Capitolo secondo
La scienza studia lâuomo
Le neuroscienze e la genetica aprono degli spiragli sullâuomo
(Gianpaolo Bellini)
Alcune conclusioni alle quali arriva la scienza sono certamente di interesse generale. CosĂŹ nel primo capitolo abbiamo cercato di mettere lâaccento sulla scoperta che tutta la materia è retta da una rete logica, che al concetto di spazio e tempo si sostituisce quello di spazio-tempo, che la struttura dellâUniverso apre allâuomo abissi di spazio e di tempo, che il 95% della massa-energia presente nellâUniverso è qualcosa di misterioso, la cui natura non è stata ancora individuata. Inoltre abbiamo cercato di chiarire il ruolo del âcasoâ, confrontandolo con il âdeterminismoâ delle leggi.
Questo secondo capitolo si presta ancora di piĂš a suscitare lâinteresse di tutti in quanto si parla, con le neuroscienze, dellâuomo, del suo cervello e di come si procede per cercare di capire il suo funzionamento. La genetica, a sua volta, solleva interrogativi estremamente importanti, quali ad esempio la trasmissibilitĂ tra genitori e figli, lâinflusso del patrimonio genetico contenuto nel DNA sul nostro comportamento e sul nostro carattere, nonchĂŠ sulle nostre malattie. Moltissime cose sono ancora da capire ma alcune altre sembrano abbastanza acquisite.
Di cosa si occupano le neuroscienze?
Dal mondo inanimato, cioè la materia e le sue caratteristiche, ora ci avventuriamo in una scienza che riguarda lâuomo e, in particolare, quel suo organo che, anche per il sen-so comune, lo caratterizza in modo eminente rispetto agli altri esseri viventi, ossia il cervello. Le neuroscienze sono quella parte delle scienze che si occupa del nostro cervello, anche se il loro oggetto di ricerca è di fatto tutto il sistema nervoso.
Le neuroscienze sono una disciplina scientifica in qualche modo agli albori sia perchĂŠ quello che studiano è estremamente complicato, con alcune caratteristiche che forse sfuggono in toto alla scienza, sia perchĂŠ lo sviluppo delle metodiche è un poâ allâinizio, anche se alcune cose sono state comprese. Il punto chiave della ricerca attuale è non tanto cosa faccia il cervello, perchĂŠ la corrispondenza fra parti del cervello e azione/sentimento del soggetto è stata in parte compresa, ma con quali meccanismi e con quali mezzi il cervello funzioni, come, ad esempio, i neuroni comunichino e ancora di piĂš che cosa trasmettano lâuno allâaltro; e questa ricerca è ancora abbastanza allâinizio.
Un primo approccio di studio dellâattivitĂ del cervello riguarda la connessione fra alcune attivitĂ della persona e le aree del cervello che vengono sollecitate. Lâoperazione non è semplice perchĂŠ, comunque, si registra (con vari metodi) un grande rumore di fondo dovuto ad altre attivitĂ che inconsciamente il soggetto compie, come ad esempio muovere gli occhi o muovere le dita; per riuscire ugualmente a proseguire in questo studio, il soggetto viene prima registrato a riposo e tale registrazione viene poi sottratta a quella effettuata per studiare le connessioni fra attivitĂ del cervello e azioni dellâindividuo. Questo tipo di studio si può fare sul cervello umano perchĂŠ non è invasivo.
Un altro approccio (studio del meccanismo di funzionamento dei neuroni e delle loro connessioni) utilizza dei metodi piĂš puntuali ma piĂš invasivi e viene praticato soprattutto sugli animali, come topi, scimmie e solo in condizioni particolari (operazioni al cervello, epilessia) anche sullâuomo. Ci sono anche problemi di risoluzione spaziale e temporale, a causa della non buona risoluzione intrinseca dei metodi, e perchĂŠ il campo elettrico registrato, prodotto dalla zona del cervello attivata, attraversa un mezzo non uniforme (il cervello e il cranio).
Câè poi un approccio bio-ingegneristico che cerca di capire con quali programmi il cervello ordini il movimento: cosa importante anche perchĂŠ ci sono di mezzo la robotica e la protesica; in questâultimo caso lo scopo è che lâindividuo con una protesi riesca a muoverla utilizzando proprio gli impulsi che provengono dal suo cervello.
Gran parte del nostro cervello è dedicata al movimento, ossia 50 miliardi di neuroni, mentre la corteccia ne contiene solo 30 milioni. Non è strano, perchĂŠ per il mondo animale il movimento è fondamentale e anche per noi uomini, che abbiamo ereditato, nellâevoluzione, una particolare attenzione del cervello per il movimento, connesso con le funzioni necessarie per vivere, comprese quelle deputate alla sicurezza (reagire ai pericoli in vari modi: combattere, scappare, nascondersi).
LA STRUTTURA NERVOSA DEL CERVELLO
Tutti sanno che il nostro cervello funziona sulla base dei neuroni, ma credo che difficilmente coloro che non si interessano di neuroscienza sappiano qualcosa su come i neuroni operino. Questo è dovuto anche al fatto che gli stessi neuroscienziati hanno faticosamente raggiunto una certa conoscenza dellâargomento, che però è ancora molto incompleta.
I neuroni sono le cellule base del cervello, mentre ci sono anche cellule dette della glia che hanno il compito di proteggere il neurone, nutrirlo e isolarlo per aumentare la velocitĂ di trasmissione dellâimpulso nervoso. Il neurone riceve informazioni, le integra e produce una risposta, trasmette questâultima ad altre cellule nervose oppure mette in moto ghiandole e muscoli. Il corpo base del neurone è quello cellulare che riceve segnali elettrici dallâambiente esterno e produce il cosiddetto potenziale dâazione che invia a uno dei suoi prolungamenti, cioè allâassone. Lâassone in genere è uno solo per neurone ed è rivestito di un manicotto formato da piĂš strati di mielina; questo manicotto si interrompe in piĂš punti in modo che lâassone sia messo direttamente in contatto con lâambiente circostante.
Il potenziale di azione viene trasmesso da un neurone a un altro oppure anche a degli organi quali i muscoli e le ghiandole, attraverso una giunzione che viene detta sinapsi.
Il potenziale di membrana, che normalmente ha valore negativo di -70 Millivolt, viene portato dal potenziale dâazione a +35 Millivolt; la sua azione dura 2 millisecondi, dopodichĂŠ il potenziale della membrana ritorna negativo, anzi un poâ sotto il valore normale, che però viene riassunto subito dopo. Ogni neurone scarica sempre lo stesso potenziale ma ciò che può variare è il numero dei potenziali e la loro frequenza o anche il numero di neuroni attivi, cioè quanti neuroni in quella zona scaricano. Le cellule eccitabili, che comprendono ovviamente i neuroni, sono anche le cellule muscolari, le cellule endocrine e alcune cellule vegetali.
CORRISPONDENZA FRA AZIONI E ATTIVAZIONE DEL CERVELLO
Molte attivitĂ umane, sia di movimento sia di sentimento, hanno una corrispondenza a livello cerebrale. Si ipotizza che questo sia vero in generale. Studiare le reazioni del cervello è unâinfinita avventura per capire finemente come avviene questa attivazione cerebrale, il come e il dove.1 Lo studio delle reazioni del cervello avviene con vari metodi, non invasivi, come la risonanza magnetica funzionale, lâelettro-encefalografia e la magneto-encefalografia, la tomografia a emissione di positroni (meno utilizzata a questo scopo).
Secondo il neuroscienziato Vittorio Gallese2 bisogna però stare attenti a non considerare il cervello come un sistema avente solo una funzione computazionale. Gallese non parla piĂš di cervello ma di brain-body perchĂŠ il cervello è situato in un corpo che sta in un mondo con le nostre caratteristiche; il cervello non può essere considerato come qualcosa a sĂŠ, completamente avulso dallâorganismo del quale fa parte.
Metodi per lo studio delle attivazioni del cervello
Uno dei metodi utilizzati per lo studio delle attivazioni del cervello è la risonanza magnetica funzionale (fMRI-functional magnetic resonance imaging) che misura il metabolismo3 delle cellule neuronali attraverso una rilevazione del flusso sanguigno. Lâaumento del flusso sanguigno è connesso con lâapporto di sostanze nutrienti necessarie al metabolismo e quindi è un segnale della maggiore attivitĂ delle cellule neuronali corrispondenti. Questo metodo ha il vantaggio di avere una buona risoluzione spaziale (2-4 millimetri), ma lo svantaggio di una non buona risoluzione temporale (1-4 secondi).4
Un altro metodo è lâelettro-encefalogramma (EEG), che utilizza elettrodi fissati sullo scalpo, mentre per lo studio di zone anche abbastanza lontane dagli elettrodi si utilizza la magneto-encefalografia (MEG).5 Ambedue questi metodi hanno una risoluzione temporale molto buona (millisecondi), mentre quella spaziale è decisamente cattiva (qualche centimetro).
Infine abbiamo la tomografia a emissione di positroni (PET) che segnala zone ad alto metabolismo e quindi con maggiore afflusso di sangue.6
Cosa si impara?
Il lavoro con le tecniche ora descritte ha prodotto la possibilitĂ di fare una mappatura del cervello indicando le aree deputate alle varie attivitĂ dellâuomo, sentimenti compresi. Quindi, non solo sappiamo che tutte le nostre azioni passano attraverso il cervello, ma riusciamo anche a sapere quali parti di esso si attivano.
Esempio: sappiamo che lâarea coinvolta nel caso del linguaggio è situata nel lobo frontale sinistro e si chiama zona di Broca dal medico che lâha individuata.7 Un altro esempio riguarda il comportamento sociale conseguente al riconoscimento dei sentimenti espressi dal volto di unâaltra persona, per il quale si attivano le cellule neuronali soprattutto dellâemisfero destro.
Va però detto che le varie parti del cervello non si occupano esclusivamente di una delle attivitĂ o dei sentimenti; non câè una corrispondenza uno a uno fra tutte le attivitĂ e sentimenti delle persone e una zona del cervello, perchĂŠ in generale il sistema è multimodale, per cui ad esempio lâarea di Broca, adibita allâattivitĂ linguistica, si attiva anche per altre cose. Analogamente, le parti neo-corticali che sono adibite al moto hanno anche il compito di notare il movimento di altre persone che vengono viste dallâindividuo. Ugualmente ci sono aree che hanno funzioni piĂš antiche che vengono mantenute, ma che nel frattempo si attivano anche per altre ragioni.
Questa attivitĂ di mappatura è ed è stata molto utile per capire molte cose sul funzionamento del cervello. Le conclusioni che si possono trarre da tutte le misure fatte è che, a quanto sembra, qualunque cosa noi facciamo o sentiamo o pensiamo passa attraverso il cervello. In piĂš possiamo avere unâidea anche di quale parte del cervello sia coinvolta e queste informazioni ci permettono di fare ricerche su alcune capacitĂ dellâuomo, come quella di utilizzare un linguaggio.
Naturalmente queste misure sperimentali non hanno nessuna influenza sul concetto che possiamo avere della personalitĂ dellâuomo in quanto non hanno alcun collegamento con la coscienza e coloro che pretendono di andare oltre fanno delle considerazioni che non hanno nessuna valenza scientifica.
Esperimenti diretti sui neuroni
Un altro approccio utilizzato dalle neuroscienze è uno studio puntuale dei neuroni e del loro comportamento; fino a qualche anno fa questo tipo di esperimenti non era possibile perchĂŠ le tecniche non permettevano di registrare piĂš di una singola cellula. Lâimportante novitĂ sta nel poter registrare il comportamento in vivo di molti neuroni (da qualche decina a qualche migliaio, a seconda della particolare tecnica) simultaneamente e con risoluzione temporale inferiore a 100 millisecondi (nel caso di registrazioni con elettrodi anche di qualche frazione di millisecondo). Una seconda novità è lâoptogenetica, ovvero la tecnica che permette di eccitare o inibire singoli neuroni (o singole classi di neuroni) utilizzando luce laser. Queste tecniche sono applicate principalmente ad animali; piĂš recentemente si è potuto registrare attraverso elettrodi il segnale di singoli neuroni anche in pazienti epilettici.
Per dare unâidea piĂš precisa di cosa stiamo parlando, la cosa migliore è descrivere, come esempio, esperimenti sui topi. Si apre una piccola finestra nel cranio8 per arrivare al cervello; in tal modo è possibile attivare o disattivare neuroni eccitatori del movimento, inducendo il topo a eseguire delle azioni o, viceversa, impedendoglielo. Se il topo sta correndo, inviando impulsi laser e attivando i neuroni inibitori della corteccia motoria, il topo si ferma di colpo; o viceversa si può indurre il topo a muovere un arto attivando, sempre attraverso impulsi laser, alcune popolazioni di neuroni eccitatori della corteccia motoria. Utilizzando questa tecnica laser è possibile manipolare anche i circuiti responsabili della memoria. Un esempio di esperimento è il seguente: si procede a un condizionamento del topo per indurlo ad abbeverarsi a una sorgente posta alla sua sinistra oppure alla sua destra a seconda che venga raggiunto da un tipo o un altro di segnale; utilizzando vari metodi si può arrivare a una percentuale di risposte corrette anche del 95 per cento. Ora, se inviamo un impulso laser nella regione antero-frontale della corteccia, è possibile degradare di molto, fino a eliminarla, la memoria dello stimolo che induce il topo ad abbeverarsi a destra o a sinistra. In questo modo si è modificata la memoria a corto termine. Se poi il laser viene disattivato il topo ricomincia a essere condizionato come prima: cosĂŹ a essere modificata non è la memoria ma solo le connessioni fra la memoria e i neuroni.
Per studiare la biofisica di un neurone un metodo è quello di inserire nel cervello del topo un elettrodo e inviare con esso delle scariche elettriche attraverso la membrana del neurone, per osservare come reagisce. Quello che normalmente viene attivato o disattivato è un insieme di neuroni: si va da una decina di neuroni fino a registrare la reazione di 200 neuroni. à possibile anche agire sul singolo neurone, ma il processo è piÚ complicato (il nucleo del neurone varia da 5 a 50 micron). Per capire il ruolo di una certa area del cervello si deve agire però su gruppi di neuroni perchÊ lavorando su uno solo generalmente non si riescono a osservare delle variazioni significative, anche se recenti esperimenti hanno mostrato che si può operare anche su gruppi estremamente piccoli di neuroni.
Un altro mezzo utilizzato per poter capire meglio come avvengono le connessioni si basa sullâosservazione del cervello con un microscopio elettronico mediante il quale si possono osservare scambi di proteine luminescenti fra neuroni: questa è la cosiddetta calcium imaging, perchĂŠ gli indicatori contengono calcio che si sa essere connesso con i segnali elettronici; si può cosĂŹ osservare come avviene la trasmissibilitĂ delle informazioni fra lâuno e lâaltro neurone. Ă interessante lâesperimento che si può fare con il pesce zebra, che è trasparente e quindi permette di osservare i segnali luminosi emessi dai neuroni che vengono attivati a seconda dei movimenti del pesce stesso: alla fine si ottiene una specie di mappa dei neuroni connessi con i movimenti.
TEMPI DI REAZIONE DEI NEURONI
Ci si chiede se il cervello faccia in tempo a intervenire in tutte le nostre azioni, anche quelle quasi istintive, come ad esempio sterzare quando troviamo un ostacolo davanti allâauto che stiamo guidando. Generalmente il tempo necessario perchĂŠ un individuo diventi cosciente di qualcosa è di 200-300 millisecondi, cioè il tempo in cui i segnali arrivino alla corteccia. Ma, ad esempio nelle situazioni pericolose, la reazione arriva prima che il sentimento raggiunga la coscienza, per mezzo di vie piĂš brevi. Nelle reazioni a situazioni di pericolo che coinvolgono i muscoli, lâattivazione avviene attraverso neuroni presenti direttamente in essi. Ma qual è la velocitĂ di reazione del cervello in confronto al tempo di risposta del neurone e al tempo di apertura di una sinapsi? Facciamo lâesempio della vista: i nostri recettori ottici trasmettono impulsi al nostro cervello in modo che la formazione dellâimmagine avvenga attraverso sei o sette stadi, in un primo stadio per esempio vengono ricostruiti i contorni di un oggetto, in un secondo si comincia a osservarne il contenuto e cosĂŹ via; i colori vengono presi in considerazione per ultimi. Tutto il processo che avviene fra il momento in cui i nostri recettori ottici osservano un oggetto e il momento in cui lo realizziamo è rapido, piĂš o meno un decimo di secondo; questa scala di tempi è equivalente a quella di un singolo neurone. Ci si chiede come la risposta del cervello possa essere cosĂŹ rapida, dovendo lâinformazione passare da diverse aree cerebrali prima di essere ricostruita ed essere percepita correttamente.
La conclusio...