Cosa sono le Neuroscienze?

All’interno delle scienze cognitive un ruolo importante è svolto dalle neuroscienze o neurobiologia. Le neuroscienze rappresentano lo studio scientifico del sistema nervoso. Si tratta di un ambito al quale afferiscono l’anatomia, la biologia molecolare, la matematica, la medicina, la farmacologia , la fisiologia , la fisica, l’ingegneria e la psicologia. Il termine neuroscienze deriva dall’inglese “neurosciences“, neologismo coniato dal neurofisiologo americano Francis O. Schmitt. Egli sostenne che se si voleva ottenere la totale comprensione della complessità del funzionamento cerebrale e mentale dovevano essere rimosse tutte le barriere tra le diverse discipline scientifiche, unendone le risorse. Il primo gruppo di ricerca creato prese il nome di Neurosciences Research Program, ed era costituito da scienziati di diversa formazione.

Secondo le neuroscienze le rappresentazioni mentali sono modelli di attività neurale e l’inferenza, o ragionamento deduttivo, consiste nell’applicazione di tali modelli alle diverse situazioni per affrontarle e risolverle.

Le neuroscienze indagano lo sviluppo, la maturazione ed il mantenimento del sistema nervoso, la sua anatomia, il suo funzionamento, le connessioni esistenti tra le diverse aree cerebrali e i comportamenti manifesti. Le neuroscienze cercano di comprendere non solo come lavora il sistema nervoso in condizioni di sanità, ma anche, quando non funziona adeguatamente. Il funzionamento cerebrale deficitario si mostra attraverso la presenza di disturbi dello sviluppo, psichiatrici e neurologici. Lo scopo delle neuroscienze è anche effettuare studi empirici allo scopo di prevenire il verificarsi di diversi deficit e di curare questi ultimi attraverso una serie di compiti riabilitativi messi a punto ad hoc.

Le principali branche delle neuroscienze

La disciplina scientifica delle neuroscienze rappresenta un ambito variegato e multidisciplinare, che come già visto include la biologia, le scienze psicologiche, la neurologia, l’anatomia, la fisiologia, etc. All’interno di tale vasto panorama multidisciplinare è possibile identificare alcune branche principali, che sono spesso correlate e interdipendenti. Ad esempio, le più rilevanti sono le seguenti:

Psicobiologia: la psicobiologia consiste nello studio e nell’a pplicazione dei principi della biologia all’analisi dei processi psicologici e comportamentali sia nell’uomo che negli animali. La psicobiologia approfondisce in tal senso la fisiologia e la genetica implicate in tali processi e funzioni psicologiche.

Neuroscienze cognitive: le neuroscienze cognitive si occupano dei substrati biologici, neurologici e cerebrali che sono implicati nelle diverse funzioni e processi mentali cognitivi, come ad esempio la memoria, l’attenzione, la categorizzazione, le funzioni esecutive. In particolare le neuroscienze cognitive, così come altre branche delle neuroscienze, ha tratto enorme vantaggio dall’introduzione e utilizzo delle tecniche di neuroimaging, come ad esempio la tomografia ad emissione di positroni (PET) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) in grado di attuare un’indagine diretta dell’attività cerebrale durante l’esecuzione di specifici compiti correlati alle diverse funzioni e processi psicologici. L’ importanza di queste metodologie d’indagine – rispetto ad altre metodologie fisiologiche – sta nel fatto che rendono possibile studiare l’attivazione del cervello nella sua integrità, senza alcuna invasività e senza alcuna interferenza con le normali funzioni cerebrali.

Neuroscienze affettive: le neuroscienze affettive consistono nella ricerca in ambito dei meccanismi neurali e cerebrali che si attivano in relazone all’insorgenza dei processi emotivo-affettivi e motivazionali, nonché in relazione alla regolazione emotiva. Le neuroscienze affettive studiano tali meccanismi sia sugli animali sia su esseri umani sani o affetti da specifiche patologie neuro-psichiatriche.

Neuropsicologia: la neuropsicologia è una disciplina che deriva dalla psicologia e dalle neuroscienze. La neuropsicologia nasce nel XIX secolo con gli studi su animali e umani aventi lesioni a carico del sistema nervoso, ma divenne fondamentale dopo la seconda guerra mondiale, quando nacque la necessità di trattare i veterani di guerra che riportavano lesioni cerebrali. La neuropsicologia studia l’espressione comportamentale di una serie di deficit cerebrali. Si occupa, specificamente, di come il cervello possa influenzare cognizione e comportamenti in persone che mostrano lesioni o malattie cerebrali. La neuropsicologia si occupa della valutazione e nel trattamento di pazienti con lesioni cerebrali o malattie a carico del sistema nervoso. Attraverso l’esame neuropsicologico è possibile valutare le funzioni cognitive, come la memoria, il linguaggio, l’attenzione, l’organizzazione e la pianificazione, e comportamentali e la relazione esistente con il deficit presentato. Un’accurata valutazione neuropsicologica è fondamentale per avere una diagnosi delle funzioni cognitive ed è determinante per un adeguato intervento terapeutico e riabilitativo. Lo scopo, dunque, della neuropsicologia, è individuare il deficit presentato dal paziente e riabilitarlo, oltre a trattare le diverse implicazioni psicologiche derivanti dal disturbo stesso e riguardanti la sfera emotiva.

Neuroscienze computazionali: le neuroscienze computazionali consistono nell’applicazione di modelli matematici per comprendere al meglio i meccanismi che sottendono il funzionamento del cervello e del sistema nervoso, anche in relazione a diverse funzioni cognitive. Le neuroscienze computazionali utilizzano simulazioni computazionali per validare i modelli matematici in relazione al funzionamento del cervello animale e umano.

Neurolinguistica: la neurolinguistica è una branca delle neuroscienze che nasce dall’integrazione tra linguistica, neuroscienze cognitive e psicologia dello sviluppo. La neurolinguistica si occupa di studiare i correlati anatomo-fisiologici cerebrali del linguaggio e dei suoi deficit (per esempio in seguito a lesioni cerebrali). Anche in questo caso le tecniche di neuroimaging sono fondamentali per lo studio di tali processi linguistici dal punto di vista neurale e cerebrale.

Neuroscienze cellulari e molecolari: le neuroscienze cellulari e molecolari nascono dall’integrazione tra la biologia, biologia molecolare, la genetica molecolare esaminando la biologia del sistema nervoso a diversi livelli. A livello molecolare, si analizzano i meccanismi con cui i neuroni si esprimono rispondendo ai segnali molecolari e come gli assoni formino configurazioni complesse di connettività. In tal senso si utilizzano gli strumenti della biologia molecolare e della genetica per capire come i neuroni si sviluppano e come i cambiamenti genetici influenzino le funzioni biologiche. Le neuroscienze cellulari si occupano dello studio delle cellule cerbrali, cioè neuroni e la loro morfologia e fisiologia. In particolare studia il processamento e la trasmissione dei segnali fisiologici ed elettrochimici da parte delle neuriti e da parte dei neuroni.

Storia delle neuroscienze

Lo studio del sistema nervoso e del cervello nelle sue funzioni ha una lunga storia. Galeno, medico dell’Antica Roma, è uno dei primi a collocare la mente nel cervello ed è il primo ad osservare che ci possono essere disfunzioni mentali a seguito di danni cerebrali.

Lo studio scientifico del cervello nacque verso la fine dell 1800 a seguito dell’invenzione del microscopio e dello sviluppo di una procedura di colorazione da parte di Camillo Golgi. Attraverso un particolare metodo di colorazione, Golgi scoprì la struttura reticolare del cervello: il cervello è costituito da reti, e le reti sono costituite da cellule distinte, i neuroni. Si deve al medico spagnolo Santiago Ramon y Cajal (1852-1934) la prima concettualizzazione di un modello di neurone. Secondo questo modello il neurone è un corpo cellulare (soma) dal quale si espandono i dendriti da un lato e l’assone dall’altro. La connessione tra i diversi neuroni darebbe luogo alle reti neurali. Questi studi neuroscientifici valsero a Golgi e a Ramon y Cajal il premio Nobel per la medicina nel 1906.

Il primo a individuare la suddivisione del cervello in aree funzionali fu Franz Joseph Gall, padre della frenologia; all’epoca della frenologia si credeva che specifiche conformazioni del cranio fossero associate determinate caratteristiche di personalità degli individui (concetto non confermato dalle attuali neuroscienze).

Fu in seguito Paul Broca ad iniziare ad associare a specifiche aree cerebrali, non tanto caratteristiche di personalità quanto alcune funzioni psicologiche quali il linguaggio, associata alla cosidetta area di Broca. Carl Wernicke portò avanti in modo ancora più specifico la teoria della specializzazione di specifiche strutture cerebrali nella comprensione e produzione del linguaggio.

All’inizio del XX secolo il neurologo tedesco Broadmann mise a punto la cosiddetta mappa citoarchitettonica di Broadmann, una mappa di specifiche aree cerbrali corticali che si attivano durante l’esecuzione di compiti specifici e specifiche funzioni psicologiche. Ancora oggi nell’ambito delle neuroscienze viene utilizzata e citata la mappa citorarchitettonica di Broadmann.

Ad oggi, nel panorama scientifico contemporaneo sono presenti diverse organizzazioni e associazioni relative alle neuroscienze allo scopo di fornire un collegamento tra i vari ricercatori e professionisti di questa area disciplinare. Già a partire dagli anni sessanta è stata fondata l’International Brain Research Organization, l’International Society for Neurochemistry, la European Brain and Behaviour Society e la Society for Neuroscience nel 1969.

Neuroscienze e le tecniche di neuroimaging

I neuroscienziati molto spesso eseguono esperimenti controllati, attraverso tecniche di neuroimaging, Risonanza Magnetica funizonale (fMRI), Tomografia Assiale a emissione di Positroni (PET), MagnetoEncefalografia (MEG), Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS), etc., che consentono di registrare l’attività neurale e, di conseguenza, di identificare le regioni del cervello coinvolte nello svolgimento di una serie di attività. In questo modo si ottengono delle mappe funzionali di particolari aree del cervello imputate allo svolgimento di specifici compiti.

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una tecnica introdotta di recente per studiare nel dettaglio l’attività cerebrale. Essa nasce negli anni novanta ad opera di Thulborn e Ogawa, che intuirono l’importanza dell’ossigenazione sanguigna nel tempo (segnale BOLD, Blood Oxygenation Level Dependent), per acquisire immagini relative a una determinata area cerebrale. L’effetto BOLD era stato studiato da L. Pauling, che l’aveva legato a delle immagini strutturali cerebrali per renderle più informative da un punto di vista funzionale. La risonanza magnetica funzionale, dunque, permette di localizzare l’attività cerebrale sfruttando le variazioni emodinamiche. Questo metodo di indagine si basa sul cambiamento del segnale MRI, al quale si associa la risposta emodinamica e metabolica in una regione in cui si ha un’attivazione neuronale indotta da stimoli interni o esterni. L’fMRI, è legata strettamente a contesti sperimentali e di ricerca per individuare, sia in soggetti normali che in soggetti patologici, le aree del cervello attivate durante compiti di stimolazione. In questo modo si ottengono mappe di attivazione (funzionali) che consentono di illustrare quali aree cerebrali sottendono funzioni cognitive specifiche. Chiaramente i compiti fatti svolgere da un soggetto in fMRI sono specifici rispetto a una funzione svolta da una determinata area. L’fMRI lavora in relazione ai cambiamenti di magnetizzazione che si registrano tra il flusso ematico povero di ossigeno ed il flusso ematico ricco di ossigeno, avendo come base da cui partire acquisizioni di immagini MRI anatomiche del soggetto, che consentono di ricostruire l’intera struttura cerebrale di base. Quando si genera un incremento di attività cerebrale in un’area si determina un maggiore afflusso sanguigno in quell’area con conseguente aumento locale della quantità di ossigeno. Di conseguenza anche il flusso sanguigno aumenterà perché è necessaria una quantità maggiore di emoglobina ossigenata. Nelle aree attivate, quindi, l’aumento della concentrazione di ossiemoglobina è indice di un incremento dell’attività elettrica cerebrale. La fMRI non produce immagini dirette di quello che avviene nel cervello, poiché queste immagini sono un effetto indiretto, derivante dalla risposta emodinamica, dell’attività neuronale. Si tratta, sostanzialmente, di mappe di distribuzione statistica, derivate da effetti medi, dell’attivazione di un’area nello svolgimento di un compito specifico.

La PET e SPECT (tomografia computerizzata a emissione di fotoni singoli, single photon emission computed tomography), sono largamente impiegate nella pratica clinica specialmente in neurologia, poiché consentono una dettagliata analisi a livello dell’attività metabolica del sistema nervoso centrale, e di conseguenza una accurata diagnosi precoce di molte importanti patologie. A differenza della radiografia, della TAC e della risonanza magnetica strutturale, strumenti che restituiscono immagini prettamente anatomiche di alterazioni morfologiche sul distretto cellulare analizzato, la PET fornisce informazioni di tipo funzionale, ovvero determina quali zone del corpo metabolizzano maggiormente un tracciante, sostanza che permette di rilevare con maggiore precisione un’area che funziona di più rispetto ad altre. Per alcuni aspetti la PET è simile alla Risonanza Magnetica funzionale, ma le informazioni fornite sono più dettagliate e accurate.

La stimolazione magnetica transcranica, o TMS, è una tecnica non invasiva di stimolazione elettromagnetica, a corrente indotta, del cervello e del sistema nervoso in generale. Essa consente di studiare il funzionamento dei circuiti e delle connessioni neuronali all’interno del cervello, provocando una micro lesione transitoria che inibisce il funzionamento dell’area oggetto d’indagine. La stimolazione magnetica transcranica comporta la stimolazione profonda ma non invasiva e indolore del cervello, allo scopo di ottenere risposte in relazione all’area cerebrale stimolata e per modificarne l’eccitabilità e la plasticità. La stimolazione magnetica transcranica è largamente utilizzata a scopo di ricerca, ma di recente sono stati osservati benefici in ambito clinico, dove è utilizzata per trattare disturbi psichiatrici e neurologici quali la depressione, le allucinazioni, la malattia di Parkinson. L’utilizzo della stimolazione magnetica transcranica è stato approvato dalla Food and Drug Administration (FDA) per essere utilizzata nel trattamento dell’emicrania. Mentre, l’utilizzo della TMS ripetuta (rTMS) è consentito nel trattamento della depressione resistente ad altri trattamenti, sia terapeutici sia farmacologici.