Il nostro comportamento modificabile dallesperienza Ne siamo particolarmente
Il nostro comportamento è modificabile dall’esperienza. Ne siamo particolarmente consapevoli quando impariamo una nuova abilità, ad esempio, andare in bicicletta o giocare a tennis, o quando impariamo la strada che ci consente di andare da un luogo ad un altro, ma anche quando modifichiamo la nostrategia per raggiungere uno scopo se giudichiamo che quella messa in atto non è più affidabile o di successo. 2
I cambiamenti nel nostro comportamento sono dovuti a cambiamenti a livello cerebrale. Il nostro comportamento è flessibile e noi siamo in grado di acquisire nuove conoscenze e nuove capacità perché il nostro cervello ha la proprietà di poter cambiare in risposta all’esperienza.
Il fatto che il cervello umano sia modificabile dall’esperienza contribuisce anche fortemente alle differenze nelle capacità e nelle caratteristiche individuali Individui diversi hanno capacità di memoria, di decisione, di intuizione, di azione diverse perché hanno cervelli diversi.
Tutte le nostre capacità, da quelle percettive a quelle cognitive, come il pensiero, la memoria, il ragionamento, a quelle motorie a quelle emotive, dipendono dal cervello.
Svolgere attività diverse significa attivare aree cerebrali diverse Vedere Ascoltare parole Pianificare un percorso in auto per evitare un musicale blocco Ascoltare un brano moltostradale coinvolgente
I neuroni sono tra di loro connessi attraverso strutture specializzate dette sinapsi. L’insieme di un gruppo di neuroni connessi sinapticamente fra di loro costituisce un circuito nervoso. Neurone presinaptico Neuroni postsinaptici Sinapsi
Il nostro comportamento, pensare, agire, percepire, immaginare o ricordare, dipende dalla attivazione coordinata di molteplici circuiti nervosi, che possono includere anche neuroni situati in aree cerebrali differenti. E’ il modo in cui questi circuiti operano che determina come noi percepiamo ciò che ci circonda, come lo giudichiamo (attraente o meno), se siamo motivati ad agire in relazione a ciò che percepiamo o no. La realtà è una costruzione del nostro cervello.
La “realtà” è una costruzione del nostro cervello
Il nostro comportamento, la “realtà” che percepiamo, dipende quindi da come si sono formati i diversi circuiti nervosi durante lo sviluppo e da come si modificano, in risposta all’esperienza, durante tutto l’arco della vita.
Tutti siamo soggetti alle stesse illusioni visive, perché i circuiti neurali che sono alla base di esse sono uguali in tutti noi. Ma non tutti troviamo attraenti o siamo interessati alle stesse cose e non sempre siamo interessati alle stesse cose, perché in questo caso i circuiti nervosi implicati sono diversi da un individuo all’altro e possono cambiare nello stesso individuo. Cosa determina queste differenze? Un fattore cruciale è l’esperienza individuale.
Esperienze diverse, cervelli diversi, comportamenti diversi
La capacità del cervello, dei circuiti nervosi, di cambiare in risposta all’esperienza prende il nome di neuroplasticità. Cosa cambia in un circuito nervoso quando l’esperienza lo modifica? Cambia l’efficacia delle connessioni sinaptiche, che si modifica in risposta ai cambiamenti nell’attività elettrica che l’esperienza induce nel circuito.
Le “regole” della plasticità neurale FIN QUI 17 OTTOBRE 2017
Non tutti i cambiamenti di attività elettrica in un circuito inducono fenomeni di plasticità. Meccanismo Hebbiano di plasticità: rafforzamento delle sinapsi in cui il neurone presinaptico ha ripetutamente successo nell’attivare il suo bersaglio postsinaptico
Le sinapsi che cambiano: esempio dalle risposte emotive apprese
Memorie emotive Amigdala L’amigdala è la struttura cruciale per la manifestazione di risposte di paura innata e per la formazione di risposte di paura appresa Suono di moderata Suono moderata Fortedirumore intensità Amigdala
La simultaneità dell’arrivo ai neuroni dell’amigdala dei segnali evocati dal suono di moderata intensità e dei segnali evocati dal forte rumore (regola di Hebb) determina un aumento dell’efficacia sinaptica dei neuroni uditivi che trasmettono informazione relativa al suono di moderata intensità sui neuroni dell’amigdala, causando la comparsa di una risposta di paura a tale suono.
L’esperienza, tramite fenomeni di plasticità sinaptica, ha causato un cambiamento in uno specifico circuito cerebrale e questa è la ragione per cui l’esperienza ha cambiato il comportamento del soggetto. Questo cambiamento cerebrale rimane per molti mesi, così come per molti mesi rimarrà la risposta di paura al suono.
Analoghi fenomeni di plasticità sinaptica hanno luogo nell’ippocampo quando formiamo la mappa di un percorso spaziale, nella corteccia visiva quando impariamo a discriminare finemente i colori, nel cervelletto quando impariamo a stare in equilibrio sui pattini e così via. Adesso siamo abbastanza sicuri che quando apprendiamo e ricordiamo qualcosa, questo avviene perché c’è stato un cambiamento a lungo termine dell’efficacia sinaptica in un’area cerebrale che fa parte del sistema di aree cerebrali alla base di quel tipo di memoria.
I cambiamenti cerebrali, i fenomeni di plasticità che ci consentono di imparare a sciare o di imparare a memoria un canto della Divina Commedia sono gli stessi, solo avvengono in aree cerebrali diverse.
Il cervello dell’uomo amigdala
La complessità del cervello 100 miliardi di neuroni Fino a 1000 ingressi sinaptici sul singolo neurone 600 milioni di connessioni/mm 3 Il nostro comportamento, pensare, agire, percepire, immaginare o ricordare, dipende dalla attivazione coordinata di molteplici circuiti nervosi, che possono includere anche neuroni situati in aree cerebrali differenti.
Come si sono formati i diversi circuiti neurali durante lo sviluppo?
L’organizzazione delle aree e delle connessioni cerebrali emerge da un complesso processo di sviluppo
Come vengono assemblate le centinaia di miliardi di specifici circuiti neurali durante lo sviluppo? ?
Alla specificazione genica va il ruolo di guidare i processi iniziali dello sviluppo cerebrale e quello della formazione iniziale delle connessioni neurali.
La scelta del percorso degli assoni in “navigazione” Queste scelte vengono fatte in base ad indizi molecolari, ovvero la presenza di molecole attrattive o repulsive nel percorso; l’azione attrattiva o repulsiva dipende non solo dalla molecola “segnale” ma anche dal recettore presente sul cono di crescita. Si basano quindi sulla specificazione genica
All’esperienza specifica dell’individuo ed alle sue interazioni con l’ambiente va il ruolo di guidare le fasi finali dello sviluppo dei circuiti cerebrali, conducendoli allo stato maturo e quindi guidando lo sviluppo delle diverse espressioni del comportamento in maniera individuo-specifica. Esperienze diverse, cervelli diversi, comportamenti diversi
L’esperienza integra e completa il lavoro svolto dai geni ed agisce ovviamente entro i vincoli da essi stabiliti. 1 Geni potenzialità 2 Esperienza espressione particolare delle potenzialità Senza 1 , 2 è inutile Senza 2 , 1 resta inespressa L’esperienza gioca un ruolo determinante nel guidare l’emergere del comportamento in maniera individuo specifica all’interno di un trend maturativo comune alla specie.
Le fasi principali della formazione del sistema nervoso
Induzione neurale e formazione del tubo neurale
Il Sistema Nervoso ha origine dall’ectoderma Nell’uomo, la placca neurale si forma intorno al 18° giorno di gestazione. Dalla placca neurale ha origine l’intero SN. Nell’uomo, il solco neurale si forma intorno al 20° giorno di gestazione Nell’uomo, la formazione del tubo neurale si completa in circa 5 giorni, a partire dal 21° giorno di gestazione. Dal tubo neurale ha origine il SNC. Un gruppo di cellule, la parte laterale della placca neurale, rimane fuori dal tubo neurale nel momento in cui si richiude, e forma la cresta neurale, da cui ha origine il sistema nervoso periferico. Mancata chiusura anteriore=anencefalia Posteriore=spina bifida La neurulazione I processi di induzione coinvolgono generalmente due tessuti, uno è il bersaglio dell’induzione, l’altro, chiamato l’organizzatore, produce segnali molecolari che inducono, nel tessuto bersaglio, una nuova combinazione di espressione genica che determina il successivo programma di sviluppo.
L’organizzatore del processo di induzione neurale è l’organizzatore di Spemann, una zona del mesoderma dorsale. Esso induce lo sviluppo dell’intero sistema nervoso
Suddivisione in regioni del tubo neurale
Il tubo neurale si differenzia in domini che sono i precursori delle principali suddivisioni del SNC. Suddivisione lungo l’asse rostro-caudale
Le diverse regioni del tubo neurale danno origine alle regioni del SNC dell’adulto
Differenziamento lungo l’asse dorso ventrale Viene effettuato sulla base di gradienti molecolari, in questo caso di due fattori, SHH e BMP. SHH è prodotto ventralmente al tubo neurale, BMP dorsalmente. A causa della presenza di gradienti di SHH e BMP, il valore di concentrazione di questi fattori identifica univocamente ciascun punto lungo l’asse dorso-ventrale del tubo neurale. Questa informazione posizionale è trasformata in differenziamento nei tipi cellulari specifici per quella regione del sistema nervoso per mezzo dell’attivazione di programmi genici specifici. “Coordinate” molecolari Mutazioni a carico di SHH = oloprosencefalia, difetti del tubo neurale
Differenziamento lungo l’asse rostro-caudale
Ciascun rombomero ha un esclusivo pattern di espressione di geni Hox ed altri geni (coordinate molecolari).
La mutazione di un gene Hox trasforma un rombomero in un altro.
Anche il telencefalo è suddivisibile in prosomeri che non hanno poi corrispondenza con specifiche regioni cerebrali Dlx 1 e 2 controllano il fato degli interneuroni corticali
Neurogenesi e differenziamento
Regolazione del differenziamento delle cellule della cresta neurale
Precursore simpato-midollare
Morte cellulare programmata
Fenomeni regressivi come la morte cellulare programmata avvengono a diversi stadi dello sviluppo
Significato funzionale della morte cellulare programata: la teoria neurotrofica
Neurogenesi corticale
Sviluppo della corteccia cerebrale: formazione degli strati stanza bian
Le divisioni orizzontali generano neuroni postmitotici, quelle verticali aumentano il numero dei progenitori
Oltre alla migrazione radiale, che nella corteccia cerebrale è associata alla generazione dei neuroni glutamatergici di proiezione, le cellule piramidali, esiste anche una migrazione tangenziale. Nella corteccia cerebrale, gli interneuroni GABAergici vengono generati a livello dei futuri nuclei della base e migrano tangenzialmente verso la corteccia cerebrale, consentendo la formazione di circuiti inibitori. Neuregulin 1 è un altro gene cruciale per la migrazione tangenziale degli interneuroni ed è un gene candidato come fattore di rischio per la schizofrenia.
Specificazione delle aree corticali
Cosa fa sì che le varie aree corticali siano quello che sono da adulte? Ipotesi 1: Gradienti di geni Rimuovo Pax 6 e la corteccia si “posteriorizza”; rimuovo Emx 2 e la corteccia si “anteriorizza” dal punto di vista molecolare
Cosa fa sì che le varie aree corticali siano quello che sono da adulte? L’innervazione talamica “istruisce” la corteccia.
Fin qui 18 ottobre 2017 Allungamento degli assoni verso il bersaglio (navigazione assonale)
La scelta della via da seguire: la navigazione assonale Contralateral projection Ipsilateral projection 0 minutes 209 minutes Midline 147 minutes Optic chiasm Midline
Il cono di crescita saggia il terreno. Vari di tipi di regolazioni ne guidano il cammino Meccanismi: . • Presenza di substrati favorevoli per la crescita • Fascicolazione selettiva. • Segnalazione positiva o negativa da parte di cellule guida. • Meccanismi di attrazione o repulsione a distanza. N. B. Questi meccanismi hanno spesso selettività tra i vari assoni
Sinaptogenesi
La sinaptogenesi alla sinapsi neuromuscolare La formazione della sinapsi neuromuscolare è regolata da segnali molecolari che vengono scambiati tra terminale pre e postsinaptico che intervengono su meccanismi diversi a stadi diversi di sviluppo e che fungono da organizzatori di fattori preesistenti (es. vescicole, recettori)
L’attività elettrica influenza lo sviluppo della sinapsi neuromuscolare
L’attività elettrica influenza l’eliminazione sinaptica alla sinapsi neuromuscolare.
La sinaptogenesi nella maturazione delle aree cerebrali Sinaptogenesi nella corteccia visiva Esistono varie onde di sinaptogenesi Manto corticale
La sinaptogenesi nella maturazione delle aree cerebrali Sinaptogenesi nella corteccia cerebrale umana Differenti fasi di sviluppo in aree diverse 7 anni 5 anni 2 anni
La sinaptogenesi nella maturazione delle aree cerebrali Sinaptogenesi nella corteccia visiva Le fasi sono conservate nella filogenesi
La sinaptogenesi rappresenta una delle ultime fasi dello sviluppo del sistema nervoso. Abbiamo visto che lo sviluppo del sistema nervoso richiede: 1. La specificazione del destino delle aree. 2. La specificazione del destino delle singole unità (cellule neuronali e gliali) 3. La formazione delle vie di connessioni tra neurone e neurone 4. La formazione delle sinapsi Questi passaggi non esauriscono il processo di sviluppo, infatti la maturazione funzionale richiede anche il completamento della mielinizzazione degli assoni e la maturazione della sinapsi. Questi due passaggi sono spesso gli ultimi del processo di maturazione e quindi i passaggi limitanti per l’ottenimento di una funzionalità pari a quella dell’adulto.
L’ultimo stadio nello sviluppo del sistema nervoso è la formazione della mielina lungo le vie nervose. Il processo di formazione della mielina avviene in due stadi parzialmente sovrapposti. Studi effettuati sul sistema nervoso centrale hanno mostrato che in un primo stadio gli oligodendrociti vanno incontro a proliferazione e differenziamento, a cui segue un secondo stadio in cui gli oligodendrociti differenziati producono gli avvolgimenti mielinici degli assoni che costituiscono la guaina mielinica vera e propria. Gli oligodendrociti, oltre a formare la mielina, hanno anche effetti sullo sviluppo assonale che permettono di posizionare i canali ionici nell’assone in modo da ottimizzare la trasmissione dei potenziali di azione in presenza della guaina mielinica. Gli oligodendrociti producono infatti fattori capaci di indurre il raggruppamento dei canali sodio voltaggio-dipendenti ai nodi di Ranvier (Kaplan et al. , 1997) necessario per la conduzione saltatoria del potenziale di azione tipica degli assoni mielinizzati. Gli oligodendrociti sono quindi responsabili dello sviluppo delle due strutture principali necessarie per la conduzione saltatoria dei potenziali di azione: la guaina mielinica e i nodi di Ranvier.
In quale fase dello sviluppo avvengono i processi di mielinizzazione? Sebbene nell’uomo i primi processi di mielinizzazione inizino a partire dalla 12 esima-14 esima settimana gestazionale e terminino addirittura nell’adulto, durante la quarta decade di vita, la fase dello sviluppo nel corso della quale la mielinizzazione è prominente è tra la metà della gestazione e il secondo anno di vita. La mielinizzazione giustifica gran parte del massiccio aumento di peso del cervello (una triplicazione) che si ha in questo periodo. Lo studio della mielinizzazione nell’uomo avviene per mezzo di tecniche istologiche e, in maniera non invasiva, attraverso la risonanza magnetica
Gli studi sui processi di mielinizzazione nel bambino che hanno utilizzato la risonanza magnetica hanno dato risultati in buon accordo con i precedenti studi istologici, e hanno portato alla formulazione di cinque regole generali per la mielinizzazione seguite, seppur con qualche eccezione, nella maggior parte delle vie nervose (Kinney et al. , 1994): 1) le parti prossimali delle vie nervose (le più vicine al punto di inizio della via) mielinizzano prima delle parti distali, 2) le vie sensoriali mielinizzano prima delle vie motorie, 3) le strutture al centro del telencefalo maturano prima dei poli emisferici, 4) le vie di proiezione primarie quali ad esempio la via corticospinale piramidale mielinizzano prima delle vie associative. 5) i poli occipitali mielinizzano prima dei poli fronto-temporali.
Le vie intracorticali e il corpo calloso si mielinizzano molto più lentamente, con un processo che inizia dai primi mesi di vita postnatale e dura oltre dieci anni. Le ultime tra le zone corticali a mielinizzarsi sono le aree frontali antero-laterali e il lobo infero-parietale che iniziano il lungo processo di mielinizzazione dopo il primo anno di vita e lo terminano ben oltre i dieci anni di vita. Queste aree associative sono quelle in cui i processi di mielinizzazione si protraggono per maggior tempo nell’intero sistema nervoso.
Quanto dei processi che abbiamo esaminato è controllabile dall’ambiente esterno? L’ambiente esterno è rappresentato dalle interazioni biochimiche dell’embrione con il mezzo in cui è immerso, e, dal momento in cui i circuiti nervosi iniziano ad essere funzionali, l’ambiente esterno è anche codificato dall’attività elettrica dei neuroni. Alterazioni di questi fattori possono alterare lo sviluppo del sistema nervoso. Abbiamo visto che i processi di sinaptogenesi e di mielinizzazione si protraggono ben oltre la nascita. L’influenza dell’ambiente e dell’esperienza sulla formazione e rimozione dei contatti sinaptici è presente quindi per gran parte dello sviluppo postnatale e, per alcune funzioni, è documentabile anche dopo l’adolescenza.
Prossima lezione: Esempi del ruolo dell’esperienza nello sviluppo del cervello e del comportamento (in cui sono ovviamente coinvolti fenomeni di plasticità sinaptica)
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