Nei capitoli precedenti ho cercato di dare una idea della morfologia del cervello, del funzionamento dei singoli neuroni e si è anche provato a spiegare come la grossolana simulazione al computer di un gruppo anche modesto di neuroni riesca a ricavare, dopo un periodo di apprendimento con una numerosa popolazione di dati, una categorizzazione basata sulla similitudine statistica e individuata dal filtro dei pesi delle sinapsi.
Scoprire nei dettagli l’organizzazione dei collegamenti dei cento miliardi
(100.000.000.000) di neuroni del nostro cervello è una impresa a cui si sono accinti gli scienziati da tempo e durerà chissà per quanto, ma si sa già abbastanza per poterne intuire il funzionamento.
Descriverla e afferrarla, anche a grandi linee, non è però cosa semplice.
Non si riesce a procedere con una descrizione strutturata, bisogna saltare di palo in frasca, illustrando per sommi capi le principali caratteristiche, in modo da farsi poco a poco una idea che permetta di comprendere il funzionamento nel suo insieme.
Cominceremo a vedere come entra nel cervello dall’informazione dei sensi.
Cominciamo con il ripassare in rassegna gli “input”: Li possiamo dividere in esterni ed interni e anche in base al tipo di energia che li accompagna.
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| Fig. 4-1 I recettori della pelle |
Per l’udito Le celle con apice ciliato sono mosse dalle vibrazioni dell’aria, Nei pesci le stesse sono mosse dalle vibrazioni o dallo scorrere del fluido.
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| Fig. 4-2 La struttura dell’orecchio Le cellule acustiche responsabili della traduzione del suono si trovano nella parete di un labirinto di canali situati nell’orecchio interno. Con le proprie estroflessioni apicali. La coclea contiene fonorecettori sensibili ai suoni che proiettano verso il lumen. |
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| Fig. 4-3 Sezione della coclea |
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| Fig
4-4Meccanismo
di discriminazione dell’altezza dei suoni da parte della coclea. Le vibrazioni della staffa contro la finestra ovale si trasmettono nel liquido che riempie la coclea. Le onde di pressione passano attraverso la rampa vestibolare fino a raggiungerne l’apice e tornano alla base attraverso la rampa timpanica inducendo la membrana basilare e l’organo di Corti a vibrare stimolando cosi fonorecettori localizzati all’interno della rampa nucleare.Nella membrana basilare fibre di diversa lunghezza vibrano in funzione delle diverse frequenze eccitando i rispettivi fonorecettori |
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| Fig 4-5 Il sistema dell’equilibrio La base di ogni canale semicircolare contiene gruppi di cellule ad apice cigliato immerse in una massa gelatinosa, la cupola. Quando la testa viene ruotata l’inerzia impedisce all’endolinfa contenuta nei canali di seguire immediatamente il movimento e pertanto esercita sulla cupola una pressione captata dalla flessione degli apici recettoriali. Tale pressione aumentala frequenza degli impulsi del neurone i maniera direttamente proporzionale alla velocità di rotazione. |
Il vestibolo e i canali circolari contengono invece i meccanorecettori coinvolti nella percezione della posizione del corpo nello spazio e cooperano al mantenimento dell’equilibrio
Per la posizione del corpo I Fusi Neuromuscolari sono dei recettori che reagiscono alla tensione dello stiramento dei muscoli.
La maggior parte degli animali possiede recettori specifici per molecole di rilevante valore biologico quali per l’ossigeno, l’anidride carbonica, gli aminoacidi, il glucosio ecc.
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| Fig 4-6 I recettori gustativi e quelli olfattori rispondono a sostanze chimiche fra loro correlate. |
Nell’uomo se escludiamo la eventuale telepatia! sono solo i fotorecettori che captano la luce dello spettro detto appunto per noi visibile. Nel regno animale invece, i serpenti dispongono, per meglio localizzare le prede, di recettori sensibili agli infrarossi, alcuni pesci sono sensibili a disturbi nei campi elettrici da loro stessi creati, o causati da prede in movimento, altri sono in grado di captare campi elettrici generati dall’attività muscolare delle prede. Esistono poi indizi che certi animali utilizzino le lineedi forza del campo magnetico terrestre per orientarsi.
Il Senso della vista
Lo esaminiamo con un certo dettaglio perché è per i mammiferi il più importante, infatti esso costituisce il 70% di tutti i recettori sensoriali e perché ci introduce alla complessità di funzionamento della categorizzazione a partire da elementi semplici
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| Fig. 4-7 Sezione dell’occhio | Fig. 4-8 Percorso dei segnali |
La trasduzione dei segnali visivi è fatta dalla retina. I essa troviamo circa 125 milioni di cellule a bastoncello che vedono solo in bianco e nero ma che possono essere eccitati anche da un solo fotone, e che sono distribuiti verso la periferia. In centro nella zona detta Fovea, molto densamente disposti, abbiamo 6 milioni di bastoncelli che invece hanno bisogno di luce di maggiore intensità e vedono i colori.
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| Fig. 4-9 |
Gli assoni dei bastoncelli e dei coni formano sinapsi con peculiari neuroni definiti cellule bipolari quali a loro volta si collegano con cellule gangliari.
Altre cellule dette Amacrine e cellule orizzontali coadiuvano nell’integrazione delle informazioni prima che queste vengano trasmesse all’encefalo.
Gli assoni delle cellule gangliari si collegano ai nuclei genicolati laterali del Talamo e da qui giungono alla corteccia visiva primaria V1 localizzata nel lobo occipitale di ciascun emisfero telencefalico posteriormente al diencefalo.
L’informazione visiva arriva al primo strato della corteccia visiva V1 in modo rispettando le posizioni sulla retina dei componenti dell’immagine.
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| Fig.
4-11 L’integrazione
visiva La retina è suddivisa in campi recettoriali che contengono ciascuno numerosi fotorecettori in comunicazione con una comune cellula gangliare. I potenziali di azione si propagano lungo l’assone della cellula gangliare verso il telencefalo, con una frequenza dipendente dalla integrazione degli input provenienti dai recettori che costituiscono un determinato campo recettoriale. Le celle bipolari, quelle orizzontali e gli elementi amacrini fungono da rete integrativa dei campi recettoriali.Anche al buio una cellula gangliare genera potenziali di azione con frequenza costante Quando l’intero campo è illuminato uniformemente la frequenza non cambia, essa cambia solo quando è soltanto una porzione del campo a essere illuminata. Sono noti due tipi di campi recettoriali uno con centro eccitatore e l’altro con centro inibitore. Ad essi corrispondono cellule gangliari che vengono stimolate solo quando la luce colpisce il centro e non la periferia e viceversa. |
Termorecettori Rispondono sia al caldo, sia al freddo e sia dell’interno del corpo che dell’esterno. La loro identità e funzionamento non è ancora ben chiara.
Recettori dolorifici Si ritiene che il dolore sia captato da dendriti (le estroflessioni della membrana dei neuroni) privi del rivestimento di mielina, definiti nocirecettori, e che rispondono a un eccesso di pressione di calore e di sostanze chimiche rilasciate da tessuti infiammati o danneggiati.
CABLAGGIO DEI NEURONI
Pensare di riuscire a scoprire nel dettaglio come i 100 miliardi di neuroni siano collegati fra loro per mezzo delle sinapsi fra assoni e dendriti che possono raggiungere il numero di 10’000 ciascuno, è una impresa impossibile e forse anche inutile. Comunque molto si sa e molto si sta studiando. A noi, per intuire il funzionamento della “materia grigia” basterà inquadrare il problema a grandi linee. Tra l’altro la modesta descrizione che segue sarà recepita in modo diverso tra chi ha una preparazione scientifica che gli permette di rendersi conto delle immense possibilità che per il cervello ne derivano, e chi invece deve accontentarsi di realizzare che cè chi ne sa di più e fidarsi.Il collegamento di base è in cascata, strato dopo strato, e all’interno di gruppi specializzati che si occupano ciascuno di un modesto particolare della elaborazione, sia essa rivolta a categorizzare le entrate dei sensi, a elaborare pensieri o i comandi motori, e infine a realizzare movimenti. Tutti gli output, infatti avvengono per mezzo di azioni fisiche o biologiche del nostro corpo.Si è scoperto che i recetttori di tutti i sensi, confluiscono in specifiche aree specializzate formate da mappe che si collegano in cascata fra di loro per l’elaborazione dei segnali.Come abbiamo visto nelle simulazioni dei “neural nets”. Il nome mappa viene dal sistema visivo che è il più studiato e che mappa gli impulsi provenienti dalla retina ripetendone inizialmente la configurazione geometrica, ma è esteso a qualsiasi attività specializzata del cervello. Riprenderemo fra breve questo argomento più in dettaglio, anche per meglio capire il nodo centrale della categorizzazzione.Le catene dei neuroni però non sono singole: Molte vie, magari leggermente differenti ma simili, sono affiancate e portano allo stesso risultato o quasi. Questa caratteristica di circuiti massicciamente in parallelo detta denegerazione permette di modificare i risultati in funzione di altre entrate, diciamo laterali, e di memorizzare tramite la modifica delle relative sinapsi.Un altro collegamento molto importante è quello del rientro. Come nei “Recurrent networks” che lo imitano, i neuroni dei diversi strati sono collegati ai precedenti e questo sembra abbia il risultato primario di sincronizzarne l’attività.Le innumerevoli aree e mappe sono poi tutte collegate fra loro nei due sensi e si influenzano a vicenda sempre sotto la supervisione del rientro.Si distinguono a grandi linee tre stati di cervello.Le attività cognitive di categorizzazione avvengono principalmente nella Corteccia cerebrale. Ultima a comparire nel corso della evoluzione, ha una grande superficie 0,5 m2
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| Fig. 4-12
La corteccia cerebrale umana La sua superficie può essere divisa in 4 lobi ognuno caratterizzato da una diversa funzione Il quinto lobo, quello dell’insula, è contenuto allinternodella profonda fessura che separa il lobo parietale da quello temporale. |
Il
Mesencefalo con Talamo e il Diencefalo smista e coordina l’andirivieni
di informazioni e comandi tra la corteccia cerebrale e il Tronco
cerebrale.
In quest’ultimo Il Cervelletto controlla a livello inconscio la coordinazione
dei movimenti, mentre l’Ipotalamo e l’Ipofisi ricevono e integrano le funzioni
sensoriali e le inviano al Prosencefalo.
Tutte queste zone
sono poi interessate dalle Strutture talamocorticali,
le catene unidirezionali
e la struttura a ventaglio dei Sistemi di valore, di cui abbiamo già parlato. Ce ne è abbastanza per perdersi nell’infinità
di interazioni che possono realizzarsi e succedersi.
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| Fig. 4-13 Aree dell’emisfero destro della corteccia cerebrale |
La ricerca si recentemente molto avvantaggiata coi sistemi di “Immaging“ Pet ( Positron Emission Tomographi ) e f MRI (Functional Magnetic Resonance Immaging )
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| Fig. 4-14 Analisi di vari stadi della mano destra che batte un dito |
Functional MRI (Risonanza magnetica funzionale ) si basa sull’aumento dell’irrorazione sanguigna nelle aree attive del cervello. Questo aumento avviene senza un corrispondente aumento della Deoxyemoglobina Deoxyemoglobina in quanto non aumenta proporzionalmente l’estrazione di ossigeno. La Deoxyemoglobina è paramagnetica e pertanto le differenze nella sua concentrazione sono rilevabili dalla risonanza magnetica.
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| Fig. 4-15 Aree dell’emisfero sinistro della corteccia cerebrale |
La PET si basa invece sulla emissione di positroni di corta vita emessi da sostanze radiofarmaceutiche iniettate nel sangue.
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| Fig. 4-16 Scanner |
Ed ora diamo una ripassata agli
“output”
Verrebbe istintivo, sempre escludendo la telepatia, di limitarsi alle azioni originate dai muscoli da quelli degli arti a quelli del sistema interno a quelli dei suoni, ma anche la secrezione di sostanze è pur sempre un output.
Per il momento non entriamo nel dettaglio degli stadi finali ma ci occupiamo della loro origine e gestione nel cervello.
Va ribadito per prima cosa, che il cervello non si comporta come un computer. Non solo non esiste un set preordinato di istruzioni da eseguire una dopo l’altra e neanche in parallelo, e nemmeno esiste una zona nella corteccia celebrale deputata a tirare le fila in base a un programma elaborato al momento basato su decisioni interne, input e output per raggiungere lo scopo voluto.
Quando siamo coscienti in ogni istante sono molte le aree del cervello che collaborano elaborando e scambiando i potenziali di azione appropriati.
Per cercare di dare una idea di cosa avviene inventeremo una descrizione che molto poco ha a che vedere con la complessità della realtà, con le aree di neuroni interessate e con i circuiti che per collegarle, realmente percorrono le informazioni, ma che dovrebbe riuscire a farvi intravedere i principi di base.
Nico ha tre anni, sta imparando ad andare sul triciclo. Il suo Cervelletto è collegato a monte attraverso il Talamo con la Corteccia cerebrale da un intrico di milioni di neuroni le cui sinapsi hanno gia imparato qualcosa.
Per esempio Nico sa muovere le gambe sia in maniera ormai inconscia come quando cammina, che conscia quando cerca di dare un calcio al gatto.
Si sono formati nel labirinto dei collegamenti fra neuroni molti percorsi in parallelo, ciascuno forse leggermente diverso dall’altro, che quando da un gruppo della corteccia cerebrale parte il via, portano a movimenti differenziati nel tempo dei muscoli. I collegamenti tra i neuroni sono effettuati dagli assoni degli strati precedenti. L’assone di un neurone può avere centinaia di diramazioni collegate con altrettante dendriti di neuroni diversi.
Quando dal neurone si diparte il potenziale di azione questo raggiunge senza perdere forza (è questo il vantaggio di una trasmissione di questo tipo) tutte le sinapsi, ma passa solo in quelle in cui la sinapsi è stata rinforzata dall’uso e dai neuromodulatori del sistema di valore. E cioè dalle sinapsi che hanno già un poco imparato. Per il movimento inconscio del camminare si sono formati dei percorsi differenziati e alternativi con le necessarie diramazioni per comandare i muscoli necessari, percorsi che in un computer definiremmo rutines, e che vengono di volta in volta pilotate dagli assoni di altri gruppi di neuroni.
Nei primi tentativi Nico spinge coscientemente un pedale, i neuroni preposti nella gamba a comunicare l’entità del movimento ottenuto, mandano indietro l’informazione, quelli che sentono la pressione sulla pelle del piede fanno lo stesso e anche l’occhio fa la sua parte seguendo il risultato.
A un certo punto la pressione aumenta, il piede non si muove più la ruota non gira. Prima o poi da solo o aiutato, Nico capisce che bisogna lavorare con l’altra gamba. Le sinapsi imparano: L’area che sente la pressione dei piedi dirama assoni dappertutto e ha già ricevuto da assoni del rientro il consiglio di concentrarsi sulle sensazioni del piede e diramarne i risultati sulla catena di neuroni interessata a quel particolare movimento, tralasciando le altre sensazioni come per esempio la sensazione di peso della pelle a contatto con il sellino. Ed era proprio qualche neurone a monte incaricato del rientro su quell’area che aveva dato il consiglio di cui sopra. Ora Nico va a sbattere, il neurotrasmettitore opportuno potenzia le sinapsi del caso e la sensazione dolorosa fa partire potenziali per un mucchio di strade.
Azione di potenziale raggiunge la catena del movimento e lo blocca agendo nel posto giusto tramite una sinapsi già precedentemente bene allenata. Si noti che questa, chiamiamola entrata, normalmente non riusciva da sola a caricare a sufficienza il neurone bersaglio in quanto le altre sinapsi dello stesso non concorrevano.
Altri assoni raggiungono con qualche diramazione la zona dei neuroni che si incaricano dei comandi vocali e anche qui sinapsi ben rodate danno luogo alle apposite routines.
Il dolore diminuisce, l’intervento della mamma sposta l’attenzione e l’azione dei neuroni del dolore interessando livelli superiori nella corteccia cerebrale che poco a poco riescono sempre con i loro assoni già collegati anche alla routine del pianto a smorzarlo ecc. ecc.
A forza di provare le sinapsi interessate si rinforzano, anche potenziate dai neuromodulatori rilasciati dall’emozione della soddisfazione, elaborata da altre aree specializzate, e Nico impara a pedalare.
Per farla lunga Nico ha imparato anche a girare il manubrio nella direzione in qui vuole andare e a fermarsi prima degli ostacoli.
Quando imparerà ad andare in bicicletta queste strade formatesi verranno richiamate e integrate con la sensazione del sistema dell’udito e del relativo vestibolo, e imparerà a spostare il corpo e a girare impercettibilmente il manubrio in funzione della situazione di squilibrio.
Quanto all’udito, l’area di neuroni relativa, al rumore di una motocicletta, ne elaborerà direzione e velocità di avvicinamento e con i suoi assoni penetrerà in non so quale zona del cervello per elaborare l’opportuna reazione con modifica di traiettoria.
Tutto avviene attraverso un complicatissimo labirinto di collegamenti dove le diramazioni degli assoni, attraverso delle sinapsi che anno imparato influenzano le catene di potenziali di azione di altri neuroni.
In realtà considerati i 100 miliardi di neuroni le cose sono un milione di volte più complesse!