feed-back

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Meccanismi fisiologici di feed-back

I sistemi di controllo basati sul feed-back consentono di regolare le più disparate funzioni dell’organismo intervenendo su poche e ben definite variabili. Si tratta di processi ‘economici’, facilmente realizzabili ed efficaci.

Alcuni esempi

Vi sono esecuzioni motorie relativamente semplici, quali l’infilare l’estremità di un filo in una cruna di ago, che sono comunque regolate da processi a feed-back. La maggior parte dei sistemi biologici, anche i più semplici, si basano sul controllo di una variabile, sul confronto tra quanto viene realizzato e quanto è atteso per definire un errore, che viene corretto dal sistema dopo essere stato analizzato accuratamente. Questi controlli mirano sia a verificare l’esistenza di un cattivo funzionamento del sistema e il suo livello (come nell’azione di infilare il filo: i tremori della mano, la traiettoria imprecisa, la velocità eccessiva, ecc.), sia a evidenziare eventuali errori indotti dall’esterno (perturbazioni), quali una spinta, un urto ecc.

Altri meccanismi fisiologici di feed-back, spesso portati ad esempio, sono quelli di regolazione ormonale. L’ipofisi è una ghiandola endocrina i cui ormoni controllano la funzione di numerose altre ghiandole; a sua volta l’ipofisi è controllata dall’ipotalamo. Il sistema in questo caso è costituito da assi funzionali che a una estremità hanno l’ipotalamo (che regola l’ipofisi che controlla un’ulteriore ghiandola endocrina). Un tipico esempio è dato dal cosiddetto asse ipotalamo-ipofisi-corticosurrene. Lo scopo finale è regolare la secrezione di cortisolo, uno degli ormoni più importanti, da parte della corteccia del surrene. La variabile da controllare è il livello ematico del cortisolo, ma esiste almeno un’altra variabile, costituita dalla produzione dell’ormone ipofisario destinato a regolare l’ipofisi, l’ACTH (ormone corticotropo). Dunque l’ipotalamo, che controlla l’ipofisi, dovrà essere informato dei livelli di ACTH nel sangue. In tal modo ipotalamo e ipofisi saranno informati su quanto stanno realizzando e, eventuali errori saranno corretti nella sede opportuna (ipofisi e surrene).

Sistemi complessi di regolazione

I meccanismi fisiologici a feed-back non lavorano isolatamente, ma sono tra loro concatenati in modo complesso, anche quando controllano singole variabili. Un importante esempio di tali interazioni è offerto dal controllo dei livelli di ossigeno (O₂), di anidride carbonica (CO₂) e di pH nel sangue. Questi parametri sono concatenati, in quanto la diminuzione di O₂ implica un aumento di CO₂ e questa, ha sua volta, diminuisce il pH. Una simile concatenazione di variazioni, induce ad aumentare la profondità e la frequenza del respiro. In questo caso si tratta di almeno tre processi a feed-back variamente associati. L’importanza di tale interazione è dimostrata dai rischi che si possono avere durante le immersioni in apnea, precedute da iperventilazione. Un soggetto non abbastanza esperto che iperventila prima di immergersi in apnea, induce una diminuzione della CO₂ (respirando più del necessario ed eliminando più CO₂ del dovuto); di conseguenza si determina un aumento del pH (alcalosi respiratoria), ma non un aumento di O₂, poiché anche senza iperventilare la concentrazione di O₂ nel sangue è già ai livelli di saturazione. In queste condizioni, colui che si immerge in apnea, presenta una CO₂ più bassa del normale, un pH anormalmente alto e una concentrazione di O₂ normale. Con il passare del tempo il soggetto consumerà O₂, che diventerà quindi scarso, aumenterà la CO₂ e diminuirà il pH portandoli verso valori normali. Il soggetto si troverà quindi in una situazione in cui il feed-back dell’O₂ segnalerà una carenza, mentre quelli della CO₂ e del pH segnaleranno una situazione di normalità. Questa anomala situazione, in cui due meccanismi fisiologici di feed-back danno valori normali e solo uno valori alterati, non è in grado di indurre il soggetto a risalire e quindi a respirare. Quando la CO₂ e il pH arrivano anch’essi a valori anomali, l’O₂ potrebbe essere ormai così scarso da non essere sufficiente a consentirne una risalita. Quindi l’iperventilazione può mettere fuori gioco il sistema di interazione a feed-back. Un sub esperto, invece, regola l’iperventilazione in base alla conoscenza della sua autonomia di tempo a restare in apnea.

I processi a feed-back interagiscono tra loro legando funzionalmente apparati apparentemente diversi. Le modificazioni della concentrazione di ossigeno, ad esempio, coinvolgono certamente il sistema respiratorio, ma necessariamente anche il sistema cardiovascolare, adibito al suo trasporto. Il controllo dei gas respiratori, attraverso i processi a feed-back collega quindi il sistema cardiovascolare con il sistema respiratorio.

Limiti e vantaggi

L’esempio delle interazioni tra O₂, CO₂ e pH evidenzia la vulnerabilità di un sistema semplice come il feed-back basato su poche variabili. Un altro potenziale limite dei meccanismi a feed-back è rappresentato dal fatto che tale sistema entra in azione solo dopo la registrazione di un errore. In altre parole il sistema di controllo a feed-back ha luogo solo se l’errore ha luogo. Uno dei modi per superare tale limite, trovato dalla natura, è quello di valutare la velocità del cambiamento, così da anticipare l’errore. Del resto la natura ha volto in un vantaggio anche questo difetto (situazione che si riscontra spesso nei nostri apparati): la rilevazione dell’errore serve per apprendere e quindi per far in modo che in futuro l’errore non si ripeta, oppure se ne riduca l’entità.