NEUROSCIENZA E COMPORTAMENTO - Lumsa
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NEUROSCIENZA E COMPORTAMENTO
Le componenti del neurone Neuroni sono strutture complesse costituite da 3 parti: corpo cellulare, dendriti e assone Soma – corpo della cellula parte che elabora l’informazione Dendriti – ricevere messaggi da altri neuroni Assone – trasmette i messaggi in uscita dal soma ad altri neuroni, muscoli o ghiandole (POTENZIALI DI AZIONE) Questi terminano nei bottoni terminali che secernono sostanze chimiche (neurotrasmettitori).
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Cellule della glia Nel nostro cervello ci sono 100 miliardi di neuroni impegnati ad elaborare le informazioni, ma per ogni neurone ci sono da 10 a 50 cellule della glia che svolgono varie funzioni Alcune digeriscono parti di neuroni morti, altre forniscono nutrimento ai neuroni ed altre ancora formano la guaina mielinica che isola l’assone e aumenta la velocità del potenziale d’azione Nelle malattie demielinizzanti (sclerosi multipla) la guaina si deteriora e causa un rallentamento nella trasmissione delle informazioni (perdita sensibilità degli arti, parziale cecità, difficoltà cognitive e nella coordinazione dei movimenti)
Parti del neurone
Il neurone ha 4 parti:
• Zona di ricezione (input)—riceve le
informazioni da altre cellule attraverso
I dendriti
• Zona di integrazione—corpo della
cellula (o soma) che riceve altre
sinapsi (oltre ai dendriti) e integra
informazione ricevuta
• Zona di conduzione—gli assoni
conducono le informazioni fuori dal
soma in forma di impulso elettrico
• Zona di emissione (output)—I terminali
assonici(o bottoni sinaptici)
comunicano l’attività neurale ad altre
cellule attraverso le sinapsi
I neuroni sono specializzati rispetto alla loro funzione: Neuroni sensoriali: ricevono informazioni dal mondo esterno e le trasmettono al cervello tramite il midollo spinale. Hanno sui loro dentriti terminazioni specializzate a ricevere segnali luminosi, sonori, tattili, gustativi etc. Neuroni motori o motoneuroni: trasmettono i segnali neurali dal cervello ai muscoli (spesso lunghi assoni) Gli interneuroni: connettono neuroni sensoriali, neuroni motori ed altri interneuroni
I neuroni sono specializzati rispetto alla
posizione:
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SINAPSI
Il soma e i dendriti ricevono informazioni attraverso le sinapsi
Infomazione si trasmette dal neurone presinaptico al neurone
postsinaptico
Sinapsi hanno tre componenti:
• Membrana presinaptica—parte terminale dell’assone del
neurone presinaptico
• Membrana postsinaptica—sul dendrite o soma del neurone
postsinaptico
• Fessura sinaptica—uno spazio che separa le membrane
• La trasmissione dell’informazione attraverso la sinapsi è
fondamentale per la comunicazione neurale, il processo
che ci consente di pensare, sentire ed agire
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L’organizzazione del sistema nervoso I neuroni sono le unità costitutive dei nervi che consistono in fasci di fibre assoniche e in cellule gliali di supporto Sistema nervoso centrale (cervello e midollo spinale) Sistema nervoso periferico (nervi cranici e nervi spinali)
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Il SN si estende per tutto il corpo
Il SNP è costituito da nervi, o fasci di assoni
• Nervi motori che trasmettono
l’informazione dal midollo spinale e
dall’encefalo ai muscoli e alle ghiandole
• Nervi sensoriali che portano l’informazione
dal corpo al SNCIl SN si estende per tutto il corpo
Il SNP ha tre componenti:
• Nervi del cranio—direttamente collegati
all’encefalo
• Nervi spinali—anche chiamati nervi
somatici, collegati al midollo spinale in
punti regolarmente intervallati
• Il Sistema nervoso autonomo—composto di
nervi che raggiungono gli organi viscerali
(interni)Il SN si estende per tutto il corpo
Nervi spinali—31 paia
• Emergono dal midollo spinale attraverso aperture intervallate della
colonna vertebrale
• Ciascun nervo comprende un gruppo di fibre motorie che
emergono dalla parte ventrale (anteriore) del MS e un gruppo di
fibre sensoriali che emergono dalla parte dorsale (posteriore) del
MS: Prendono il nome dal segmento vertebrale a cui sono connessi:
o Cervicali (collo)—8 segmenti
o Toracici (tronco)—12 segmenti
o Lombari (parte bassa della schiena)—5 segmenti
o Sacrali (pelvi)—5 segmenti
o Coccigei (coccige)—1 segmento19
Il SN si estende per tutto il corpo
Il Sistema nervoso autonomo il sistema attraverso il
quale l’encefalo controlla gli organi interni del corpo
Autonomo si riferisce al fatto che non abbiamo un
controllo conscio e volontario delle sue azioni
Due sistemi:
• Il Sistema nervoso simpatico contiene degli assoni
che partono dal MS e innervano i gangli del
simpatico, piccoli gruppi di neuroni che si trovano
fuori del SNC, disposti in due catene situate ai due
lati del MS
• Le innervazioni del simpatico preparano il corpo
all’azione – la risposta combatti o fuggiIl SN si estende per tutto il corpo
• Il sistema nervoso parasimpatico
o Gli assoni dei nervi parasimpatici emergono nelle
regioni del midollo al di sopra e al di sotto
dell’emergenza dei nervi simpatici
o Terminano molto distante nei gangli
parasimpatici, che si trovano in prossimità degli
organi innervati
o L’attività parasimpatica aiuta il corpo a rilassarsi,
recuperare le energie ed essere quindi pronto ad
azioni future – la risposta riposa e digerisci
o I due sistemi, simpatico e parasimpatico, hanno
effetti diversi sugli organi perchè rilasciano
differenti neurotrasmettitoriIl SNC
IL SNC:
• Consiste nell’encefalo e il midollo spinale
• Il midollo spinale convoglia nell’encefalo
l’informazione sensoriale proveniente dal
corpo e trasporta nei vari distretti del corpo
gli ordini motori dell’encefalo
• L’encefalo pesa in media 1400 grammi (2%
del peso corporeo) è costitiuito da due
emisferi cerebrali24
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Il mesecefalo Il tetto riceve input sensoriale da occhi, orecchie e pelle e muove l’organismo verso lo stimolo ambientale (se sento un click proveniente da destra mentre sono seduto alla scrivania, tutto il mio corpo si muoverà verso quel click e di questo è responsabile il tetto) Il tegmento coinvolto nel movimento e nell’attivazione fisiologica (arousal). Ruolo importante per i neurotrasmettitori coinvolti nell’arousal, nella motivazione e nell’umore. Se rimanessimo soltanto con il romboencefalo e il mesencefalo sopravviveremmo. Il romboencefalo si occuperebbe delle funzioni organiche per sopravvivere (respirazione, sonno veglia..) e ul mesecenfalo ci farebbe allontanare dagli stimoli spiacevoli ed avvicinare a quelli piacevoli.
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Il prosencefalo Il proencefalo costituisce il livello più alto del cervello e controlla complesse funzioni cognitive, emozionali, sensoriali e motorie Corteccia e strutture sottocorticali Strutture sottocorticali Talamo Ipotalamo, ippocampo ed amigdala (sistema limbico) Gangli della base ipofisi
Talamo ed ipotalamo
• Talamo—una sorta di vigile urbano
dell’encefalo – riceve ed indirizza le
informazioni sensoriali e le manda a regioni
appropriate della corteccia
• Ipotalamo—contiene diversi nuclei con
varie funzioni vitali (la fame, la sete, la
termoregolazione, il sesso). Controlla
l’ipofisi e quindi interfaccia tra encefalo e
sistemi endocrini.Talamo ed ipotalamo Talamo: riceve le input da tutti i principali sensi (meno l’olfatto che ha un collegamento diretto con il cervello) Ha un funzione “attiva” di filtro dando importanza ad alcuni input rispetto che ad altri. Durante il sonno chiude le comunicazioni con le vie sensoriali-
Il proencefalo Il prosencefalo costituisce il livello più alto del cervello e controlla complesse funzioni cognitive, emozionali, sensoriali e motorie Corteccia e strutture sottocorticali Strutture sottocorticali Talamo Ipotalamo, ippocampo ed amigdala (sistema limbico) Gangli della base ipofisi
Sistema limbico
Sistema limbico: insieme di strutture proencefaliche -
ipotalamo, ippocampo ed amigdala – coinvolte nella
motivazione, nell’emozione, nell’apprendimento e nella
memoria
ippocampo: essenziale per la generazione di nuovi
ricordi e per la loro integrazione in una rete di
conoscenze
amigdala: ruolo nei processi emozionali e nella
formazioni di ricordi emozionaliNeurobiologia e neuroanatomia delle emozioni
Il condizionamento alla paura
LeDoux (1996)
Risposta di paura Amigdala
stru%ura ad alta plas+cità cerebraleVie neurali coinvolte nella paura
Il proencefalo Il proencefalo costituisce il livello più alto del cervello e controlla complesse funzioni cognitive, emozionali, sensoriali e motorie Corteccia e strutture sottocorticali Strutture sottocorticali Talamo Ipotalamo, ippocampo ed amigdala (sistema limbico) Gangli della base ipofisi
Gangli della base
Insieme di strutture sottocorticali che dirige i movimenti
intenzionali
Ricevono input dalla corteccia ed inviano segnali ai centri
motori nel tronco encefalico
Un parte dei gangli, lo striato, è coinvolta nel controllo della
postura e del movimento (Parkinson)
La carenza di dopamina (causata dalla malattia) influenza
l’attività dello striato dando origine ai sintomi noti (tremori
incontrollabili, scatti improvvisi degli arti e difficoltà ad
avviare una sequenza di movimenti finalizzata ad uno
scopo)Il sistema endocrino Rete di ghiandole che secernono nel sangue gli ormoni; sostanze chimiche che influenzano varie funzioni: metabolismo, crescita, sviluppo sessuale Principali: tiroide, le surrenali, il pancreas, ghiandola pineale, IPOFISI: ghiandola maestra che comunica con l’ipotalamo
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Cervello maturo
I solchi
I giri42
Due colori del tessuto cerebrale:
• Materia bianca—consiste per lo più di assoni
ricoperti da mielina
• Materia grigia—contiene per lo più i corpi delle
cellule e i dendriti che non sono coperti da
mielina
Semplificando si può dire che la materia grigia
riceve ed elabora informazioni e la materia bianca
trasmette informazioniMateria grigia e bianca
Funzionamento della corteccia cerebrale Tre livelli: 1) Distinzione della corteccia in due emisferi 2) Le funzioni svolte da ciascun emisfero 3) Ruolo delle specifiche aree corticali
Organizzazione in due emisferi Tre livelli: 1) Distinzione della corteccia in due emisferi 2) Le funzioni svolte da ciascun emisfero 3) Ruolo delle specifiche aree corticali
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Organizzazione in due emisferi
I due emisferi sono abbastanza simmetrici nell’aspetto
ed in parte nelle funzioni
Ma ciascun emisfero controlla le funzioni del lato
opposto del corpo (controllo controlaterale): il destro
percepisce gli stimoli e controlla il movimento del
lato sinistro del corpo
I due emisferi comunicano tramite commessure, fasci
di assoni: corpo calloso la più voluminosa di questeOrganizzazione entro ciascun emisfero Lobo occipitale: elabora le informazioni visive; danni alle aree visive nel lobo occipitale possono causare cecità totale o parziale; corteccia visiva primaria Lobo parietale: varie funzioni tra cui i) elaborazione tattile (corteccia somatosensoriale); spazio e attenzione Lobo temporale: responsabile dell’udito e del linguaggio (comprensione); Corteccia uditiva primaria; memoria Lobo frontale: corteccia motoria; aree specializzate per il movimento, pensiero astratto, progettazione, memoria e giudizio
Organizzazione entro i singoli lobi
Riguarda la rappresentazione delle informazioni
all’interno dei lobi:
Dalle aree primarie alle aree associativeOrganizzazione entro I singoli lobi I neuroni delle aree associative sono in genere meno specializzati e più flessibili. Possono essere plasmati dall’apprendimento e l’esperienza. Questo modellamento è alla base del concetto di plasticità cerebrale
Lo sviluppo prenatale del sistema nervoso centrale
Strutture del cervello in sviluppo
Suddivisione del sistema nervoso
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I geni, l’epigenetica e l’ambiente Alcune evidenze rivelano che il cervello umano si è evoluto più velocemente del cervello di altri specie Ruolo dei geni E’ la genetica (natura) o l’ambiente (cultura) ad avere la supremazia? Si sa che entrambe hanno un ruolo fondamentale e il focus di interesse ad oggi è di capire come questi due fattori interagiscono (piuttosto di cercare di identificare chi dei due ha un peso maggiore)
Geni e cromosomi Geni sono tratti di sequenze della molecola di DNA che forma i cromosomi I cromosomi si trovano nel nucleo di ogni cellula. All’interno della cellula i cromosomi sono in coppia Ereditiamo 23 cromosomi da ciascuno dei nostri genitori, per un totale di 23 coppie. 22 coppie hanno molecole corrispondenti: ossia abbiamo due geni per ciascuna proteina, uno per ogni cromosoma 22: detti autosomi; la 23esima coppia sono cromosomi sessuali
Cromosomi Femmine: i due cromosomi sessuali hanno geni corrispondenti (XX) Maschi: uno non ha geni corrispondenti ed è conosciuto come Y (XY)
Geni e i suoi prodotti
Si trasmettono di generazioni
DNA in ciascuna cellula del corpo
Espressione di un gene= produzione di una proteina
• Geni sono strutture che producono proteine
Proteine (non i geni!) sono agenti attivi nello sviluppo
• INDIRETTA RELAZIONE TRA GENI E OUTCOMEPrincipi basilari della genetica
Esempio: basi genetiche dell’apprendimento
• Cerchiamo i geni responsabili della sintesi delle proteine
responsabili dell’apprendimento
• Apprendimento: dopamina (neurotrasmettitore)
• Gene che favorisce la sintesi della dopamina
• Quindi….gene che influenza la dopamina e non
l’apprendimentoGeni e i suoi prodotti
EREDITA’ E GENETICA
DNA: acido
desossiribonucleico (Watson
e Crick, 1953)
Assi laterali: molecole di
zucchero e fosfato
Gradini: combinazione di 4
basi azotate
adenina, timina, guanina e
citosinaEREDITA’ E GENETICA
Geni: segmenti di DNA che
dirigono la sintesi delle
proteine e degli enzimi sulla
base delle particolari
sequenze di nucleotidi che
formano il gene
Proteine: regolano lo
sviluppo biologico e fisico
del corpo e degli organiEREDITA’ E GENETICA
Genoma: insieme completo
del materiale genetico di una
specie
Progetto genoma umano: le
23 molecole di DNA
(cromosomi) presenti nelle
cellule umane contengono
da 30.000 a 40.000 geniE’ complicato
Informazione dal gene viene:
• Estratta
• Ricodificata
• Trasformata nelle proteine
Proteine entra
• In un processo interattivo che a cascata
influenza
o Produzione di molti altri geni
o È sottoposto alle influenze ambientaliIl significato dell’ereditabilità Ereditabilità è la proporzione di variablità osservata in un tratto della popolazione che è direttamente prodotta dalla variabilità genetica di quella popolazione. Questo valore può variare tra 0 e 1.0 Quando è uguale a 0 indica che i geni contribuiscono alle differenze individuali L’ereditabilità di molti tratti somatici è molto alta: ereditabilità del colore degli occhi è quasi vicino a 1
Procedure sperimentali per determinare effetti genetici
Uomo: genetica comportamentale
• Tecniche correlazionali: si osserva il fenotipo
comportamentale e con consenso informato
analizziamo il DNA per vedere se correla con il
genotipo
Procedure correlazionali
• Osservazione di concordanza: analisi delle
somiglianze comportamentali (concordanza per un
tratto comportamentale) sui gemelli
• Analisi segregazionale69
concordanza tra
Il ruolo dell’epigenetica
I geni si esprimono nel contesto di un ambiente!!
Epigenetica: quali sono i fattori ambientali che
determinano il fatto che un gene si esprima
oppure no
Paragone con un copione di un filmL’ambiente può modificare espressione genica attraverso i segni epigenetici: modificazioni chimiche del DNA che possono attivare o disattivare i geni 1) metilazione del DNA: addiziona di un gruppo metilico del DNA che va diventare inattivo il gene che viene metilato 2) Modificazione degli istoni: addizione di modificazioni chimiche alle proteine, dette istoni. Questa modifica può sia attivare che spegnere geni Stress e metilazione…
Lo studio delle lesioni cerebrali
Per comprendere meglio il normale funzionamento di un
processo è molto utile capire che cosa succede quando
quel processo non funziona
Gran parte della ricerca in neuroscienze mette in relazione la
perdita di specifiche funzioni percettive, motorie,
emozionali o cognitive con specifiche aree cerebrali
Broca (1861) e Wernicke (1874)
Lobi frontali (Phineas Cage, 1848)
Ruoli distinti degli emisferi sinistro e destro
Split-brain o commissuretomia (Sperry, 1964)74
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Registrazioni da singole cellule
• Sugli animali, e.g., Hubel and Wiesel
• Attività neurale con stimolo
▶L’uso delle immagini del cervello
Tecniche strutturali: forniscono
informazioni sulle strutture del cervello
(TAC, RMN)
Tecniche funzionali (o tecniche di
correlazione anatomo-funzionali):
forniscono informazioni sull’attività del
cervello mentre il soggetto è
impegnato in altri compiti (RMf, PET)Tecniche di neuroimmagine strutturale
Tomografia assiale computerizzata (TAC o TC—ultilizza
l’energia dei raggi X per generare immagini
• Fornisce una mappa anatomica del cervello sulla
base della densità dei tessuti
Principio dei raggi X: la ricostruzione del cervello
avviene attraverso un PC che permette di
distinguere, a seconda della densità, fra sostanzia
bianca, grigia, ossa e liquor cerebrospinaleTecniche di neuroimmagine strutturale
Tomografia computerizzata (TC)
Lesione traumatica Demenza senile tipo Alzheimer
temporale sinistraTomografia computerizzata Vantaggi: • Esame rapido (no anestesia né sedazione) • Poco costoso (RMN) Svantaggi • Esposizione ai raggi X • Non alta definizione immagini • Non vede bene cervelletto
RMN
Risonanza magnetica nucleare
Immagini cerebrali sulla base di
tre fattori:
1) Emissione di impulsi a
radiofrequenze
2) Presenza di un forte campo
magnetico
3) Tessuti differenti nel nostro
cervello
RMN:
Spettroscopia
Voxel-based morphometry
Studi di diffusione e perfusioneRMN
Risonanza
magnetica
nucleare87
ConneLvità stru
Tecniche funzionali: Tomografia a emissione di
positroni (PET)
Misura il flusso sanguigno e produce un’immagine a elevata
risoluzione della distribuzione spaziale di un radionuclide (tracciante)
precedentemente somministrato al soggettoTomografia a emissione di positroni
(PET)
è Viene iniettato nel corpo una certa
quantità di liquido marcato con isotopi
radioattivi
è Misurazione attività metabolica: fornisce
quindi informazioni di tipo quantitativo e
qualitativo sui processi biochimici e
biologici in atto.Tecniche funzionali: Risonanza magnetica funzionale
Rileva l’emoglobina ossigenata e fornisce
Il livello di aLvazione di un’areaRMf meglio della PET per fare esperimenti
92Tecniche di stimolazione (metodi causali)
Attività dell’encefalo studiata attraverso il
magnetismo:
• Stimolazione magnetica transcranicaStimolazione magnetica transcranica Nell’ambito delle neuroscienze cognitive sono state introdotte nuove tecniche per lo studio della relazione tra cervello e comportamento. Nello specifico, la stimolazione cerebrale ha lo scopo di indurre cambiamenti nell’attività corticale, determinando modificazioni nelle risposte comportamentali correlate a specifici processi cognitivi.
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