Una mostra/evento presentata lo scorso agosto al Meeting di Rimini ci introduce nelle meraviglie e nelle grandi domande relative al cervello umano, indagando soprattutto gli ambiti medico-neurologici e bioingegneristici.
Al Meeting per l’Amicizia tra i Popoli di Rimini, anche in quest’ultima edizione 2019 non poteva mancare la mostra scientifica organizzata dall’Associazione Euresis – composta prevalentemente da ricercatori e professori e studenti universitari in ambito scientifico – in collaborazione con Camplus – associazione che offre servizi di ospitalità ed educativi rivolti principalmente a studenti universitari.
Come si evince dal nome della mostra – “What’s in our brain? La meraviglia del cervello umano” – il tema scelto attiene l’ambito medico-neurologico e bioingegneristico. Data l’estensione dell’argomento i contenuti scientifici sono stati sintetizzati in tre aree tematiche (chiamati corner), ognuna realizzata da un team guidato da un diverso esperto:
• il biofisico Samir Sweiss, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università degli Studi di Padova. Esperto di sistemi complessi attraverso metodi statistici (in particolare quelli viventi), ha curato l’allestimento del primo corner dedicato ai meccanismi che consentono la percezione e sensazione;
• il neurologo Mauro Ceroni, professore associato presso il Dipartimento di Scienze del Sistema Nervoso e del Comportamento dell’Università degli Studi di Pavia, che ha coordinato il secondo corner;
• il bioingegnere Sergio Martinoia, professore ordinario presso il Dipartimento di Informatica, Bioingegneria, Robotica dell’Università degli Studi di Genova. Ha curato il terzo corner relativo ai segnali neuronali e ai modelli del cervello.
La sequenza in cui sono stati ordinati i tre corner ha seguito una logica precisa: se nel primo si gettano le basi per la comprensione dei meccanismi principali attraverso cui è possibile all’uomo conoscere la realtà, nel secondo si specifica la struttura anatomica e fisiologica del sistema nervoso (SN), composto da SN centrale – cervello, alla cui base c’è il cervelletto, midollo spinale e tronco encefalico – e SN periferico (i fasci di nervi in tutto il corpo). Infine, nel terzo si descrive quali sono gli strumenti tecnologici che consentono attualmente di studiare tali meccanismi.
In ogni corner i visitatori potevano porre eventuali domande alle guide preposte a spiegare la mostra col supporto di exhibit, di pannelli illustrati e di video.
Prima di passare alla descrizione sommaria della mostra mi sembra opportuno mettere in evidenza quali siano le due idee di base che si sono volute comunicare.
La prima è che qualsiasi cosa pensiamo o facciamo, è possibile rintracciare all’interno del sistema nervoso un cambiamento strutturale. Ciò non significa ridurre la consistenza umana esclusivamente alla sua parte organica, piuttosto puntualizzare che realmente l’uomo è un essere completamente incarnato, per cui non ha ragion d’essere il dualismo materia/spirito.
In questo senso comprendere cosa, dove e come si modifica l’organismo potendo seguire tutto il percorso seguito dagli impulsi che si propagano all’interno dei miliardi di reti di neuroni, cioè le cellule che costituiscono il sistema nervoso – attraverso gli attuali strumenti tecnologici, pur con un certo grado di approssimazione -, non equivale ad esaurire l’esperienza personale che si fa quando si guarda un tramonto o si va in bicicletta.
Al contrario conoscere i meccanismi che stanno alla base di essa, semmai, aumenta la percezione del mistero che siamo, che supera enormemente quanto potremo mai conoscere sul cervello attraverso un metodo scientifico. Lo scopo delle citazioni di scienziati o scrittori riportate sulle pareti del corridoio di entrata e nella sala incontri, dove si proiettava un video introduttivo, era proprio quello di condurre i visitatori a questo tipo di riflessioni.
La seconda idea fondante è che il nostro cervello è plastico, ovvero in grado di apprendere e conoscere per tutto l’arco vitale. Per questo motivo il modo migliore per restare giovani è tenerlo sempre attivo e in allenamento, mantenendo un atteggiamento di apertura e curiosità anche quando si diventa più anziani.
In casi di gravi malattie, in primis quelle neurodegenerative, il processo di decadimento delle funzioni cognitive e motorie può essere notevole. Tuttavia in certi casi di lesioni importanti di alcune aree del cervello, esiste una possibilità di ripresa e di recupero (anche se non totale), come viene testimoniato per esempio dal primo video in un caso di ictus.
Ora specificherò in sintesi i contenuti dei tre corner soffermandomi sugli aspetti di maggior interesse didattico.
Il primo corner permette, come abbiamo già detto, di comprendere la differenza tra sensazione e percezione. La percezione rispetto alla sensazione è una forma di elaborazione delle informazioni più complessa.
Infatti non coinvolge solo l’area somato-sensoriale del cervello ma anche, per esempio, l’area della memoria, così da attingere a informazioni pregresse che permettano di dare senso alle immagini decodificate. È proprio quanto avviene quando siamo “ingannati” dalle illusioni ottiche: il cervello cerca di interpretare delle immagini “credendo” di vedere elementi che in realtà non ci sono.
Alcuni esempi di questo tipo vengono riportati, in particolare la camera di Ames riprodotta in dimensioni naturali.
Ma cosa sono le aree di cui abbiamo parlato? Come viene spiegato nel secondo corner, la corteccia cerebrale è sede non solo delle elaborazioni più complesse tipicamente umane – quella cognitiva, mnemonica, del linguaggio eccetera – ma anche di quelle che ci consentono di avvertire sensazioni e di muoverci, grazie a specifiche aree identificate istologicamente e poi numerate dal professor Broadman all’inizio del ventesimo secolo (in tutto sono 52).
Solo in seguito si è scoperto che a tali aree corrispondono specifiche funzioni, sempre avallando la prima idea fondante della mostra, sebbene da questo punto di vista non esista un determinismo netto. Infatti nella maggior parte delle situazioni molteplici aree agiscono sinergicamente e in un modo che può differenziarsi in ogni persona grazie alla plasticità di cui è dotato il cervello.
Le variazioni soggettive dipendono anche dalle diverse esperienze di ognuno.
Riguardo alla sensazione viene chiarito che in effetti esistono altri sensi oltre ai cinque canonici ben noti; solo per citarne due, il senso della tensione dei muscoli e della pressione arteriosa. In totale ne sono stati individuati 24. Le sensazioni, attraverso i recettori, vengono trasmesse attraverso un sistema ramificato di neuroni – come già aveva compreso Golgi nel 1873 tramite la colorazione cromoargentica – dalle zone periferiche del nostro corpo ad una parte più interna del cervello, il diencefalo, in particolare il talamo. Questi costituisce il centro regolatore di tutti gli stimoli (non solo sensoriali ma anche motori) che, infine, giungono all’area somato sensoriale della corteccia cerebrale.
Per comprendere tale meccanismo è stato realizzato un exhibit prendendo come esempio di riferimento il senso del tatto. Esso riproduce il percorso effettuato dagli impulsi che provengono dall’ambiente esterno e che vengono tradotti in segnali elettrici dai recettori. I recettori non sono altro che neuroni, ognuno dotato, come tutte le cellule nervose (come spiegato all’inizio del corner due), di corpo cellulare provvisto di filamenti detti dendridi, assone e sinapsi, cioè la parte terminale ramificata attraverso cui i neuroni comunicano tra loro.
Tuttavia le loro strutture possono variare a seconda del tipo di recettore, cioè della loro funzione specifica. Si verifica che, a seconda della frequenza degli impulsi rilevata dai recettori, i segnali elettrici seguiranno una delle due vie ben distinte e ben identificabili nel loro percorso: quella termo-dolorifica – se la frequenza è più alta – o quella discriminativa e propriocettiva atta a ricevere informazioni sugli oggetti che tocchiamo (per esempio se è ruvido o liscio).
Entrambe le vie – entrambe definite afferenti per indicarne il verso – deviano il proprio percorso per arrivare all’emisfero opposto rispetto a dove è stato ricevuto lo stimolo. Però nel primo caso la deviazione avviene alla fine del midollo spinale, nel secondo all’inizio, in corrispondenza del tronco encefalico.
A questo punto possiamo notare che esistono due analogie tra il meccanismo che regola il funzionamento delle sensazioni rispetto a quello dei movimenti descritto nel corner due.
La prima è che si presenta anche a livello motorio l’incrocio di cui abbiamo appena parlato: il movimento del braccio destro (per esempio) sarà azionato e coordinato dall’emisfero sinistro e viceversa, privilegiatamente dall’area motoria primaria, sebbene in questo caso il percorso nervoso sia efferente, poichè gli impulsi elettrici partono da un’area della corteccia, limitrofa a quella sensoriale, (non a caso l’impulso motorio nasce spesso a seguito di un impulso sensoriale) per arrivare poi ai muscoli.
La seconda analogia tra via sensoriale e via motoria consiste nel fatto che in entrambi i casi è possibile individuare delle sottoaree di controllo all’interno dell’area cerebrale (motoria o sensoriale che sia), tanto più estese quanto più è ampia la gamma di movimenti che riusciamo a compiere o di sensazioni che rileviamo; l’esempio più eclatante da questo punto di vista sono le mani, attraverso cui siamo in grado di suonare perfino uno strumento musicale e dove anche il tatto è ben sviluppato in corrispondenza dei polpastrelli.
Esiste dunque una diretta proporzionalità tra superficie dell’area coinvolta e quantità di impulsi di tipo sensitivo o motorio che il nostro cervello elabora. Questo aspetto esemplifica in modo efficace sempre la prima idea di fondo di cui parlavo.
Riguardo al movimento vengono identificate tre principali modalità di attivazione. Si scopre così che la classica distinzione tra movimento volontario e involontario è del tutto semplificata. In effetti esistono tre vie principali: quella piramidale, che arriva fino alla corteccia cerebrale in una sua area specifica (la motoria primaria di cui si è già parlato); quella extrapiramidale, che ha sede principalmente in nuclei della base (in posizione sottocorticale) e che è preposta al controllo e all’avvio di movimenti associati ed espressivi facciali e corporali, alla masticazione, alla fonazione, alla deglutizione, alla stazione eretta. Tali funzioni, con relativo danneggiamento osservato nei nuclei della base, sono sensibilmente compromesse in malattie come il morbo di Parkinson. Infine, la via che fa capo al cervelletto, preposta all’apprendimento di sequenze di schemi motori che richiedono precisione (per esempio quelli che ci consentono di guidare). Sarà a causa della necessità di memorizzare tanti schemi motori di una certa complessità che il cervelletto contiene quasi la metà di tutti i neuroni del sistema nervoso centrale (50 miliardi circa).
Tuttavia non tutti i movimenti si esauriscono in quelli appena esposti: la regolazione della respirazione, della frequenza cardiaca e della circolazione sanguigna avviene per esempio soprattutto grazie al tronco encefalico.
Un video che ha catturato l’attenzione di molti mostrava come, grazie alla plasticità del nostro cervello, sia possibile apprendere un nuovo schema motorio (quello che ci consente di andare in bicicletta col manubrio con i sensi di direzione scambiati) e, una volta appreso, non risulta più necessario pensare ad ogni singolo movimento che si compie.
L’exhibit delle palline da tirare indossando occhiali prismatici che spostano la visione dell’immagine verso destra, aveva lo stesso scopo. Un bambino ha il cervello più plastico, quindi impiega meno tempo di un adulto ad apprendere il nuovo schema motorio. Lo schema motorio precedente non viene dimenticato. Tuttavia l’accesso ad esso non è automatico e dunque ci vuole un po’ di tempo per riattivarlo.
L’aspetto più interessante del secondo corner ritengo sia stata la possibilità di spiegare alcuni dei contenuti già descritti ed altri ancora attraverso il modello di cervello scomponibile in 14 parti in rapporto 5:2 rispetto alla realtà. Infatti in questo modo si sono potute con chiarezza individuare le sue parti principali: i due emisferi tenuti uniti dal corpo calloso, i lobi frontale, temporale, parietale, occipitale, il chiasmo ottico in prossimità dei nervi olfattivi, osservando le circonvoluzioni della corteccia cerebrale (la parte esterna) formata da sostanza grigia, come i nuclei della base, in cui sono presenti prevalentemente i corpi cellulari dei neuroni.
La sostanza bianca, invece, costituisce la parte interna del cervello dove sono maggiormente presenti gli assoni (rivestiti di mielina) riuniti in fasci. Nel midollo spinale si verifica esattamente l’opposto: la sostanza bianca si trova nella parte interna, quella grigia nella parte esterna.
Alla base del cranio si vede bene l’ipofisi, che controlla l’attività metabolica dell’organismo producendo ormoni e che fa parte dell’apparato endocrino assieme all’ipotalamo. Vicino a quest’ultimo si individuano anche il già citato talamo e l’epitalamo (la cui funzione è principalmente olfattiva).
Nel corner due viene anche spiegata la modalità attraverso cui è possibile la trasmissione del segnale elettrico all’interno dei neuroni, attraverso un modello meccanico che rappresenta una delle tante proteine situate sulle loro membrane dove non è presente la guaina mielinica.
In ogni neurone, infatti, si deve stabilire una differenza di potenziale elettrico (tra l’interno e l’esterno della cellula) di -70 mV (definito a riposo) affinché l’impulso elettrico possa propagarsi; questo avviene tramite la pompa sodio potassio.
Ogni proteina ospita e trasporta gli ioni sodio e potassio in direzioni opposte: tre ioni sodio positivi vengono portati verso l’esterno a fronte di due ioni potassio positivi condotti verso l’interno con un consumo di una molecola di ATP.
In seguito il gradiente di concentrazione chimico attiva naturalmente un processo opposto (ioni sodio entrano, ioni potassio escono) in grado di invertire la polarità interna a 30-40 mV. Tutto il meccanismo ciclico viene definito potenziale d’azione.
Infine il terzo corner, che descriverò molto brevemente, mostrava le tecniche di registrazione degli impulsi delle cellule nel nostro cervello: l’elettroencefalogramma e la risonanza magnetica funzionale, attraverso cui è possibile conoscere le aree della corteccia che si attivano quando svolgiamo determinate azioni, grazie alla possibilità di rilevare in esse una maggior concentrazione di ossigeno.
Oppure i segnali neuronali possono essere decodificati e interpretati da microelettrodi che consentono di muovere protesi robotiche predisposte per pazienti paralizzati.
Suggestivo da questo punto di vista l’exhibit della pista di macchinine telecomandate che si muovono con la forza del pensiero di una persona concentrata, che indossa un caschetto rivelatore di onde cerebrali sempre grazie alla presenza di microelettrodi.
Nadia Correale
(Docente di Matematica e Scienze alla Secondaria di I° grado, membro della redazione della rivista Emmeciquadro)