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Realizzata la sinapsi artificiale

Le sinapsi sono una delle parti costituenti dei neuroni e svolgono una funzione fondamentale per il nostro cervello: consentono la comunicazione tra le diverse cellule cerebrali ed anche tra le cellule cerebrali e le altre cellule (muscolari, sensoriali, ghiandolari endocrine).

Attraverso la trasmissione sinaptica l’impulso nervoso può viaggiare da un neurone all’altro e da un neurone a una fibra muscolare o a una ghiandola endocrina, consentendo tutte le attività cognitive (pensiero, percezione, attenzione, memoria, ecc.), le sensazioni e le emozioni, il movimento, la regolazione degli ormoni, ecc.

Il funzionamento sinaptico è quindi alla base di tutte le nostre attività cerebrali e un malfunzionamento delle sinapsi può determinare una vasta gamma di disturbi mentali e psichiatrici.

Alcune differenze individuali nel funzionamento sinaptico, insieme a differenze individuali nella struttura di alcuni circuiti cerebrali, sono probabilmente alla base di differenze tra gli individui nei tratti di personalità e nel comportamento (benché, ovviamente, i fattori ambientali rivestano anch’essi un ruolo fondamentale nel determinare la personalità e il comportamento).

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La sinapsi artificiale

Un gruppo di ricercatori dell’Università dell’Arkansas, tra cui Julie Grollier, Nicolas Locatelli e Bin Xu, ha creato una sinapsi artificiale capace di apprendimento autonomo e in grado di svolgere funzioni simili a quelle delle sinapsi naturali.

I risultati degli studi di questo gruppo di ricercatori sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature Communications ed aprono la strada a importanti applicazioni nel campo dell’intelligenza artificiale.

In prospettiva di più lungo periodo potrebbe inoltre aprirsi la strada per applicazioni anche nell’essere umano, attraverso la possibile creazione di neuroni artificiali sempre più simili a quelli naturali.

Le ricerche sulla creazione di neuroni artificiali rimangono comunque per il momento utili soprattutto per lo sviluppo dell’intelligenza artificiale, mentre per le applicazioni nell’essere umano assumono maggiore importanza le ricerche sulla creazione di neuroni naturali partendo da altri tipi di cellule.

Le tecnologie attuali consentono già di ottenere neuroni da altri tipi di cellule o da cellule indifferenziate e ciò potrà avere, in tempi relativamente brevi, rilevanti applicazioni nel campo della neurologia.

Human Brain Project

L’ Human Brain Project è un progetto molto ambizioso, finanziato dall’Unione Europea, il cui scopo è quello di riuscire, entro qualche anno, a simulare in un supercomputer il cervello umano integrando tutte le conoscenze disponibili nel campo delle neuroscienze.

Un altro progetto simile, finanziato dal governo americano e denominato Brain Activity Map, lo si sta portando avanti negli Stati Uniti.

Entrambi i progetti hanno come obiettivo finale quello di riuscire a simulare in un supercomputer tutta l’attività neurofisiologica del cervello umano.

Varie università e diversi centri di ricerca stanno collaborando alla realizzazione di questi due progetti e la speranza è che i primi risultati significativi si possano già avere entro il 2020.

Da un punto di vista pratico e applicativo, la simulazione completa dell’attività neurofisiologica del cervello umano consentirebbe di fare uno straordinario balzo in avanti nella comprensione e nel trattamento di molte patologie neurologiche e, molto probabilmente, anche nella comprensione delle basi biologiche del comportamento umano.

Per poter raggiungere l’obiettivo della completa simulazione computerizzata del cervello umano, sono necessari computer con capacità di calcolo eccezionali e si sta quindi puntando allo sviluppo di computer neuromorfici, cioè macchine non tradizionali che imitano alcune funzionalità di neuroni e sinapsi per ricostruire l’equivalente dei circuiti neurali.

Editing genetico: nuove scoperte ne incrementano l’efficacia

Negli ultimi anni sono state scoperte in biologia molecolare diverse tecniche per modificare porzioni di DNA in esseri viventi di natura vegetale e animale.

Il metodo viene utilizzato in medicina con finalità esplorative o cliniche per la cura di malattie geneticamente determinate.

Una delle tecniche più sofisticate di editing genetico è la CRISPR-Cas9 in cui viene utilizzato un enzima chiamato Cas9 per operare un taglio sul DNA e una breve stringa di RNA per guidare l’enzima verso la parte di DNA da tagliare.

Quando l’enzima Cas9 e l’RNA-guida sono rilasciati nella cellula viene avviato questo processo ed eliminata definitivamente, o sostituita, una porzione del genoma.

Studi recenti, condotti da un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology, hanno migliorato il livello di efficacia e controllo del processo di editing genetico attraverso la creazione di un interruttore con la funzione di determinare con maggior precisione sia momento esatto in cui dare avvio al processo che le specifiche cellule da coinvolgere.

Il sistema studiato per il controllo del processo di editing genetico è composto da un protettore (una stringa di DNA) attaccato all’RNA-guida che ne inibisce l’azione fin quando non è colpito da una luce ultravioletta.

Questo controllo preciso sui tempi di editing genetico potrebbe aiutare i ricercatori a studiare la tempistica degli eventi cellulari coinvolti nella progressione di specifiche malattie genetiche, individuando il momento migliore per eliminare il gene responsabile.

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Le applicazioni dell’editing genetico

La ricerca, pubblicata sulla rivista scientifica Angewandte Chemie, fornisce un prezioso strumento d’indagine non solo per l’ambito medico ma anche per quello psicologico.

Alcuni disturbi mentali (ad esempio, la schizofrenia) sono, infatti, il risultato di una combinazione di fattori ambientali e genetici.

Attraverso sperimentazioni di editing genetico gli scienziati potranno acquisire una maggiore comprensione di alcuni disturbi mentali e suggerire eventuali nuove terapie.

Naturalmente, i fattori genetici non sono l’unico fattore che causa i disturbi mentali.

Anche i fattori ambientali contribuiscono infatti allo sviluppo di tali disturbi.

Spesso, i fattori genetici costituiscono solo una maggiore vulnerabilità al disturbo in determinate condizioni ambientali.

I fattori genetici, inoltre, sembrano essere maggiormente implicati in alcuni disturbi mentali gravi (disturbi dello spettro della schizofrenia, disturbi psicotici e disturbi bipolari), mentre in alcuni disturbi psicologici di altro tipo (disturbi di personalità, disturbi depressivi lievi, ecc.) i fattori ambientali e cognitivi sembrano essere, in base alle conoscenze attuali, il fattore causale prevalente.

I circuiti neurali dell'ipnosi

L’ipnosi è stata spesso oggetto di controversie all’interno della comunità scientifica.

Oggi la maggior parte dei clinici la ritiene una tecnica terapeutica efficace per la cura di una vasta gamma di condizioni mediche, tra cui il dolore cronico, l’ansia e i disturbi dell’umore.

L’ipnosi è utilizzata inoltre per modificare alcune abitudini malsane, come ad esempio la dipendenza da nicotina.

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Ipnosi e cervello

Non tutte le persone sono però ugualmente ipnotizzabili: in media il 10% degli individui è altamente sensibile all’ipnosi, mentre il restante 90% si divide tra chi lo è in maniera più blanda e chi non lo è affatto.

Studi scientifici hanno evidenziato che individui con connessioni più forti tra i neuroni del sistema esecutivo centrale e del salience network, un circuito neurale che contribuisce ad una varietà di funzioni cerebrali complesse quali la comunicazione, il comportamento sociale e l’autoconsapevolezza, possono essere ipnotizzati più facilmente.

Lo stato ipnotico sembra inoltre associato con una ridotta attività del default mode network, rete neurale che si attiva in automatico quando la persona non è impegnata in un’attività o concentrata su elementi del mondo esterno.

Uno studio con risonanza magnetica

Un team di ricercatori della Scuola di Medicina della Stanford University ha utilizzato la risonanza magnetica funzionale per vedere cosa accade nel cervello delle persone mentre sono in stato di trance.

Lo studio guidato dal Prof. David Spiegel, esperto di psichiatria e scienze comportamentali, rappresenta il primo tentativo di comprensione dei sistemi neurali dell’ipnosi.
I circuiti neurali dell'ipnosi
I risultati, pubblicati lo scorso luglio sulla rivista scientifica Cerebral Cortex, hanno evidenziato tre condizioni principali associate con lo stato ipnotico:

  1. Ridotta attività dei neuroni della corteccia cingolata anteriore dorsale, parte del salience network, che causa la focalizzazione dell’attenzione prevalentemente sul proprio stato interno.
  2. Maggiori connessioni tra la corteccia prefrontale dorsolaterale e la corteccia insulare. Il Prof. Spiegel ha descritto questa associazione come una connessione cervello-corpo che rende possibile processare e controllare le informazioni riguardanti il corpo.
  3. Minori connessioni tra la corteccia prefrontale dorsolaterale e la corteccia cingolata posteriore, che causa la disconnessione tra azioni e consapevolezza. Secondo Spiegel, infatti, quando si è veramente presi da qualcosa, non si pensa a ciò che si sta facendo, lo si fa e basta. Durante l’ipnosi questa disconnessione tra azioni e consapevolezza permette alla persona di intraprendere attività suggerite dal clinico o dal proprio intuito senza l’impiego di ingenti risorse cognitive.

Le nuove scoperte sui circuiti neuronali dell’ipnosi sono di fondamentale importanza per la comprensione del funzionamento generale del cervello e potrebbero condurre in futuro alla sperimentazione di trattamenti specifici rivolti a soggetti non ipnotizzabili.

Il Prof. Spiegel sostiene infatti che è interessante l’idea di poter cambiare la predisposizione delle persone ad essere ipnotizzate attraverso la stimolazione di alcune aree cerebrali, al fine di migliorare gli effetti analgesici dell’ipnosi e potenzialmente sostituire antidolorifici e farmaci contro l’ansia che hanno effetti collaterali importanti.

Ulteriori ricerche sono tuttavia necessarie prima che una terapia di questo tipo possa essere implementata.

Neuroscienze: nuove scoperte sulle basi neurali della lettura

Gli studi recentemente condotti all’Università di Pittsburgh da un team di ricercatori del Learning Research and Development Center in collaborazione con il Dipartimento di Psicologia e il Center for the Neural Basis of Cognition costituiscono un tassello importante nel dibattito scientifico circa l’esistenza di strutture neurali specializzate nel riconoscimento di stimoli visivi riguardanti l’ortografia di una lingua (lettere, morfemi, parole).

Secondo alcuni studiosi nel cervello degli esseri umani non esisterebbero popolazioni di neuroni responsabili specificatamente del riconoscimento di grafemi e forme ortografiche.

La spiegazione addotta tira in causa l’evoluzione della specie, durante la quale l’abilità di lettura si sarebbe sviluppata relativamente tardi, non permettendo lo sviluppo di strutture neuronali specializzate.

Sarebbero quindi aree con funzioni più generali a svolgere questo compito.

Altri studiosi, invece, sostengono l’esistenza aree neuronali specializzate per il riconoscimento delle forme ortografiche.

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Le nuove evidenze dalla ricerca

Le ricerche condotte all’Università di Pittsburgh, la cui pubblicazione è avvenuta lo scorso luglio sui Proceedings of the National Academy of Sciences, sembrano confermare l’ipotesi dell’esistenza di strutture neuronali specializzate nel riconoscimento delle forme ortografiche.

Nello specifico, la circonvoluzione fusiforme media dell’emisfero sinistro svolgerebbe questa funzione.

I ricercatori hanno osservato che la stimolazione diretta di questa area attraverso elettrodi, andando ad interferire con il normale funzionamento neuronale, causa la perdita temporanea della capacità di riconoscere stimoli visivi riguardanti grafemi e forme ortografiche (e non di altro tipo).

Il Prof. Avniel Ghuman, studioso che ha preso parte alla ricerca, sostiene che la crescente comprensione dell’attività della circonvoluzione fusiforme media e delle sue connessioni con le altre aree cerebrali coinvolte nell’elaborazione del linguaggio potrebbe suggerire nuove vie per la diagnosi dei disturbi di lettura e i relativi trattamenti.

Neuroscienze: nuove scoperte sul comportamento abituale e il Disturbo Ossessivo-Compulsivo

Gli studi sul cervello condotti negli ultimi anni dalla Dottoressa Christina Gremel della University of California San Diego e dal suo team internazionale di ricercatori costituiscono una conquista importante per la comprensione delle strutture e dei processi neuronali alla base del comportamento abituale, e fanno luce sui meccanismi coinvolti in patologie quali il Disturbo Ossessivo-Compulsivo (DOC) e la dipendenza da sostanze.

Le scoperte della dottoressa Gremel aprono la strada a trattamenti nuovi di tipo sia farmacologico che psicoterapico.

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Comportamento e risparmio cognitivo

I ricercatori si sono focalizzati sullo studio delle strutture e dei processi neuronali alla base della capacità del cervello di funzionare in maniera diversa in relazione al tipo di comportamento da mettere in atto, nello specifico in base all’abitudinarietà o meno del comportamento.

Riusciamo a svolgere le azioni abitudinarie in maniera veloce ed efficiente poiché il cervello adotta una modalità di risparmio cognitivo, cioè limita al minimo processi cognitivi quali: attenzione, pianificazione, valutazione, etc.

Funzioniamo in modalità di risparmio cognitivo quando percorriamo il percorso abituale da casa al luogo di lavoro; tuttavia, se questo è interrotto e dobbiamo velocemente riprogrammare il tragitto abbiamo bisogno di ingenti risorse cognitive che ci consentano di prestare attenzione alla situazione, valutare il percorso alternativo più breve, pianificare gli spostamenti, e raggiungere la meta.

La capacità di alternare le due modalità cognitive in relazione alle specifiche situazioni è fondamentale. Una seria compromissione di questa abilità può avere effetti devastanti.

Cosa accade nelle persone con DOC

Soggetti con Disturbo Ossessivo-Compulsivo o con forti dipendenze non riescono a controllare l’insorgere di pensieri ossessivi o l’attuazione di comportamenti patologici,  i quali s’innescano – esattamente come un’abitudine – in modalità di risparmio cognitivo, senza che funzioni cognitive di ordine superiore siano in grado di intervenire per porre un freno.

In una prima fase degli studi condotti dalla dottoressa Gremel e dal suo team di ricercatori è stato dimostrato che nei topi da laboratorio i neuroni della corteccia orbito-frontale se stimolati attraverso tecniche ad hoc – nello specifico attraverso l’uso dell’optogenetica – aumentano la capacità degli animali di bloccare i comportamenti abitudinari e di agire in maniera pianificata.

Di contro, quando l’attività di questi neuroni veniva ridotta tramite un approccio chimico i comportamenti abitudinari prendevano il sopravvento e il topo posto all’interno del labirinto, nonostante alla fine del percorso abituale non trovasse più il cibo, percorreva on repeat lo stesso tragitto fallimentare, senza sperimentare nuove soluzioni.

L’abitudine prende il sopravvento quando la corteccia orbito-frontale è messa a tacere ha commentato la dottoressa Gremel.

In un altro studio condotto recentemente dallo stesso team di ricercatori, e pubblicato sulla rivista scientifica Neuron, è stato testato il ruolo di una classe specifica di lipidi bioattivi – gli endocannabinoidi – nel determinare il prevalere di una modalità di comportamento abitudinaria o meno.

Gli endocannabinoidi sono una classe di sostanze chimiche prodotte naturalmente negli esseri umani e negli animali. I recettori degli endocannabinoidi si trovano lungo tutto il corpo e nel cervello, e il sistema endocannabinoide è implicato in una varietà di processi fisiologici – tra cui l’appetito, la sensazione di dolore, l’umore e la memoria. È anche il sistema che media gli effetti psicoattivi della cannabis.

I topi in cui veniva neutralizzato un recettore degli endocannabinoidi, nel sentiero neuronale che va dalla corteccia orbito-frontale allo striato dorso mediale, non acquisivano comportamenti abitudinari.

Questi topi, anche dopo aver percorso lo stesso tragitto numerose volte, non acquisivano l’automatizzazione tipica del comportamento abitudinario.

Sebbene le strutture e i processi neuronali implicati nella formazione delle abitudini siano innumerevoli e non ancora del tutto noti agli scienziati, le ricerche della dottoressa Gremel e del suo team dimostrano che la corteccia orbito-frontale e gli endocannabinoidi hanno un ruolo importante nel determinare il nostro comportamento.

Inoltre, lo studio costituisce la prova finora più importante del fatto che le due modalità cognitive, e i meccanismi neuronali ad esse sottostanti, siano in competizione tra loro per il controllo delle nostre azioni.

Serena Firera per Psicologia 24

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I neuroni del Natale

È frequente durante le feste natalizie provare uno stato d’animo un po’ particolare: le emozioni oscillano fra gioia e nostalgia, i pensieri volgono agli anni passati, i sensi si lasciano ammaliare da colori, melodie e profumi.

Lo spirito del Natale è nell’aria, dicono in molti.

Un fenomeno così diffuso che ha invogliato alcuni ricercatori ad indagarlo in maniera scientifica.

E per quanto lo spirito del Natale sia certamente intangibile e misterioso, un recente studio pubblicato sul British Medical Journal rivela che esso è anche dotato di corporeità: Lo spirito del Natale dimora nel cervello, affermano i ricercatori.

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Uno studio sullo spirito del Natale

La ricerca, svolta da alcuni studiosi dell’Università di Copenhagen, ha permesso di vedere cosa accade nel cervello delle persone quando vengono esposte ad immagini del Natale.

Ciò è stato possibile grazie alla risonanza magnetica funzionale che, analizzando i livelli di ossigeno nel sangue, permette di capire quali aree del cervello sono attive durante lo svolgimento di un compito.

I ricercatori hanno scelto di sottoporre a risonanza magnetica funzionale 10 persone che abitualmente celebrano il Natale e 10 persone che abitualmente non lo celebrano.

Ogni soggetto, mentre si trovava all’interno della macchina della risonanza magnetica funzionale, ha osservato in maniera consecutiva 84 immagini natalizie.

I risultati hanno mostrato che una maggiore attivazione cerebrale è presente nei soggetti che abitualmente celebrano il Natale.

Neuroscienze natalizie

Le aree che in questi soggetti si attivano sono 5: la corteccia motoria primaria sinistra, la corteccia premotoria, il lobo parietale destro inferiore e superiore e la corteccia somatosensoriale primaria bilaterale.

Queste aree cerebrali sono associate a varie funzioni, fra le quali lo sviluppo della spiritualità, il riconoscimento delle emozioni facciali e i sensi somatici.

Per esempio, i lobi parietali destro e sinistro giocano un ruolo importante nella formazione dell’autotrascendenza, un tratto della personalità che predispone alla spiritualità.

La corteccia premotoria è importante per l’empatia e la condivisione delle emozioni altrui.

Si tratta di risultati intriganti e curiosi, ma che comunque secondo gli autori dello studio devono essere interpretati con cautela: qualcosa di così magico e complesso come lo spirito del Natale, non può essere pienamente spiegato dalle mappe dell’attività cerebrale, concludono i ricercatori.

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I neuroni maschili che danno priorità al sesso

Gli studi sulle basi biologiche (neuronali, ormonali, ecc.) del comportamento sessuale sono in rapida evoluzione e cominciano ad essere chiari alcuni meccanismi che regolano la sessualità umana.

Spesso alcune scoperte sulla biologia della sessualità umana sono precedute da scoperte su altri organismi viventi.

In una ricerca condotta presso il UCL and Albert Einstein College of Medicine, e recentemente pubblicata sulla rivista scientifica Nature, è emerso che i maschi della specie Caenorhabditis elegans (un piccolo invertebrato che per le sue caratteristiche anatomiche è molto studiato da genetisti e biologi) sono presenti alcuni neuroni responsabili della memorizzazione delle esperienze sessuali che inducono l’animale a dare la priorità al sesso rispetto ad altri bisogni biologici (ad esempio, il bisogno di mangiare e nutrirsi).

La femmina della stessa specie, quando messa di fronte alla scelta tra soddisfare i bisogni sessuali e i bisogni alimentari, sceglie di soddisfare quelli alimentari.

Nel maschio accade esattamente il contrario: i bisogni sessuali sono prioritari rispetto a quelli alimentari e ciò sarebbe la conseguenza dell’attività di alcuni specifici neuroni presenti solo nel maschio.

I ricercatori che hanno diretto la ricerca, la Prof.ssa Arantza Barrios e il Prof. Richard Poole, ritengono che un’analoga differenza potrebbe esistere anche tra maschi e femmine della specie umana.

Sono però necessari ulteriori studi e ulteriori ricerche per verificare se anche nel cervello dei maschi della specie umana sono presenti specifici neuroni che danno priorità al sesso.

Inoltre si dovrà tener conto del fatto che negli esseri umani la sessualità è regolata, oltre che da fattori biologici, anche da fattori psicologici, psicosociali e culturali.

Il circolo virtuoso dell'ottimismo: una spiegazione neurobiologica

Gli studi condotti dalla Prof.ssa Sanda Dolcos, presso l’Università dell’Illinois, hanno mostrato che sperimentare pensieri ottimistici aumenta la probabilità di sperimentarne ancora in futuro, instaurando una sorta di circolo virtuoso dell’ottimismo.

Alla base di tale circolo virtuoso vi sarebbero (oltre a fattori di tipo cognitivo) anche le modifiche biologiche che ottimismo e pessimismo producono nell’area orbitofrontale dell’emisfero sinistro del cervello.

Le ricerche condotte dalla Prof.ssa Dolcos e dai suoi collaboratori sono partite dalla constatazione che nei soggetti ottimisti lo spessore della corteccia cerebrale nell’area orbitofrontale dell’emisfero sinistro è più grande rispetto ai soggetti non ottimisti.

Precedenti ricerche, condotte da neuroscienziati e psicologi, avevano mostrato che gli eventi negativi e traumatici tendono a provocare una riduzione dello spessore della corteccia cerebrale nell’area orbitofrontale e probabilmente è questo il motivo per cui nei pessimisti (gli eventi traumatici inducono al pessimismo) la corteccia cerebrale in questa area è più sottile.

Secondo la Prof.ssa Dolcos, la relazione tra spessore della corteccia cerebrale e ottimismo sarebbe mediata dalla capacità di gestire l’ansia.

E’ stato infatti dimostrato in alcuni esperimenti che l’area orbitofrontale della corteccia svolge un ruolo importante nella regolazione dell’ansia: più questa area è grande più il soggetto riesce a gestire positivamente l’ansia.

L’ipotesi della Prof.ssa Dolcos è che una maggiore capacità di autoregolare positivamente l’ansia determini una visione più positiva degli eventi e della vita.

Tale visione positiva, a sua volta, riduce le probabilità che la corteccia cerebrale orbitofrontale si assottigli in conseguenza di eventi negativi, e si instaura così un circolo virtuoso: i pensieri ottimistici aumentano la probabilità di pensare ottimisticamente anche in futuro.

Le prossime ricerche scientifiche in tale campo si porranno probabilmente come obiettivo fondamentale quello di capire come gli interventi psicologici (soprattutto cognitivo-comportamentali, ma anche di altro tipo) possono facilitare l’attivazione del circolo virtuoso dell’ottimismo in soggetti tendenti al pessimismo.

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