neuroscienze
Insieme delle discipline che studiano i vari aspetti morfofunzionali del sistema nervoso mediante l’apporto di numerose branche della ricerca biomedica, dalla neurofisiologia alla farmacologia, dalla biochimica alla biologia molecolare, dalla biologia cellulare alle tecniche di neuroradiologia.
Sviluppi
Storicamente le n. nascono con l’identificazione del neurone quale unità cellulare autonoma e funzionalmente indipendente del sistema nervoso. Gli studi svolti per definire le proprietà del neurone si sono giovati dei progressi compiuti in diverse discipline, in particolare utilizzando metodiche atte a misurare spostamenti ionici e molecolari a livello subcellulare e, grazie a originali approcci di psicofarmacologia, dei progressi ottenuti nelle conoscenze sui sistemi integrati alla base delle variazioni comportamentali dell’individuo.
Nell’ambito delle indagini delle n. sono stati scoperti i neurotrasmettitori come l’acetilcolina, la 5-idrossitriptamina, il GABA (acido gamma-amminobutirrico) e sono stati analizzati gli aspetti strutturali dei recettori di membrana per diverse molecole con funzioni di neurotrasmettitori. In particolare è stato dimostrato il rapporto tra le differenze conformazionali dei recettori di membrana e le risposte specifiche indotte a livello cellulare. Di particolare interesse è stata l’identificazione delle endorfine e dei loro recettori sulle cellule nervose. Le endorfine hanno come bersaglio alcune molecole che fungono da recettori per gli oppiacei. Con l’identificazione e lo studio delle endorfine si è sviluppato un nuovo approccio all’analisi di sostanze che esplicano una funzione modulatrice sulla genesi e sulla trasmissione dell’impulso nervoso. Nell’ambito delle ricerche sulla differenziazione cellulare operata da sostanze chimiche, sono state identificate molecole che giocano un ruolo fondamentale sulla crescita e sul trofismo della cellula nervosa. Il prototipo di tali sostanze è il nerve growth factor (➔ NGF) isolato all’inizio degli anni 1950 da R. Levi-Montalcini e S. Cohen.
In pratica le n. hanno contribuito, per quanto riguarda l’aspetto biomolecolare, a definire il funzionamento del neurone, il ruolo dei neurotrasmettitori, delle molecole neuromodulanti e di quelle ad azione trofica. In parallelo, l’approccio biomedico ha consentito di impiegare varie tecniche di indagine per esplorare l’assetto anatomo-funzionale del sistema nervoso quale unità integrata, sia in condizioni normali che patologiche. In tal senso vanno visti i progressi compiuti nella neuroradiologia e in quelle tecniche particolarmente raffinate che vedono un ampio impiego nella diagnostica clinica (tomografia computerizzata, a risonanza nucleare magnetica, a emissione di positroni). L’approccio delle n. si è quindi esteso alla descrizione delle molecole in grado di controllare la genesi di alcune proteine cerebrali (ingegneria genetica). In particolare la biologia molecolare ha permesso di studiare sequenze amminoacidiche di peptidi che sembrano svolgere un ruolo fisiologico o patologico, in rapporto alle diverse condizioni di isolamento e caratterizzazione.
In un’accezione più ampia le n. includono anche gli studi di psiconeurofarmacologia, attraverso i quali sono state analizzate le complesse interazioni tra substrati del sistema nervoso centrale, la distribuzione di varie molecole e lo stato del funzionamento cerebrale (attività dei nuclei cerebrali, vigilanza, sonno, espressione degli stati d’ansia, regolazione dei livelli emozionali). Ne sono derivate acquisizioni di impiego pratico importantissimo nella sintesi di psicofarmaci ampiamente usati nella terapia degli stati neurotici e psicotici.
Attività mentali e cerebrali
Uno dei principali temi di discussione di filosofi e scienziati del 20° sec. è stato se le attività ‘mentali’ come il pensiero, le emozioni, l’autocoscienza e la volontà siano funzioni differenti dalle attività ‘cerebrali’ quali il movimento di un arto, la percezione di un colore ecc., o se anch’esse rappresentino espressioni funzionali dei neuroni che costituiscono il cervello. La distinzione fra attività mentali e cerebrali, alla luce delle attuali conoscenze appare artificiosa a chi pratica una delle numerose discipline che costituiscono le n., quali la neurofisiologia, la neurobiologia, la neurochimica e la neurofarmacologia. Le attività mentali e quelle cerebrali sono infatti semplicemente l’espressione unica e indivisibile delle attività degli elementi neuronali e gliali che costituiscono l’organo cervello. Anche se l’espressione è diversa nella qualità e nei modi con i quali si manifesta, entrambe le attività sono dovute a un unico meccanismo con il quale i neuroni comunicano fra loro e con il resto dell’organismo. Secondo questa concezione, le attività cosiddette mentali debbono essere considerate proprietà emergenti, frutto di una somma talmente complessa di attività neuronali più semplici da costituire un salto quantitativo sostanzialmente ancora indecifrabile. Del resto, la vita stessa ha le medesime caratteristiche. Nessuna delle attività chimiche che si svolgono all’interno di una cellula, prese singolarmente, ha i connotati della vita ma, nel loro insieme, tutte le reazioni molecolari coordinate e organizzate entro i confini di una membrana cellulare permettono l’emergere e l’affermarsi di funzioni vitali.
Discipline come la biologia dello sviluppo e la genetica analizzano i meccanismi che presiedono alla formazione delle cellule nervose e delle cellule gliali a partire dai primi abbozzi del sistema nervoso. Il problema centrale di questi studi è quello di valutare quali sono le componenti genetiche e quali le influenze epigenetiche (➔ epigenesi) che presiedono alla progressiva specializzazione funzionale dei neuroni, e alla formazione di quel complesso intreccio di fibre nervose che costituisce un esempio finora insuperato di miniaturizzazione, tale da formare un insieme di circuiti dotati di circa 1015 contatti sinaptici in poco più di un chilogrammo di massa cellulare. Ciò che emerge dall’insieme di questi studi è che, a grandi linee, i circuiti e la loro realizzazione sono codificati nel genoma dell’animale, mentre gli stimoli ambientali svolgono un ruolo fondamentale per la definitiva realizzazione dei collegamenti sinaptici.
I neuroni, organizzati in reti, gangli, centri e altre strutture molto complesse, elaborano gli impulsi nervosi, li memorizzano ed emettono risposte comportamentali come il movimento in generale, la ricerca del ci;bo, l’accoppiamento, la fuga di fronte al pericolo ecc. Le unità di base di queste strutture a livello della corteccia cerebrale sono le strutture colonnali, presenti nella corteccia dei Mammiferi in quantità proporzionale al numero dei neuroni. Si calcola che ognuna di queste strutture sia composta da un minimo di 500 a un massimo di 10.000 neuroni. Una colonna è collegata con altre colonne adiacenti e con quelle lontane, situate in altre aree corticali. Tramite questa organizzazione il cervello elabora l’informazione contemporaneamente in serie e in parallelo. Le colonne sono presenti in tutte le aree corticali dedicate alla percezione degli stimoli, alla loro elaborazione e all’emissione di una risposta. Collegato al processo di elaborazione è quello della memoria degli eventi che devono essere registrati per un periodo più o meno lungo. Presumibilmente tutti i neuroni sono dotati di elementi molecolari che permettono di fissare gli eventi sinaptici per un determinato periodo di tempo. Tale funzione cerebrale, essenziale per ogni attività nervosa di qualsiasi animale, è da lungo tempo oggetto di studi della più svariata natura (➔ memoria). Con approcci multidisciplinari e interdisciplinari si prospetta dunque, nel futuro, la possibilità di delucidare i meccanismi tramite i quali i neuroni, organizzati in strutture tridimensionali di varia natura e di varia entità, elaborano l’informazione in arrivo, la memorizzano, se necessario, ed emettono una risposta comportamentale.
Questi studi cominciano a fornire informazioni di fondamentale importanza anche sulla natura dei processi mentali come coscienza, volontà e memoria, problemi enormemente complessi che costituiscono il nocciolo del terzo livello di funzioni cerebrali. È probabile che una volta compresi a fondo i primi due livelli, quello delle funzioni dei singoli neuroni e quello delle attività delle reti neuronali, si potrà giungere alla delucidazione del tipo di circuiti o attività nervose con cui siamo in grado di poter decidere un determinato atto motorio o rievocativo del passato e dei meccanismi mediante i quali il nostro encefalo, nello stesso momento in cui opera l’elaborazione degli input sensoriali, ci rende coscienti dell’insieme di queste operazioni.