di strutture di contatto specializzate chiamate sinapsi.

Il potenzia. I neuroni sono organizzati in catene complesse e reti che costituiscono le vie attraverso le quali l’informazione viene trasmessa all’interno del sistema. Il cervello e il midollo spinale sono connessi ai recettori sensitivi e ai muscoli tramite lunghi assoni che formano i nervi periferici. Il midollo spinale ha due funzioni: è la sede dei riflessi elementari quali quello di estensione del ginocchio e di retrazione di un arto da uno stimolo calorico o puntorio, ma anche di riflessi più complessi costituendo una sorta di autostrada tra corpo e cervello sulla quale le informazioni viaggiano in entrambe le direzioni.

La struttura di base del sistema nervoso è la stessa in tutti i mammiferi. Ciò che distingue il cervello dell’uomo è la sua dimensione relativamente grande in rapporto a quella del corpo. Ciò è dovuto all’enorme incremento del numero degli interneuroni nel corso dell’evoluzione, che ha dato all’uomo un’incommensurabile capacità di risposta agli stimoli.

Anatomia del Cervello – Il cervello è composto dal tronco encefalico e dagli emisferi cerebrali.
Il tronco encefalico comprende il rombencefalo, il mesencefalo e parte del diencefalo (letteralmente “in mezzo ai due emisferi”). Il rombencefalo è un prolungamento del midollo spinale. Contiene reti neurali che costituiscono i centri di controllo delle funzioni vitali come quelli per la regolazione della respirazione e della pressione sanguigna. Tra le diverse reti neurali ve ne sono alcune la cui attività controlla tali funzioni.

Dal tetto del rombencefalo si distacca il cervelletto, che gioca un ruolo centrale nel controllo della coordinazione motoria .
Il mesencefalo contiene vari nuclei di neuroni: tutti proiettano verso gli emisferi cerebrali, anche se ciascuno sembra usare in modo preferenziale un particolare tipo di messaggero chimico. Si ritiene che questi nuclei siano in grado di modulare l’attività di altri neuroni posti in altri centri cerebrali superiori, in grado di mediare funzioni quali il sonno, l’attenzione o il meccanismo di punizione-ricompensa. Il diencefalo, che si continua ancora anteriormente al tronco dell’encefalo, comprende due aree pricipali, denominate talamo e ipotalamo’, il talamo invia gli impulsi provenienti dai sistemi sensoriali alla corteccia che, a sua volta, invia messaggi di ritorno al talamo. Questa modalità di andata-ritorno delle connessioni cerebrali è molto interessante: l’informazione non viaggia dunque in un sol senso. L’ipotalamo controlla svariate funzioni come la fame e la sete e regola anche il rilascio degli ormoni coinvolti nelle funzioni sessuali.

Gli emisferi cerebrali comprendono una zona centrale, i gangli della base, e un ampio e sottile strato di neuroni circostante che forma la materia grigia della corteccia cerebrale. I gangli della base giocano un ruolo centrale nell’avvio e nel controllo dei movimenti. Contenuta nello spazio limitato del cranio, la corteccia cerebrale è ripiegata molte volte su se stessa per fornire la superficie più vasta possibile allo strato neuronale. La corteccia è l’area cerebrale maggiormente sviluppata nell’uomo, quattro volte più che nel gorilla. Viene suddivisa in molte aree più piccole, ciascuna distinguibile per diversità di strati e connessioni. Le funzioni di molte di queste aree sono note, come quelle dell’area visiva, uditiva e olfattiva, o dell’area sensitiva cui giungono le afferenze cutanee (detta area somoestesica) e di diverse aree motorie.

Le vie che vanno dai recettori sensitivi alla corteccia e quelle dalla corteccia ai muscoli si incrociano. Per questo, i movimenti del lato destro del corpo sono controllati dalla parte sinistra della corteccia e vice versa. Allo stesso modo, la parte sinistra del corpo manda segnali sensitivi all’emisfero destro cosicché, a esempio, i suoni che provengono dall’orecchio sinistro raggiungono principalmente la corteccia destra. Ciò nonostante, le due metà del cervello non lavorano separatamente, in quanto la corteccia cerebrale destra e quella sinistra sono collegate da un largo fascio di fibre detto corpo calloso.

La corteccia cerebrale è necessaria per le azioni volontarie, per il linguaggio e per le funzioni superiori come il pensiero e la memoria. Molte di queste funzioni vengono compiute da entrambi gli emisferi mentre alcune sono lateralizzate ad uno soltanto. Sono state identificate alcune aree coinvolte in alcune funzioni superiori come quella del linguaggio che è lateralizzata a sinistra nella maggior parte delle persone. C’è però ancora molto da imparare, soprattutto riguardo ad alcuni argomenti affascinanti come la coscienza. Lo studio delle funzioni corticali è quindi una delle aree più interessanti e produttive delle neuroscienze.

Tatto e Dolore

Il tatto è un senso speciale (una stretta di mano, un bacio, una carezza) e ci fornisce il nostro primo contatto con il mondo. Schiere di recettori in tutto il nostro corpo sono sintonizzati sulle diverse modalità della sensibilità somatica: tatto, temperatura, posizione del corpo ed altre ancora, come la sensazione di dolore. La capacità discriminativa varia tra le diverse zone della superficie corporea ed è particolarmente sviluppata in sedi come i polpastrelli delle dita. Anche l’esplorazione attiva è molto importante, come evidenziano le interazioni con il sistema motorio. Il dolore serve da avvertimento e da difesa da potenziali danni per il nostro corpo. Ha un forte impatto emozionale ed è soggetto a importanti meccanismi di controllo sia a livello somatico che cerebrale.

Tutto inizia nella cute

Incorporati negli strati del derma della nostra pelle, sotto la superficie, vi sono molti tipi di piccoli recettori che prendono nome dagli scienziati che per primi li hanno identificati al microscopio. I corpuscoli di Pacini e di Meissner, i dischi di Merkel e le terminazioni di Ruffini rilevano i vari aspetti della sensibilità tattile. Tutti sono dotati di canali ionici che si aprono in risposta alle sollecitazioni meccaniche che scatenano i potenziali d’azione rilevabili sperimentalmente con sottili elettrodi. Alcuni anni fa sono stati condotti dei mirabolanti esperimenti da parte di scienziati che hanno inserito degli elettrodi nella propria cute per registrare il potenziale di un singolo nervo. Da questi e da altri esperimenti su animali anestetizzati, oggi sappiamo che i primi due tipi di recettori si adattano in fretta e rispondono alle variazioni rapide dello stimolo (senso di vibrazione).
I dischi di Merkel rispondono bene alle stimolazioni costanti della cute (senso di pressione), mentre le terminazioni di Ruffini rispondono alle variazioni lente.
Un concetto importante circa i recettori somatosensitivi riguarda il campo recettivo. Si tratta di quella zona di cute entro cui un recettore risponde.
I corpuscoli di Pacini hanno un campo recettivo molto più ampio di quelli di Meissner. Insieme, questi e gli altri tipi di recettori ci assicurano di poter avvertire gli stimoli sull’intera superficie corporea. Una volta rilevato uno stimolo, i vari recettori mandano impulsi lungo i nervi sensitivi che formano le radici posteriori del midollo spinale. Gli assoni che collegano i recettori tattili al midollo spinale sono grosse fibre mielinizzate che veicolano l’informazione dalla periferia alla corteccia cerebrale in modo estremamente rapido. Il freddo, il caldo e il dolore sono invece rilevati da sottili assoni con terminazioni “nude” che trasmettono il segnale molto più lentamente. I recettori termici mostrano anche il fenomeno dell’adattamento (vedi l’esperimento nel riquadro). Esistono delle stazioni di relè a livello del midollo e nel talamo, che proietta infine all’area sensitiva primaria della corteccia, la corteccia somatosensitiva. I nervi si incrociano sulla linea mediana cosicché il lato destro del corpo è rappresentato nell’emisfero sinistro e il lato sinistro nell’emisfero destro.

Le afferenze somatiche sono “mappate” in modo sistematico sulla corteccia somatosensitiva in modo da formare una rappresentazione della superficie corporea. Alcune parti del corpo, come la punta delle dita e la bocca, hanno una maggiore densità di recettori e, in misura corrispondente, un maggior numero di nervi sensitivi. Altre zone, come la schiena, possiedono un minor numero di recettori e di nervi. Ciò nonostante, nella corteccia somatosensitiva, la densità neuronale è uniforme. Per questo motivo la ‘mappa’ della superficie corporea sulla corteccia risulta molto distorta. Se esistesse realmente, quello che viene definito homunculus sensitivo, sarebbe una persona dall’aspetto grottesco.
Ciascuno può verificare la diversa sensibilità nelle varie parti del corpo con il test di discriminazione dei due punti. Sagomate ad U dei fermagli da carta, in modo che alcuni abbiano le estremità distanti 2-3 cm, altri molto più vicine. Quindi, con una benda sugli occhi, chiedete ad un amico di toccare varie parti del vostro corpo con le punte dei fermagli. Sentite una punta o due? Sentite a volte una punta quando, in realtà, siete stato toccato con due? Perché?

La capacità di percepire dettagli fini varia enormemente nelle diverse parti del corpo ed è massimamente sviluppata sulla punta delle dita e sulle labbra. La cute è abbastanza sensibile da percepire un punto in rilievo alto meno di un centesimo di millimetro, come accade alle persone non vedenti che leggono il Braille. Un settore molto attivo di ricerca indaga come i diversi recettori contribuiscano a compiti diversi come il discriminare tessuti differenti o identificare la forma di un oggetto.

I tatto non è un senso passivo che risponde solo a ciò che riceve. Esso è anche coinvolto nel controllo attivo del movimento. I neuroni della corteccia motoria che controllano i muscoli del braccio che fanno muovere le dita ricevono afferenze sensoriali dai recettori tattili posti sulla punta delle dita. Come meglio potreste riconoscere un oggetto che non facendolo scivolare sul palmo della mano mettendo così in rapida comunicazione il sistema sensitivo con quello motorio? Il dialogo incrociato tra i due sistemi inizia già alla prima stazione, posta a livello del midollo spinale, con l’invio di un segnale propriocettivo di ritorno ai motoneuroni, e prosegue a tutti i successivi livelli del sistema somatosensitivo. La corteccia sensitiva primaria e quella motoria primaria sono situate l’una accanto all’altra a livello cerebrale.

L’esplorazione attiva è cruciale per il tatto. Immaginate di dover discriminare sottili differenze di tessuto, come quelle tra materiali diversi o a granulosità differente. Quali di queste condizioni ritenete 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 i campioni sulle vostre dita?
Il risultato di questi esperimenti apre la questione su dove le informazioni sensitive rilevanti vengano analizzate a livello cerebrale. Le neuroimmagini funzionali suggeriscono che l’identificazione tattile di sostanze o di oggetti coinvolga diverse regioni corticali. Le tecniche di visualizzazione cerebrale stanno iniziando a fornire immagini della plasticità corticale mostrando come la rappresentazione corporea a livello della corteccia somatosensoriale possa variare con l’esperienza. I lettori non vedenti che utilizzano il Braille, ad esempio, hanno una maggior rappresentazione corticale del dito indice che impiegano per la lettura, mentre i chitarristi hanno una più ampia rappresentazione corticale delle dita della mano sinistra.

Il dolore
Benché venga spesso classificato con il tatto come un altro componente della sensibilità cutanea, quello del dolore è in realtà un sistema con funzioni moto diverse ed un’organizzazione anatomica molto differente. Le sue caratteristiche principali sono che è spiacevole, che varia grandemente da un individuo all’altro e che, in modo sorprendente, le informazioni veicolate dai recettori dolorifici forniscono scarsi dati sulla natura dello stimolo (esiste infatti poca differenza tra il dolore dovuto ad un’abrasione e quello causato dalla puntura di un ago). Gli antichi Greci consideravano il dolore come un’emozione piuttosto che come una sensazione.

Registrazioni da singole fibre sensitive in animali indicano risposte a stimoli che causano o costituiscono potenziali minacce di danno tessutale: forti stimoli meccanici (come un pizzicotto), calore intenso e svariati stimoli chimici. Questi esperimenti non ci dicono però nulla circa la nostra esperienza soggettiva.

Tecniche biomolecolari ci hanno svelato la struttura e le caratteristiche di un certo numero di nocicettori. Essi comprendono recettori che rispondono al calore sopra i 46°C, all’acidità tessutale e, ancora una volta sorprendentemente, alla componente attiva del peperoncino. I geni responsabili della risposta agli stimoli meccanici intensi non sono ancora stati identificati ma è certo che esistano. Due classi di fibre periferiche afferenti rispondono a stimoli nocicettivi: fibre mieliniche relativamente rapide, dette fibre AS, e fibre amieliniche lente e molto sottili, le fibre C. Entrambi i tipi entrano nel midollo spinale, dove formano sinapsi con diversi neuroni che proiettano alla corteccia cerebrale attraverso vie ascendenti parallele, una delle quali trasmette la localizzazione del dolore (come avviene per la sensibilità tattile), l’altra è invece responsabile del suo carattere emozionale.

Questa seconda via proietta ad aree diverse dalla corteccia somatosensitiva, fra le quali la corteccia cingolata anteriore e la corteccia dell’insula. In esperimenti di neuroimmagini rilevate sotto ipnosi, è stato possible separare la pura sensazione del dolore dalla sua qualità di ‘fastidio’.

I soggetti, con le mani immerse in acqua bollente, tanto da provare dolore, sono stati sottoposti ad una suggestione ipnotica di aumentata o diminuita intensità del dolore o del fastidio da questo provocata. Utilizzando la tomografia ad emissione di positroni (PET), si è visto che durante i cambiamenti di percezione dell’intensità del dolore avveniva un’attivazione della corteccia somatosensitiva, mentre l’esperienza di fastidio era accompagnata da attivazione della corteccia cingolata anteriore.

Vivere senza dolore?
Considerando il nostro desiderio di evitare le fonti di dolore, come il dentista, potreste credere che vivere senza dolore sarebbe un bene. Non è così. Una delle funzioni chiave del dolore è insegnarci ad evitare situazioni che provocano dolore. I potenziali d’azione nelle vie nocicettive che giungono al midollo spinale evocano riflessi automatici di difesa, come quello di allontanamento, e ci forniscono anche informazioni per imparare ad evitare situazioni pericolose.

Un’altra funzione chiave del dolore è l’inibizione dell’azione: il riposo dopo un danno tissutale consente infatti la guarigione. Naturalmente, in alcune situazioni, è importante che l’azione e la reazione di fuga non vengano inibite. Per questo l’evoluzione ha favorito i processi fisiologici che possono sia inibire che aumentare il dolore. Il primo di questi meccanismi modulatori ad essere scoperto è stato il rilascio di analgesici endogeni. Per il verosimile rilascio di tali sostanze, in condizioni potenzialmente traumatiche, come durante una battaglia, la percezione del dolore viene soppressa in misura sorprendente. Esperimenti su animali hanno mostrato che la stimolazione elettrica di zone cerebrali quali il grigio periacqueduttale causa un innalzamento della soglia del dolore per mediazione di una via discendente dal mesencefalo al midollo spinale.

In questo processo sono coinvolti numerosi trasmettitori chimici tra cui gli oppioidi endogeni come la met-encefalina. Essi agiscono sugli stessi recettori cui si lega la morfina, soppressore del dolore.

Il fenomeno opposto di incremento della percezione dolorifica è detto iperalgesia. Esso causa un abbassamento della soglia e un aumento dell’intensità del dolore. A volte si avverte come un ampliamento della zona dolente o persino dolore in assenza di stimoli nocicettivi. Questo può costituire una grave condizione clinica. L’iperalgesia coinvolge sia i recettori periferici che fenomeni più complessi a vari livelli delle vie nocicettive ascendenti. Questi comprendono l’interazione chimica fra stimoli eccitatori e inibitori. L’iperalgesia osservabile negli stati di dolore cronico deriva da un aumento degli stimoli eccitatori e da una depressione di quelli inibitori. Questo è per lo più dovuto a mutamenti nella risposta dei neuroni che elaborano le informazioni percettive. Modificazioni importanti si verificano nelle molecole dei recettori che mediano l’azione dei neurotrasmettitori. Ma nonostante i grandi progressi nella comprensione dei meccanismi cellulari dell’iperalgesia, il trattamento clinico del dolore cronico è ancora del tutto inadeguato..

Pensate di afferrare una palla. Può sembrare facile ma, anche per eseguire il movimento più semplice, il cervello deve compiere degli importanti passaggi. Diamo tutto per scontato, ma è necessario una pianificazione: la palla sarà pesante 0 leggera? Da quale direzione proviene e a quale velocità? Ci vuole coordinazione: come possiamo atteggiare automaticamente le braccia per afferrare e qual è il modo migliore? C’é poi l’esecuzione: le braccia sono al posto giusto e le dita si chiudono nel momento esatto? I neuroscienziati sanno che sono molte le aree cerebrali coinvolte. L’attività neurale in queste aree forma una lunga catena di comandi, una gerarchia motoria, dalla corteccia cerebrale e dai gangli della base fino al cervelletto e al midollo spinale.

La giunzione neuromuscolare

All’estremo inferiore della gerarchia motoria, nel midollo spinale, centinaia di cellule specializzate, i motoneuroni, aumentano la loro frequenza di scarica.
1 loro assoni proiettano ai muscoli, dove attivano le fibre muscolari contrattili. I rami terminali degli assoni di ogni motoneurone formano particolari giunzioni neuromuscolari con un numero limitato di fibre di ciascun muscolo.
Ogni potenziale d’azione di un motoneurone causa il rilascio di un neurotrasmettitore dalla terminazione nervosa e genera un potenziale d’azione nella fibra muscolare corrispondente. Ciò provoca il rilascio di ioni Ca2+ dai depositi intracellulari di ogni fibra muscolare che, a sua volta, innesca la contrazione delle fibre stesse, producendo forza e movimento.

Gli eventi elettrici nei muscoli del braccio possono essere registrati anche attraverso la cute mediante un amplificatore Questa registrazione elettromiografica (EMG) misura il livello di attività in ciascun muscolo.

Il midollo spinale gioca un ruolo importante nel controllo muscolare attraverso svariate vie riflesse, tra le quali figurano i riflessi di allontanamento, che ci proteggono dal contatto con oggetti appuntiti o incandescenti, e i riflessi di stiramento, importanti per il mantenimento della postura. Il noto “riflesso rotuleo”, di percussione del ginocchio col martelletto è un esempio di riflesso di stiramento alquanto speciale che coinvolge solo due tipi di neuroni: quelli sensitivi che segnalano la lunghezza del muscolo e che sono connessi attraverso sinapsi ai motoneuroni che provocano il movimento. Questi riflessi, unitamente ad altri più complessi, formano i circuiti spinali che organizzano comportamenti più o meno evoluti, come i movimenti automatici degli arti durante il cammino o la corsa, che prevedono una stimolazione ed un’inibizione coordinata dei motoneuroni.

I motoneuroni sono la via finale comune diretta ai muscoli che muovono le nostre ossa. Il cervello ha però un grande problema nel controllare l’attività di queste cellule: quali muscoli deve muovere per compiere una data azione, di quanto e in che ordine?

II vertice della gerarchia: la corteccia motoria

All’estremità opposta della gerarchia motoria, nella corteccia cerebrale, un enorme numero di calcoli deve essere eseguito, da parecchie decine di migliaia di cellule, per ciascuna componente del movimento. Questi calcoli assicurano che il movimento sia compiuto con abilità e precisione. Tra la corteccia cerebrale e i motoneuroni del midollo spinale, alcune aree cruciali del tronco encefalico assemblano le informazioni riguardanti gli arti e i muscoli che salgono dal midollo spinale con quelle che discendono dalla corteccia cerebrale.

La cortecia motoria è una sottile striscia di tessuto che corre sulla superficie del cervello, proprio al davanti della corteccia somatosensitiva. Qui è rappresentata l’intera immagine corporea: i nervi che causano i movimenti degli arti (attraverso le connessioni con i motoneuroni del midollo spinale) hanno una distribuzione topografica. Utilizzando un elettrodo di registrazione, in questa zona di corteccia si possono trovare neuroni che scaricano a circa 100 millisecondi prima di trasmettere l’impulso ai muscoli. Ciò che viene codificato nella corteccia motoria è da tempo oggetto di dibattito: le cellule corticali codificano le azioni che una persona intende compiere o inviano semplicemente impulsi ai singoli muscoli che debbono essere contratti per eseguire l’azione? La risposta è in realtà molto diversa: i singoli neuroni non soddisfanno nessuna delle due ipotesi. Esiste invece un codice di popolazione in cui le azioni vengono specificate dalla scarica di un insieme di neuroni.

Davanti alla corteccia motoria sono situate le aree premotorie implicate nella pianificazione delle azioni, nella preparazione dei circuiti spinali e nell’elaborazione dei processi che stabiliscono una connessione tra l’osservazione di un movimento e la comprensione di un gesto. Tra le nuove scoperte va annoverata quella dei neuroni specchio che, nella scimmia, si attivano sia quando l’animale vede sia quando esegue un movimento di una mano. I neuroni specchio sono importanti sia nell’imitazione che nella comprensione delle azioni. Dietro la corteccia motoria, nella corteccia parietale, numerose altre aree sono sede della rappresentazione spaziale del corpo e degli stimoli visivi e uditivi provenienti dall’ambiente. Esse sembrano avere una mappa di dove si trovano i nostri arti e di dove siano posti gli stimoli interessanti. Un danno di queste aree,come ad esempio dopo un ictus, può provocare l’incapacità di afferrare un oggetto o persino la negligenza di una parte dell’ambiente circostante. I pazienti affetti da negligenza parietale non vedono gli oggetti posti da un lato (spesso alla propria sinistra) e a volte ignorano persino la parte sinistra del proprio corpo.

Sviluppo del Sistema Nervoso

La struttura di base del cervello é teoricamente identica in ciascuna persona e apparentemente simile in tutti i mammiferi. E’ in gran parte geneticamente determinata ma i fini dettagli delle sue connessioni sono influenzati dall’attività elettrica cerebrale, soprattutto nei primi momenti di vita. La sua complessità è tale che siamo ancora molto distanti dal comprendere appieno lo sviluppo del cervello anche se, in epoca recente, chiari indizi sono emersi a seguito della rivoluzione genetica.

Prendi un uovo fertilizzato e segui le istruzioni

Il corpo umano e il cervello si sviluppano da un’unica cellula, l’uovo fertilizzato. Ma come accade? Il principio cardine della biologia evolutiva è che il genoma è un insieme di istruzioni per creare gli organi del corpo, non una carta copiativa. Il genoma è composta da circa 40,000 geni che orchestrano tale processo. Portare a termine queste istruzioni è un po’ come l’arte cinese di piegare la carta, dove un numero limitato di modi di piegatura produce una struttura che potrebbe essere rappresentata solo da molti disegni. A partire dall’embrione, un numero relativamente piccolo di istruzioni genetiche è in grado di produrre un’enorme varietà di cellule e connessioni cerebrali durante lo sviluppo.

Sorprendentemente, condividiamo molti dei nostri geni con il moscerino della frutta, la Drosophila. E’ proprio grazie agli studi sul moscerino della frutta che è stata individuata la maggior parte dei geni fondamentali per lo  sviluppo del sistema nervoso dell’uomo. I neuroscienziati che studiano lo sviluppo cerebrale esaminano molti animali (pesce zebra, rana, pulcino e topo) ciascuno dei quali offre dei vantaggi nell’esame di particolari eventi molecolari o cellulari. L’embrione di pesce zebra è trasparente e consente di osservare al microscopio ogni sua cellula durante lo sviluppo. Il topo si riproduce in fretta e il suo genoma è stato quasi del tutto mappato e sequenziato. Pulcini e rane sono meno utili ma i loro grandi embrioni permettono manipolazioni microchirurgiche per esaminare cosa succede quando alcune cellule migrano in posizioni anomale.

Primi passi…
Il primo passo nello sviluppo cerebrale è la divisione cellulare. Un altro punto chiave è la differenziazione cellulare, quando le singole cellule smettono di dividersi ed assumono caratteristiche specifiche come quelle dei neuroni o delle cellule gliali. La differenziazione causa una riorganizzazione spaziale. Diversi tipi di neuroni migrano in diverse sedi in un processo detto di formazione della trama.

Il primo evento saliente nella formazione della trama avviene durante la terza settimana della gestazione umana, quando l’embrione è formato solo da un doppio foglietto di cellule in divisione. Un gruppetto di cellule sulla superficie superiore del doppio foglio contiene le istruzioni per formare l’intero cervello e il midollo spinale. Queste cellule compongono una struttura a forma di racchetta da tennis detta placca neurale, la cui parte anteriore darà origine al cervello mentre la parte posteriore diverrà il midollo spinale. I segnali che dirigono queste cellule provengono dal foglietto sottostante che darà origine allo scheletro e ai muscoli assiali dell’embrione. Le diverse regioni esprimono diversi insiemi di geni che determinano lo sviluppo delle varie aree cerebrali, il telencefalo, il mesencefalo e il romboencefalo, con distinte funzioni e diversa architettura cellulare.

Si continua arrotolandosi

Una settimana dopo, la placca neurale si arrotola in forma di tubo, si approfonda e viene avvolta da quella che sarà la futura epidermide. Nelle settimane seguenti si verificano ulteriori profondi cambiamenti compresi mutamenti di forma, divisioni, migrazioni e adesioni cellulari. Il tubo neurale, ad esempio, si piega fino a che la regione cefalica si trova ad angolo retto rispetto a quella del tronco. Questo rimodellamento prosegue a livelli sempre più raffinati, fino a conferire un’ identità individuale ai nuovi neuroni. Le cose possono però andar male. Una mancata chiusura del tubo neurale causa la spina bifida, una condizione solitamente limitata al tratto finale del midollo spinale che, benché invalidante, non costituisce un rischio per la vita. D’altro canto, la mancata chiusura del tratto craniale può esitare nella completa mancanza di un cervello, una condizione nota come anencefalia.

Impara il tuo posto nella vita

Il principio sottostante la formazione della trama è che le cellule imparano la loro posizione rispetto agli assi principali del sistema nervoso: antero-posteriore e supero-inferiore. Di fatto, ogni cellula calcola la propria posizione rispetto a queste coordinate ortogonali come chi legge una mappa desume la propria posizione misurandone la distanza da punti definiti. Come ciò avvenga a livello molecolare è dovuto al fatto che l’embrione costruisce, nel tubo neurale, un numero di regioni polarizzate che secernono molecole che fungono da segnale.

Queste molecole diffondono poi lontano dalla sorgente a formare un gradiente di concentrazione che dipende dalla distanza. Un esempio di questo meccanismo posizione-dipendente è dato dall’asse supero-inferiore (dorsoventrale) del midollo spinale. La parte inferiore del tubo neurale esprime una proteina dal nome fantasioso, porcospino veloce (sonic hedgehog), che va lontano dal pavimento della placca e agisce sulle cellule dell’asse dorsoventrale in dipendenza della loro distanza. Quando la placca si chiude, il porcospino veloce induce l’espressione di un gene che codifica un particolare tipo di interneurone. Più in là, la diminuita concentrazione di porcospino veloce induce l’espressione di un altro gene che codifica per i motoneuroni.

Resta dove sei o sappi dove vai

Una volta che un neurone ha acquisito la sua identità individuale e smette di dividersi, estende il suo assone tramite un’estremità allargata detta cono di crescita. Come un’abile guida alpina, il cono di crescita è specializzato per districarsi tra i vari tessuti utilizzando le sue capacità per scegliere il sentiero più favorevole. Così facendo, trascina l’assone dietro di sé, come un cane con un guinzaglio estensibile. Una volta raggiunto il bersaglio, il cono di crescita perde la sua capacità di movimento e forma una sinapsi. La guida assonale è un formidabile mezzo di navigazione, accurato per brevi e lunghe distanze, ma è anche un processo unitario che non solo seleziona con grande precisione la cellula bersaglio ma, per giungere ad essa è in grado di districarsi attraverso altri coni di crescita diretti verso bersagli diversi. Lungo il percorso, apposite tracce che attragono (+) o respingono (-) i coni di crescita, li aiutano a trovare la via, anche se i meccanismi molecolari responsabili della regolazione dell’espressione di queste tracce sono ancora poco conosciuti.

Scolpiti dall’attività elettrica

Benché un alto grado di precisione nella disposizione spaziale e nella connettività neurale sia dovuto a fattori estrinseci, la connessione più tardiva di alcune parti del sistema nervoso è soggetta ad un riassetto attività-dipendente, come nella potatura degli assoni e nella morte neurale. Questi processi potrebbero apparire degli sprechi, ma non è possibile né desiderabile formare un cervello completo e perfetto solo costruendo. Si dice che l’evoluzione sia “una manipolatrice” – ma è anche una scultrice.

Ad esempio, una mappatura punto a punto tra i neuroni visivi e il cervello, indispensabile per la visione nitida, è in parte raggiunta per l’influenza dell’attività elettrica della retina. Un numero inizialmente esuberante di connessioni viene scolpito durante un periodo critico, dopo il quale la struttura di base del sistema visivo si completa, che corrisponde a circa otto settimane di età nelle scimmie e forse a un anno nell’uomo. Una domanda interessante è se un programma di sviluppo così precoce possa essere riattivato in caso di perdita neurale patologica (come nella malattia di Alzheimer o di Parkinson) o di un danno midollare che provochi una paralisi. In quest’ultimo caso, gli assoni possono essere stimolati alla ricrescita ma rimane ancora da chiarire come far sì che si riconnettano in modo appropriato.

La rivoluzione genomica
Stiamo rapidamente costituendo un catalogo completo dei geni necessari per costruire un cervello. Grazie al potere prodigioso dei metodi di biologia molecolare, siamo in grado di provare le funzioni dei geni modulando la loro espressione, dove e quando vogliamo nel corso dello sviluppo. Il maggior impegno è ora quello di scoprire la gerarchia del controllo genetico che converte un foglietto di cellule in un cervello funzionante. E’ questa una delle grandi sfide delle neuroscienze.

Lo stress colpisce anche le persone all’apparenza più tranquille. Tutti lo sperimentiamo: durante un esame, una gara sportiva, quando bisticciamo con un amico o affrontiamo un avversario. Perché si prova questa spiacevole sensazione e quali ne sono le cause? Ha un’utilità? Cosa succede se le cose vanno male? I neuroscienziati cominciano ora a capire come il cervello genera e coordina le risposte chimiche allo stress.

Cos’è lo stress? Perché è utile?
Lo stress è di difficile controllo: non indica tanto l’essere sotto pressione (e non sempre tale condizione è fonte di stress), quanto una sorta di errato confronto fra ciò che ci si aspetta accadrà e ciò che realmente sta accadendo. Molte sfide da affrontare sono di natura psicologica e riflettono le difficoltà di interazione con gli altri quando si è impegnati nella buona riuscita degli studi, si compete per far parte di una squadra sportiva o per un posto di lavoro. Altre forme di stress sono di natura fisica, come le malattie acute o i traumi da incidenti stradali. La maggior parte delle cause di stress è eterogenea: dolore e malattie si accompagnano a preoccupazione e a tensione.

Lo stress è un processo fondamentale che colpisce ogni organismo, dai semplici batteri agli eucarioti più complessi quali i mammiferi. Negli unicellulari e nelle singole cellule umane, si sono evolute molecole in grado di fornire sistemi di protezione alla cellula medesima rispetto ad eventi inattesi provenienti dall’esterno e dalle loro conseguenze. Le proteine heat-shock sono ad esempio particolari molecole atte a guidare le proteine danneggiate là dove possano essere riparate o distrutte senza pericolo, al fine di proteggere la cellula da tossine o mal funzionamenti. Negli organismi complessi come l’uomo, i sistemi dello stress si sono evoluti come processi altamente sofisticati in grado di fronteggiare sfide straordinarie, usando i mezzi di protezione cellulare come se fossero muri di cinta.

Stress e cervello
La risposta ad una condizione di stress viene coordinata dal cervello. L’allerta cognitiva interagisce con i segnali somatici dello stress a livello del flusso sanguigno quali ormoni, nutrienti e molecole infiammatorie, e con informazioni provenienti dai nervi periferici che regolano gli organi vitali e le sensazioni. Il cervello integra tale processo e produce una serie di risposte specifiche e graduate che ci vengono spiegate dalla neuroendocrinologia.
Gli ormoni circolanti sono regolati dal cervello per permettere all’organismo di far fronte allo stress.

Attacco o fuga?
La risposta più semplice da individuare è l’attivazione immediata di quello che è chiamato sistema nervoso simpatico. Sottoposto ad uno stimolo stressogeno e formulata una risposta adeguata, il cervello attiva prontamente le vie nervose che partono dai centri di controllo del tronco cerebrale: si ha così il rilascio di noradrenalina in diverse sedi e di adrenalina dalle ghiandole surrenali (situate proprio sopra il rene). Il duplice rilascio sottende la risposta di attacco-fuga, la classica e pronta reazione necessaria in situazioni di pericolo. Tutti possiamo riconoscere l’iniziale sensazione di formicolio, la sudorazione, l’aumento dell’attenzione, le pulsazioni rapide, l’incremento della pressione sanguigna e il generico senso di paura che proviamo nei momenti immediatamente successivi ad una situazione stressante. Questi sintomi sono causati dai recettori situati nei vasi sanguigni (dove causano la loro costrizione e il conseguente aumento della pressione ematica) e nel cuore (dove provocano un aumento dei battiti e la sensazione di palpitazione). I recettori cutanei danno poi luogo al raddrizzamento dei peli (pelle d’oca) e quelli intestinali causano quella disagevole sensazione addominale che si prova in situazioni stressanti. Tali sintomi sono preparatori all’attacco o alla fuga e incrementano l’apporto sanguigno agli organi vitali, ai muscoli e al cervello.

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