NEUROSCIENZE
SCIENZA DEL CERVELLO
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Una introduzione per giovani studenti
Titolo originale:
Capitoli 10-11
Neuroscience - Science of the Brain
prodotto dalla British Neuroscience Association
Traduzione italiana di Gabriele Garbin, PhD
Stampato in proprio e distribuito gratuitamente da:
Centro Interdipartimentale per le Neuroscienze dell’Università di Trieste - BRAIN (Basic Research And Integrative Neuroscience) e
Comitato per la Promozione delle Neuroscienze
per Neuroscience Cafè e International Brain Bee
Con il contributo di:
Provincia di Trieste
Regione Autonoma
Friuli Venezia Giulia
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10 - La Plasticità
Il nostro cervello cambia continuamente durante la nostra vita. Questa capacità del cervello di cambiare è detta
plasticità - si pensi ad un modellino di
plastilina le cui componenti interne
possano essere costantemente rimodellate. Non è il cervello nella sua totalità a poter essere modificato bensì
i singoli neuroni e per diverse ragioni:
durante lo sviluppo nella fase giovanile,
se sopravviene un trauma, e durante
l’apprendimento. Esistono vari meccanismi di plasticità, il più importante
dei quali è la plasticità sinaptica – la
scienza che studia come i neuroni modifichino le loro capacità di comunicare
l’uno con l’altro.
Plasmare il nostro avvenire
Come abbiamo visto nel capitolo precedente, le connessioni fra i neuroni nei
primi anni di vita richiedono una regolazione fine. Quando interagiamo con l’ambiente circostante, queste connessioni
sinaptiche cominciano a cambiare – ne
vengono create di nuove, vengono rese
più forti quelle più utili, mentre le connessioni meno usate si fanno più deboli o
vengono persino eliminate. Le sinapsi attive e quelle che cambiano attivamente
vengono mantenute, quelle inattive vengono eliminate. Il nostro cervello viene
allora modellato attraverso una sorta di
criterio di usa o getta.
Le trasmissioni sinaptiche coinvolgono il
rilascio di un neurotrasmettitore chimico
che poi attiva specifiche molecole proteiche dette recettori. La normale risposta elettrica al rilascio del neurotrasmettitore è una misura della forza si-
Il glutammato viene liberato dalle terminazioni presinaptiche, attraversa lo spazio
sinaptico e si lega ai diversi recettori (AMPA, NMDA e mGLUR) che si trovano sulla membrana della terminazione postsinaptica dell’altro neurone. In alcune sinapsi,
oltre ai recettori per il glutammato se ne trovano anche per il kainato.
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naptica. Essa può variare ed il cambiamento può durare pochi secondi, alcuni
minuti o persino una vita intera. I neuroscienziati sono particolarmente interessati dai cambiamenti di lunga durata nella forza sinaptica che possono essere
prodotti da brevi periodi di attività neuronale, individuabile in due processi noti
come potenziamento a lungo termine
I recettori NMDA (in rosso) sono le macchine molecolari per l’apprendimento. Il
neurotrasmettitore è rilasciato sia a riposo
che durante la induzione della LTP (in alto a
sinistra). Il sito dove Mg2+ (piccoli cerchi
neri in alto a destra) blocca i canali al Ca2+
si trova all’interno della membrana cellulare
e si sposta in seguito a una forte depolarizzazione (schema successivo, sotto). Questo
si verifica qando i neuroni modificano le loro connessioni con altri neuroni. La LTP può
essere espressa sia con un maggior numero
di recettori AMPA (in giallo in basso a sinistra) che con recettori AMPA più efficienti
(in basso a destra).
(LTP), che causa un aumento della forza,
e depressione a lungo termine (LTD),
che ne causa una diminuzione.
Il sapore della plasticità
Il glutammato è un comune amminoacido
che viene impiegato in tutto il nostro
corpo per costruire le proteine. Potreste
essere incappati in questo elemento sotto forma di ingrediente per esaltare i
sapori noto come monoglutammato di sodio. È il neurotrasmettitore che funziona
nelle sinapsi più plastiche del nostro cervello – quelle che manifestano LTP e
LTD. I recettori del glutammato, che
sono posizionati soprattutto nella parte
ricevente della sinapsi (terminazione
post-sinaptica), sono disponibili in quattro varietà: tre di esse sono recettori
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ionotropici, detti AMPA, NMDA e kainato. Il quarto tipo è un recettore metabolico ed è detto mGluR. Anche se questi
quattro tipi di recettori per il glutammato rispondono tutti allo stesso neurotrasmettitore, essi hanno funzioni diverse.
I recettori ionotropici per il glutammato
usano i loro canali ionici per generare un
potenziale eccitatorio post-sinaptico
(epsp) mentre i recettori metabolici per
il glutammato, come le operazioni neuromodulatorie descritte in precedenza,
modulano la dimensione e la natura della
risposta. Tutti questi tipi sono importanti per la plasticità sinaptica, ma i recettori AMPA e NMDA sono quelli su cui si
hanno più informazioni, e vengono spesso
ritenuti essere delle molecole della memoria. La maggior parte di queste conoscenze è derivata dai lavori per sviluppare nuovi farmaci che agiscono su questi
recettori per modificare le loro attività.
I recettori AMPA sono i più rapidi ad
entrare in azione. Quando il glutammato
si lega a questi recettori, essi aprono
rapidamente i loro canali ionici per produrre un potenziale transiente eccitatorio postsinaptico (gli epsp sono descritti
nel Capitolo 3). Il glutammato resta legato ai recettori AMPA solo per una
frazione di secondo e, quando si distacca
e viene rimosso dalla sinapsi, i canali ionici si chiudono ed il potenziale elettrico
ritorna al sui stato di quiete. Questo è
ciò che accade quando i neuroni nel cervello si inviano informazioni l’un l’altro
velocemente.
I recettori NMDA: macchine molecolari che avviano la plasticità
Il glutammato si lega anche ai recettori
NMDA sul neurone postsinaptico. Questi
sono delle importanti macchine molecolari che danno l’avvio alla plasticità neuronale. Se la sinapsi è attivata lentamente,
i recettori NMDA non giocano alcun ruolo o quasi. Questo avviene perché appena
i recettori NMDA aprono i loro canali
ionici essi vengono riempiti da un altro
ione presente nella sinapsi, il magnesio
(Mg++). Invece, se le sinapsi vengono attivate da un gran numero di impulsi che
arrivano molto velocemente ad un insieme di punti d’ingresso sul neurone, i recettori NMDA rilevano immediatamente
questa eccitazione. Questa aumentata
attività sinaptica causa una notevole depolarizzazione nel neurone postsinaptico
e questa causa l’espulsione di Mg++ dai
canali ionici dei recettori NMDA con un
processo di repulsione elettrica.
Apparato sperimentale per registrare i
minus.coli voltaggi elettrici che si trovano
nelle sinapsi
I recettori NMDA sono allora immediatamente in grado di partecipare alla comunicazione sinaptica, e lo fanno in due
modi: anzitutto, come i recettori AMPA,
portano Na+ e K+ che causano la depolarizzazione; secondo, consentono al calcio
(Ca++) di entrare nel neurone. In altre
parole, i recettori NMDA percepiscono
le attività neuronali intense e inviano un
segnale al neurone sotto forma di un’ondata di Ca++. Questa ondata di Ca++ è peraltro breve, dura non più di un secondo,
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mentre il glutammato è legato ai recettori NMDA. Il Ca++ è un componente cruciale poiché segnala al neurone anche
l’istante in cui i recettori NMDA sono
stati attivati.
Una volta entrato nel neurone, il Ca++ si
lega a proteine situate molto vicine alle
sinapsi nelle quali i recettori NMDA sono
stati attivati. Molte di queste proteine
sono fisicamente connesse con i recettori NMDA con cui costituiscono una macchina molecolare. Alcune sono enzimi che
sono attivati dal Ca++ e questo causa la
modificazione chimica di altre proteine
all’interno della sinapsi o nelle sue vicinanze. Queste modificazioni chimiche
sono la prima fase della formazione della
memoria.
I recettori AMPA: le nostre macchine molecolari
per immagazzinare i ricordi
Se l’attivazione dei recettori NMDA avvia la plasticità sinaptica nella connettività fra i neuroni, che cosa causa la variazione nella forza? Si potrebbe pensare che venga rilasciato un ulteriore trasmettitore chimico. Questo può accadere, ma siamo abbastanza sicuri che vi sia
una serie di meccanismi che coinvolgono i
recettori AMPA sul lato post-sinaptico
della sinapsi. Ci sono molti modi in cui
questo può accadere. Un modo potrebbe
consistere nel far funzionare i recettori
AMPA in maniera più efficiente, ad
esempio facendo passare più corrente
nel neurone a seguito dell’attivazione. Un
secondo modo potrebbe essere quello di
consentire che un maggior numero di recettori AMPA siano inseriti nelle sinapsi.
In entrambe i casi si ottiene un epsp più
grande: è il fenomeno della LTP. La variazione opposta, una riduzione di efficienza o del numero di recettori AMPA,
può causare una LTD. La bellezza di questo meccanismo per causare LTP e LTD
sta nella sua semplice eleganza: può avvenire in una singola spina dendritica e in
tal modo alterare la forza sinaptica in
maniera altamente localizzata. La memoria potrebbe essere organizzata in questo modo: un argomento sul quale ritorneremo nel capitolo successivo.
Esercitare il cervello
Le variazioni nel funzionamento dei recettori AMPA non sono tutta la storia.
Quando le memorie diventano più permanenti, nel cervello avvengono dei cambiamenti strutturali. Le sinapsi contenenti un maggior numero di recettori
AMPA in seguito all’induzione di LTP
cambiano forma o possono aumentare di
dimensioni, oppure nuove sinapsi possono
comparire da un dendrite cosicché il lavoro di una sinapsi possa ora essere svolto da due. All’opposto, le sinapsi che
hanno perso recettori AMPA in seguito
all’induzione di LTD possono rimpicciolirsi e morire. La materia fisica di cui il nostro cervello è composto si modifica in
risposta all’attività cerebrale. Ai cervelli
piace esercitarsi: esercizi mentali, naturalmente! Come i nostri muscoli si fortificano quando facciamo esercizio fisico,
così ora sembra che le nostre connessioni sinaptiche diventano più numerose e
meglio organizzate quando le usiamo molto.
La mente sulla memoria
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La possibilità di apprendere bene è
grandemente influenzata dal nostro stato emozionale – tendiamo a ricordare
eventi associati ad esperienze particolarmente allegre, tristi o dolorose. Inoltre, impariamo meglio quando stiamo attenti! Questi stati della mente coinvolgono il rilascio di neuromodulatori, come
l’acetilcolina (durante l’attenzione più
elevata), dopamina, noradrenalina ed ormoni steroidei come il cortisolo (durante
eventi inattesi, stress e ansia). I modulatori agiscono sui neuroni in diversi
modi, molti dei quali riguardano modificazioni del funzionamento dei recettori
NMDA. Altre azioni coinvolgono l’attivazione di speciali geni associati specificamente all’apprendimento. Le proteine
che vengono così prodotte aiutano a stabilizzare il fenomeno LTP ed a farlo durare più a lungo.
Il medico interno
La plasticità sinaptica ha un’ulteriore
funzione importante nel nostro cervello:
può aiutarlo a guarire da un danno. Ad
esempio, se i neuroni che controllano
particolari movimenti vengono distrutti,
come capita in caso di infarto o di un
grave colpo alla testa, non tutto è necessariamente perso. Nella maggior parte
dei casi, i neuroni stessi non ricrescono.
Accade invece che altri neuroni si adattano ed a volte assumono funzioni simili a
quelle dei neuroni persi, formando un’altra rete simile alla precedente. Questo è
un processo di ri-apprendimento e mette
in luce determinate capacità riabilitative
del cervello.
Jeffery Watkins, un chimico medico che ha
dato uno straordinario impulso allo studio
della trasmissione sinaptica eccitatoria nel
cervello sviluppando molecole come la AP5
(sotto) che agiscono su specifici recettori
per il glutammato.
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11 - Apprendimento e Memoria
I ricordi sono al centro della nostra
individualità. Quello che ciascuno di
noi ricorda è diverso dai ricordi di
chiunque altro, anche nel caso di
esperienze in comune. Comunque, ciascuno a modo proprio, tutti noi ricordiamo eventi, fatti, sentimenti, emozioni e capacità - alcune per breve
tempo, altre per tutta la vita. Il cervello ha molti sistemi per la memoria
con diverse caratteristiche e mediati
da reti neuronali differenti. Si ritiene
ora ampiamente che la formazione di
nuovi ricordi dipenda dalla plasticità
neuronale, come descritto nel capitolo
precedente, ma siamo ancora poco
certi dei meccanismi neurali di richiamo delle informazioni. Anche se tutti
noi ci lamentiamo sempre della nostra
memoria, nella maggior parte dei casi
essa è abbastanza buona, tendendo a
diminuire solo con l’avanzare degli anni
o in caso di certe malattie neurologiche. Potrebbe essere una buona cosa
tentare di migliorare la memoria, ma
facendo così si potrebbe avere l’inconveniente di ricordare anche cose che
forse sarebbe meglio dimenticare.
L’organizzazione della
memoria
Il sistema della memoria di lavoro, a breve
termine, del cervello
Non esiste una sola area del cervello in
cui tutte le informazioni che apprendiamo non passino per essere immagazzinate. La memoria a breve termine (o memoria di lavoro, working memory) mantiene le informazioni nella mente per un
breve tempo in uno stato attivo di coscienza. Il magazzino più grande di informazioni, che le immagazzina passivamente, è detto memoria a lungo termine.
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La memoria a breve termine
Come una lavagna sulla quale scrivere
nomi e numeri di telefono che ci servono
solo per poco tempo, il cervello ha un sistema che contiene ed utilizza una piccola quantità di informazioni molto accuratamente. Utilizziamo questo sistema per
ricordare una conversazione sufficientemente a lungo da comprenderne il senso, per fare le operazioni aritmetiche a
mente, e per ricordare dove e quando
abbiamo messo le chiavi appena un istante fa. Il punto centrale del sistema è la
sua affidabilità – una caratteristica che
si paga con una limitata capacità di contenimento e persistenza. Si dice spesso
che si possono ricordare 7 ± 2 oggetti
nella memoria a breve termine; questo è
il motivo per il quale la maggior parte dei
numeri di telefono ha 7 o 8 cifre, ma ricordarli accuratamente è essenziale. Si
può dimostrare la limitata capacità e
persistenza della memoria a breve termine con un piccolo esperimento che si
può fare con gli amici (vedi casella).
Un sistema esecutivo centrale controlla
il flusso di informazioni, aiutato da due
ulteriori magazzini per la memoria. Uno
di essi è un magazzino fonologico, che
opera un ciclo silenzioso di prova – la
piccola parte del cervello che si usa per
dire le cose a se stessi. Anche leggendo
parole o numeri, ciò che viene visto è
un’informazione che sarà trascritta in un
codice fonologico e immagazzinata per
un breve periodo in questo sistema a due
compartimenti. Esiste anche una lavagna
per il sistema visivo, che può contenere
le immagini degli oggetti per il tempo necessario affinché i nostri occhi interiori
possano manipolarlo.
Un esperimento sulla memoria a breve
termine
Un test molto semplice sulla memoria a breve termine, o memoria di lavoro, è noto come
“letter spam”. Servono almeno due persone,
anche se funziona meglio con l’intera classe.
Senza che gli altri vedano, uno scrive una
serie di lettere, cominciando da 2, facendo
attenzione che non compongano una parola.
La stessa persona scriverà poi altre serie di
lettere, ogni volta con una lettera in più (ad
esempio, una serie di cinque lettere potrebbe essere QVHKZ e una di dieci potrebbe
essere DWCUKQBPSZ). L’esperimento inizia
quando tutte le serie sono preparate. L’altra
persona (o la classe) ascolta, una alla volta,
le serie di lettere e, dopo 5 secondi, prova
scrivere le lettere nell’ordine corretto, richiamandole dalla memoria. Cominciando dalla facile serie di due lettere, il test della
memoria va avanti con serie sempre più lunghe. Molte persone possono eseguirlo correttamente fino a 7 o 8 lettere, poi gli errori aumentano sempre di più. La capacità della
memoria a breve termine è stata descritta
come “il magico numero 7 più o meno 2”.
La memoria a breve termine è localizzata
principalmente nei lobi frontale e parietale. Gli studi di brain-imaging (vedi
più avanti) usando la PET e la fMRI indicano che le aree uditive della memoria a
breve termine sono generalmente lateralizzate nei lobi frontale e parietale sinistri, dove interagiscono con le reti neuronali coinvolte nella parola, nella pianificazione e nella presa di decisioni. Queste sono attività per le quali una buona
memoria a breve termine è essenziale.
La lavagna per il sistema visivo è invece
lateralizzata nell’emisfero destro (vedi
la Casella al termine di questo capitolo).
Come si è evoluta la memoria a breve
termine? Gli animali, persino la maggior
parte dei mammiferi, probabilmente non
hanno lo stesso tipo di sistema per la
memoria a brave termine che hanno gli
esseri umani, e certamente questa non si
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è evoluta per consentire ai primi ominidi
di ricordare i numeri di telefono! Gli
studi su bambini molto piccoli individuano
un ruolo fondamentale per la memoria a
breve termine nell’apprendimento del
linguaggio, suggerendo che questo sistema possa essersi evoluto con la capacità
di parlare. La precisione richiesta per
ricordare le parole pronunciate e il loro
ordine in una frase è un fattore critico
per ottenere un significato corretto in
modo accurato.
temporale mediale attraverso una cascata di interconnessioni responsabili del
riconoscimento della forma,dedl colore,
dell’identità dell’oggetto e se esso sia o
meno familiare, fino a quando viene formato un qualche tipo di memoria di quel
particolare oggetto e di dove e quando è
stato visto.
La memoria a lungo termine
Anche la memoria a lungo termine è suddivisa in differenti sistemi localizzati in
reti che si estendono ampiamente nel
Ciò che conosciamo degli animali è organizzato in una struttura ad albero. Non sappiamo, ancora, come la rete di neuroni del
cervello lo faccia.
Ci sono molti modi di pensare a quest’analisi a cascata. Anzitutto, nella corteccia si trovano aree che estraggono
una rappresentazione percettiva di
quello che stiamo guardando. Questa è
usata per immagazzinare e successivamente riconoscere gli oggetti che ci circondano. La nostra capacità di rico-
La cascata di aree cerebrali attraverso le
quali le informazioni visive sono prima elaborate percettivamente e poi per la memoria
cervello. Le differenti reti eseguono operazioni molto diverse. Sommariamente,
possiamo dire che l’informazione entra
attraverso il sistema sensoriale e prosegue attraverso percorsi sempre più specializzati per elaborarla. Ad esempio,
l’informazione proveniente dal sistema
visivo attraversa la cosiddetta “via ventrale” dalla corteccia striata al lobo
Gli schimpanzè hanno imparato a raccogliere le termiti usando un ramoscello. I
giovani scimpanzè imparano guardando i
genitori.
noscere personaggi familiari nelle vignette satiriche dei giornali, come i per8
sonaggi politici, è conseguenza di questo
sistema. Un sistema strettamente correlato a questo è quello della cosiddetta
memoria semantica – il grande supermercato della conoscenza di tutti gli
eventi che abbiamo accumulato riguardo
al mondo. Sappiamo che Parigi è la capitale della Francia, che il DNA contiene il
codice genetico sotto forma di una sequenza di coppie di elementi di base, e
così via. La particolarità di questo sistema è che i fatti sono organizzati in categorie. Ciò è vitale per poter ricordare,
poiché il processo di ricerca può andare
avanti e indietro lungo diagrammi ad albero che percorrono questo supermercato per trovare le cose in modo efficiente. Se la memoria semantica fosse
organizzata come molte persone immagazzinano le cose nella soffitta di casa –
piuttosto casualmente -, avremmo enormi problemi nel ricordare qualunque cosa.
Fortunatamente, il cervello separa in categorie le informazioni che elaboriamo,
sebbene sia utile avere anche un insegnante abile per imparare le cose complesse che si insegnano a scuola. In verità, i bravi insegnanti riescono a costruire queste strutture nei loro studenti
senza sforzi.
Tutti noi impariamo inoltre delle abilità
per le cose ed acquisiamo sentimenti
emotivi. Sapere che un pianoforte è un
pianoforte è una cosa, saper suonare è
un’altra. Sapere andare in bicicletta è
utile, ma sapere che certe situazioni sulla strada possono esser pericolose non lo
è di meno. Le abilità si acquisiscono attraverso una pratica prolungata e volontaria, mentre l’apprendimento emotivo
tende ad essere più rapido. Spesso è necessario che sia rapida, ad esempio per
imparare le cose dalle quali stare in
guardia. Questi due modi di apprendere
sono detti condizionamenti. Sono coin-
volte aree specializzate del cervello: i
gangli della base ed il cervelletto sono
molto importanti per l’apprendimento
delle abilità, mentre l’amigdala è coinvolta nell’apprendimento emotivo. Molti
animali apprendono proprie abilità – ciò è
molto utile alla loro sopravvivenza.
Gli errori della memoria e
la localizzazione della
memoria episodica nel
cervello
L’ultimo tipo di sistema di memoria nel
cervello è detto memoria episodica. È il
sistema nel quale si mantiene il ricordo
delle esperienze personali. Ricordare gli
eventi è diverso dall’imparare i fatti del
mondo in un senso molto importante: gli
eventi accadono una volta sola. S avete
I pazienti amnesici (A) possono anche vederci molto bene e copiare accuratamente
disegni complessi come questo, ma non
possono ricordarli a lungo come i soggetti
normali (NC)
dimenticato quello che avete mangiato a
colazione oggi (forse no) o quello che è
successo il Natale scorso (forse sì) o
tutto quello che vi è successo il primo
giorno di scuola (probabilmente sì), non
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potete ripetere nessuno di questi eventi
come se fosse la ripetizione di una lezione in classe. Questo sistema apprende
velocemente perché è necessario che lo
faccia.
Per la memoria episodica sono molto importanti due strutture: la corteccia peririnale (PRH) che media il senso della familiarità verso il passato e l’ippocampo (HIPPO) che codifica i fatti e i luoghi
Si è capito molto di come funziona la
memoria episodica studiando i pazienti
neurologici che, in seguito ad infarto cerebrale, tumore cerebrale, infezioni virali come encefalite da herpes, a volte
hanno carenze specifiche in questo tipo
di memoria. Lo studio attento di questi
pazienti e` stato il modo più utilizzato
per ricavare l’organizzazione anatomica
di questo ed altri sistemi della memoria.
Le persone affette da una condizione
nota come amnesia non riescono a ricordare di aver incontrato altre persone
appena mezz’ora prima. Non possono ricordare se hanno mangiato di recente o
se lo hanno solo desiderato, o persino le
semplici necessità della vita quotidiana
come il posto in cui hanno appoggiato recentemente qualcosa in casa propria. Facendo vedere loro un disegno complicato
– come quello nella casella – sono in grado
di ricopiarlo accuratamente ma non riescono a riprodurlo bene come altre persone se devono disegnarlo a memoria ap-
pena 30 minuti dopo. Spesso non riescono a ricordare le cose avvenute prima
che si ammalassero. Questa è chiamata
amnesia retrograda.
Queste persone mancano delle strutture
di tempo e posizione, e la loro vita è stata descritta da un paziente amnesico a
lungo studiato come una condizione di
continuo “risveglio da un sogno”. Questa
stessa persona mantiene comunque le
proprietà linguistiche, il significato delle
parole, ed una memoria a breve termine
sufficientemente estesa da sostenere
una conversazione sensata. Il devastante
isolamento della sua vita non viene svelato fino a quando qualcuno non ripete
esattamente la stessa conversazione con
lui qualche minuto dopo.
Incredibilmente, i pazienti amnesici possono imparare alcune cose che non riescono ricordare consciamente! Ad essi
si possono insegnare abilità motorie o a
leggere al contrario molto velocemente.
Imparare a leggere al contrario velocemente richiede un po’ di tempo. Questo è
vero per gli amnesici tanto quanto per
noi ma, mentre noi ricorderemmo di avere imparato questa facoltà, loro non lo
ricorderebbero. Questo rappresenta
un’affascinante dissociazione nella loro
attenzione cosciente. Gli amnesici sono
certamente consci mentre stanno imparando, ma poi non si rendono conto di
aver imparato. Non riescono a recuperare questa coscienza dal passato. Il danno
che causa questa condizione debilitante
può avvenire in un certo numero di circuiti cerebrali. Le aree del diencefalo
chiamate corpi mammillari (nell’ipotalamo) ed il talamo sembrano essere critiche per la memoria normale, così come
una struttura nel lobo temporale mediale
detta ippocampo. I danni in queste re10
gioni sembrano influire particolarmente
sulla formazione della memoria episodica
e di quella semantica.
Altri sistemi di memoria
Danneggiamenti in altre aree del cervello
hanno ripercussioni su altri sistemi della
memoria. Le condizioni degenerative,
come certi tipi di demenza semantica
(una forma di Malattia di Alzheimer),
possono provocare curiosi malfunzionamenti della memoria semantica. Inizialmente, i pazienti saranno abbastanza
abili nel dire se i disegni che vengono
mostrati in un esperimento rappresentino un gatto, un cane, un’automobile o un
treno. Con l’avanzare della malattia, potrebbero esitare nel chiamare topo il disegno di un topo, dicendo invece che si
tratta di un cane. Ciò conferma che le
informazioni sui fatti sono organizzate
per categorie, in cui le informazioni sulle
entità animate sono immagazzinate assieme in un posto ben lontano dalle informazioni sulle entità inanimate.
La neurobiologia della
memoria
Studiare a fondo i pazienti neurologici ci
aiuta a scoprire dove siano situate le
funzioni nel cervello, ma scoprire come
esse funzionino in termini di neuroni e
trasmettitori chimici richiede ricerche
condotte attentamente usando animali di
laboratorio.
I neuroscienziati ritengono ora che molti
meccanismi di regolazione fine delle connessioni neuronali durante lo sviluppo cerebrale siano usati anche durante le fasi
iniziali dell’apprendimento. L’attaccamento che si sviluppa fra un neonato e la
Sezione di ippocampo colorata con il metodo
di Golgi. Sono evidenti, in nero, vari tipi di
neuroni
madre è stato studiato nei pulcini in un
processo detto imprinting. Oggi sappiamo dove questo processo di apprendimento inizia nel cervello dei pulcini e conosciamo i trasmettitori chimici che
vengono rilasciati per agire sui recettori
coinvolti nell’immagazzinamento di un
qualche tipo di “immagine” della madre.
Questa immagine è abbastanza precisa,
cosicché il pulcino seguirà la propria madre e non quella di un altro. Gli animali
giovani hanno inoltre bisogno di scoprire
quali cibi siano commestibili, assaggiando
un piccola quantità di cibo alla volta e
scoprendo quali hanno un cattivo sapore.
Questo non può essere lasciato solamente ad una qualche forma di generica predisposizione: i meccanismi di apprendimento modulati dallo sviluppo si mettono
al lavoro. A valle dei recettori attivati
durante l’imprinting o l’assaggio del cibo,
una cascata di secondi messaggeri chimici trasmettono il segnale al nucleo delle
cellule cerebrali dove vengono attivati
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dei geni per la produzione di speciali
proteine che possono letteralmente fissare la memoria.
Le place cells (cellule di posizione) sono
un’altra importante scoperta. Si tratta
di neuroni dell’ippocampo che producono
potenziali d’azione solo quando un animale sta esplorando un luogo a lui familiare.
Registrazioni da quattro elettrodi nell’ippocampo. Due di esse (wire 1 e 2, occasionalmente anche 4) mostrano impulsi nervosi
che rappresentano la scarica di neuroni
quando l’animale si trova in un punto particolare (spot rosso nel cerchio grande). Espandendo la scal scala del tmpo (cerchio rosso)
si vede bene la forma del potenziale d’azione
del cervello.
Cellule diverse codificano diverse parti
dell’ambiente circostante, cosicché una
popolazione di cellule riesce a mappare
un’intera area. Altre cellule in una zona
attigua del cervello elaborano la direzione in cui l’animale si sta muovendo. L’uso
combinato di queste due aree – la mappa
dello spazio ed il senso della direzione –
aiutano l’animale ad imparare a trovare la
sua strada in giro per il mondo. Questo è
chiaramente molto importante per gli
animali, per trovare cibo ed acqua e tornare poi alla loro tana, nido, o qualunque
dimora sia utile alla loro sopravvivenza.
Questo sistema di apprendimento della
navigazione è in relazione sia con il sistema della memoria semantica sia con
quello della memoria episodica. Gli animali si fanno una rappresentazione stabile
di dove sono le cose nel loro territorio –
come gli umani acquisiscono una conoscenza dei fatti nel loro mondo. Questa
mappa dello spazio fornisce uno schema
di memoria nel quale ricordare gli eventi
– ad esempio, ricordare dov’è stato visto
per l’ultima volta un predatore. Le place
cell potrebbero elaborare forse qualcosa
di più della posizione – potrebbero aiutare gli animali a ricordare dove un evento
è accaduto.
Come si formano queste mappe e gli altri
elementi della memoria? Un punto di vista emergente ipotizza il coinvolgimento
della plasticità sinaptica basata sui recettori NMDA. Nel capitolo precedente
si è visto come l’attivazione della plasticità neuronale cambia la forza delle connessioni in una rete di neuroni e che questo è il modo in cui vengono immagazzinate le informazioni. La funzione di apprendimento delle mappe spaziali è inibita quando un farmaco che blocca i recettori NMDA giunge all’ippocampo.
Il ratto ha nuotato nella piscina fino alla
piattaforma sommersa su cui si è messo
Ad esempio, topi e ratti possono essere
allenati a nuotare in una vasca piena
d’acqua alla ricerca di una piattaforma
sommersa sulla quale trovare riposo. Essi
usano le place cells e le cellule che indicano la direzione della testa per riuscire
a trovarla, e fissano nella memoria
l’esatta posizione della piattaforma
usando la plasticità avviata dai recettori
NMDA. In questo esperimento sono stati
utilizzati anche animali a cui è stata sop12
pressa geneticamente la presenza dei
recettori NMDA nell’ippocampo. Questi
animali apprendono con difficoltà ed
hanno anche place cells poco precise.
Nel precedente capitolo, è stato spiegato che le variazioni nell’influenza delle
sinapsi sono espresse attraverso alterazioni dei recettori eccitatori AMPA. Ancora non si sa se questo sia vero anche
per la memoria – è un argomento molto
attuale e di intensa ricerca.
Possiamo migliorare la
memoria?
Tutti noi crediamo che sarebbe una bella
cosa poter migliorare la capacità o la
persistenza della nostra memoria. Le
persone anziane spesso si lamentano della loro memoria. Comunque, migliorare la
memoria richiederebbe certamente un
prezzo da pagare. Questo perché una
buona memoria è in realtà frutto di un
equilibrio fra il ricordare ed il dimenticare. Se volessimo migliorarla, avremmo
poi difficoltà a dimenticare tutte le cose
banali che ci sono accadute durante il
giorno e che non ci serve ricordare. La
regola dello “yin e yang” di una buona
memoria consiste nel ricordare ed organizzare nel cervello le cose che servono,
ma nel dimenticare le cose che si ritengono poco importanti. Non sembra che si
avrà mai una qualche pillola che magicamente possa aumentare la memoria, almeno nelle persone normali. L’evoluzione
si è assicurata di fornirci un sistema ottimamente bilanciato.
Detto questo, le forme di dimenticanza
grave possono essere alleviate mediante
farmaci che migliorano il lavoro dei recettori NMDA e AMPA, o farmaci che
stimolano la cascata dei segnali dai se-
condi messaggeri chimici che sono stati
identificati negli studi sull’apprendimento di giovani animali. Sarebbe utile anche
trovare qualche modo di bloccare sul nascere malattie neurodegenerative che
colpiscono la memoria come il Morbo di
Alzheimer. Una delle avventure più interessanti nelle neuroscienze di oggi, per
gli scienziati nelle università, negli isti-
Frontiere della ricerca
In un guidatore di taxi che sta immaginando
un percorso si verifica un aumento di attività cerebrale dentro e vicino l’ippocampo.
I tassisti di Londra devono conoscere la città
molto bene prima che venga loro permesso di
lavorare. Quando ricercatori hanno fatto entrare un guidatore di taxi in una macchina per
la risonanza magnetica funzionale e gli hanno
chiesto di immaginare il percorso da Marble
Arc a Elefant e Castle, hanno osservato un aumento di attività nella corteccia para-ippocampale (aree in rosso). L’analisi strutturale del
cervello dei tassisti ha mostrato cambiamenti
nelle dimensioni relative di alcune parti dell’ippocampo, possibilmente collegabili a quanta
parte della città essi sono in grado di ricordare, anche se l’osservazione potrebbe essere
altrettanto dovuta ad altre cause.
tuti di ricerca e nelle compagnie farmaceutiche, è lavorare su progetti di questo tipo. Con una popolazione demografica di praticamente tutte le nazioni sviluppate che tende fortemente ad una
grande preponderanza di persone anziane, le cure che potrebbero aiutarle a
condurre una vita indipendente più a lungo verrebbero molto apprezzate.
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Nel contempo, alcuni scienziati ritengono
che una progettazione cognitiva sarebbe
utile accanto alla cura farmacologia. Non
si sente molto parlare di progettazione
cognitiva nei giornali tanto quanto dei
nuovi farmaci, ma non è meno importante. L’idea è di trarre frutti da quanto si
è appreso su come le informazioni siano
codificate, immagazzinate, consolidate
(il processo di “fissaggio”) e poi recuperate. Alcuni esempi su come aiutare il
processo di “fissaggio” sono: fare attenzione, incrementare le sessioni di apprendimento, fare frequenti richiami alla
memoria . Alcuni pazienti anziani con
problemi di memoria stanno usando un
sistema di agenda quotidiana noto come
“NeuroPage” e lo trovano piuttosto utile.
Il sistema ricorda loro la prossima cosa
che devono fare e questo consente di
strutturare la loro giornata in un modo
che altrimenti rischierebbero di dimenticare. Un altro fattore importante è il
saper riconoscere i differenti principi
operativi della memoria episodica e della
memoria legata all’abilità: non si impara
mai a fare qualcosa sentendone soltanto
parlare, anche se questo agisce sulla
memoria episodica. Chiunque voglia imparare a fare qualcosa deve fare spesso
pratica, come gli studenti di ogni corso
di musica si sentono ripetere in continuazione.
Alan Baddeley ha
sviluppato l’idea della
memoria di lavoro,
che consiste in un
certo numero di sistemi diversi che interagiscono fra loro.
Il magazzino fonologico, la mappa visuospaziale e le regioni decisionali sono situati in parti diverse del cervello
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