sabato 8 marzo 2014

Il Cablaggio del Cervello - Meccanismi Elementari di Plasticità Sinaptica Corticale

Pag 716-717 del Testo.

[Dopo una pausa dovuta ad alcune attività lavorative e problemucci vari ricominciamo il nostro studio].

Le Sinapsi si formano in assenza di qualsiasi Attività Elettrica.
Tuttavia, come abbiamo visto, il risvegliarsi di Trasmissione Sinaptica durante lo Sviluppo esercita un ruolo vitale nella rifinitura delle Connessioni.

Basandoci sulla Analisi della Plasticità dipendente dall'Esperienza nella Corteccia Visiva ed in altri siti, possiamo formulare due semplici "regole" per la Modifica Sinaptica:


  1. Assone Presinaptico Attivo e Postsinaptico Fortemente Attivo

    Quando l'Assone Presinaptico è Attivo e contemporaneamente l'Assone Postsinaptico è Fortemente Attivato sotto l'influsso di altri Input, la Sinapsi formata dall'Assone Presinaptico ne viene rinforzata.
    Questo è un altro modo per dichiarare l'Ipotesi di Hebb, menzionata in precedenza.
    In altre parole: I Neuroni che si innescano insieme si cablano insieme.[In inglese è più mnemonico: "Neurons that FIRE together WIRE together" ]
  2. Assone Presinaptico Attivo e Postsinaptico Debolmente Attivo

    Quando l'Assone Presinaptico è Attivo e contemporaneamente l'Assone Postsinaptico è Debolmente Attivato sotto l'influsso di altri Input, la Sinapsi formata dall'Assone Presinaptico ne viene indebolita.
    In altre parole: I Neuroni che si innescano fuori Sincronismo perdono le loro Connessioni. [In inglese lo mnemonico è "Neurons that fire out of SYNC lose their LINK" ]
La Chiave appare essere la Correlazione. 

Ricordiamoci che in molte aree dell'SNC, inclusa la Corteccia Visiva, una singola Sinapsi ha una modesta influenza sul Tasso di Innesco del Neurone Postsinaptico. 

Affinchè sia "sentita" l'Attività della Sinapsi deve essere Correlata [Coerente, o Sincrona] con l'Attività di molti altri Input che convergono sullo stesso Neurone Postsinaptico. 

Quando l'Attività della Sinapsi si Correla con una forte Risposta Postsinaptica (e quindi con l'Attività di molti altri Input), la Sinapsi viene mantenuta e rinforzata. 

Quando invece l'Attività Sinaptica è Scorrelata, manca la Correlazione con una forte Risposta Postsinaptica, la Sinapsi viene indebolita ed eliminata.

In questo modo le Sinapsi vengono "validate" in funzione della loro capacità a contribuire all'Innesco dei Neuroni Postsinaptici. 

Quali meccanismi sono alla base di queste Modifiche dipendenti dalla Correlazione?

La risposta a questa domanda implica la conoscenza dei Meccanismi della Trasmissione Sinaptica Eccitatoria nel Cervello.

E ce ne occupiamo nel prossimo articolo.








sabato 18 gennaio 2014

Il Cablaggio del Cervello - Approfondimento: Il Concetto di Periodo Critico

Pag 715 del Testo [Inserto "Brain Food" ossia "Cibo per il Cervello" ]

Un Periodo Critico dello Sviluppo può essere definito come segue:

Intervallo di Tempo durante il quale la Comunicazione Intercellulare [ovvero tra Cellule] è in grado di Alterare la Sorte di una Cellula.

[Come si può vedere la Definizione è del tutto generale e riguarda una qualsiasi Cellula del Corpo, ivi incluse le Cellule Nervose ].

Questo Concetto è tradizionalmente attribuito all'Embriologo Sperimentale Hans Spemann.

Egli lavorò intorno agli inizi del XX secolo, e mostrò che Trapiantando una parte di un Embrione ai primi stadi di Sviluppo da un sito ad un altro, avveniva che spesso il Tessuto "Donatore" assumeva le caratteristiche del Sito "Ospite".

Ma questo però avveniva soltanto se eseguito entro un ben definito Periodo di Tempo.

Una volta che il Tessuto Trapiantato era stato Indotto a Mutare il la sua Destinazione di Sviluppo, il Risultato era Irreversibile.

La Comunicazione Intercellulare che alterava le Caratteristiche Fisiche (il Fenotipo) delle Cellule Trapiantate fu dimostrato che era Mediata sia dai Contatti che dai Segnali Chimici.

Il termine [Periodo Critico] assunse un nuovo significato con riferimento allo Sviluppo Cerebrale dopo il Lavoro di Konrad Lorenz a metà degli anni 30.

Lorenz era interessato al Processo attraverso il quale le giovani Oche Selvatiche [nota di traduzione, nel Testo originale c'è un errore "Graylag Geese" va corretto con "Greylag Geese" ] divengono Socialmente Legate alla loro Madre.

Egli scoprì che in assenza della Madre, le giovani Oche formavano un Legame Sociale con una ampia varietà di Oggetti in Movimento, compreso lo stesso Lorenz.

Una volta Impresso un Oggetto, le Papere lo avrebbero seguito e si sarebbero comportate nei suoi confronti a tutti gli effetti come se fosse stata la loro Madre.

Lorenz usò proprio la parola "Imprinting" [che in inglese vuol dire "Impressione" nel senso fotografico del termine] per suggerire che la prima Immagine Visuale era in qualche modo "Impressa" in modo permanente nel Sistema Nervoso dei giovani uccelli.

L'Imprinting si scoprì che poteva avvenire entro un limitato Intervallo di Tempo (entro 2 giorni dalla schiusa delle uova), Intervallo di Tempo che Lorenz chiamò "Periodo Critico" per il Legame Sociale.

Lorenz stesso dedusse l'analogia tra questo Processo di Impressione Fotografica dell'Ambiente Esterno sul Sistema Nervoso e la Induzione di un Tessuto a Mutare la sua Destinazione durante il Periodo Critico dello Sviluppo Embrionale.

Questo Lavoro ebbe un impatto devastante nel settore della Psicologia dello Sviluppo.
Gli stessi termini Imprinting e Periodo Critico, suggerivano che i Cambiamenti nel Fenotipo Comportamentale provocati dalle prime Esperienze Sensoriali erano Permanenti ed Irreversibili in seguito durante il corso della Vita, in modo molto simile a come era Determinato il Fenotipo Tissutale durante lo Sviluppo Embrionale.

Numerosi Studi estesero il concetto di Periodo Critico ad aspetti dello Sviluppo Psicosociale dei Mammiferi.

La affascinante conseguenza era che il Destino dei Neuroni e dei Circuiti Neurali nel Cervello dipendeva dalle Esperienze che l'animale viveva durante il primo periodo della sua Vita.

Non è difficile comprendere perché la Ricerca in questo settore ha un grande significato sia dal punto di vista Sociale che Scientifico.

giovedì 16 gennaio 2014

Il Cablaggio del Cervello - Il Riordino delle Sinapsi in Funzione dell'Attività - Influenze Modulatorie

Pag 714-715 del Testo.

Con l'avanzare dell'età sembrano esserci sempre più vincoli sulle Forme di Attività che saranno in grado di produrre Cambiamenti dei Circuiti Corticali.

Prima della Nascita, le raffiche spontanee di Attività Retinale sono sufficienti per gestire alcuni aspetti della Selezione dell'Indirizzo nell'LGN e nella Corteccia.

Dopo la Nascita, è di fondamentale importanza una adeguata interazione con l'Ambiente Visuale. Tuttavia anche una Attività Retinale pilotata Visivamente può risultare insufficiente per produrre delle Modifiche della Binocularità durante questo periodo critico.

Sempre più evidenze Sperimentali indicano che queste Modifiche richiedono anche che gli animali Prestino Attenzione agli Stimoli Visivi, ed utilizzino la Vista per guidare il Comportamento.
Ad esempio non si verificano Modifiche della Binocularità legate a Stimolazione Monoculare [e la Deprivazione Monoculare è una Stimolazione negativa ] se gli animali vengono anestetizzati, nonostante sia noto che i Neuroni Corticali rispondono vivacemente agli Stimoli Visivi anche sotto questa condizione.

Queste ed altre Osservazioni correlate hanno portato alla conclusione che la Plasticità Sinaptica nella Corteccia necessita il Rilascio di "Fattori Abilitanti" al di fuori della Retina che siano Correlati allo Stato Comportamentale (ad esempio il Livello di Vigilanza).

Alcuni progressi sono stati fatti nella Identificazione delle Basi Fisiche di questi Fattori Abilitanti.
Si ricordi che esiste un certo numero di Sistemi Modulatori Diffusi che Innervano la Corteccia. (Ne abbiamo parlato quando abbiamo affrontato il Cap XV del Testo, ad esempio in questo articolo).
Questi includono:

  • Gli Input Noradrenergici dal Locus Coeruleus
  • Gli Input Colinergici dal Prosencefalo Basale
Gli Effetti della Deprivazione Monoculare sono stati studiati in animali nei quali questi Input Modulatori alla Corteccia Striata sono stati rimossi

[e da animalista ne sono profondamente disturbato, ed anzi come si evince dalla figura riportata qui sotto, sono stati condotti sui gatti! Dico io non potevano condurli sui nazisti o sui comunisti? Ah beh, giusto, come fanno a condurli su questi esseri viventi? Serve un cervello... ].

E questo in pratica determinava una sostanziale compromissione della Plasticità della Dominanza Oculare, anche se la Trasmissione nel Percorso Retino-Geniculo-Corticale era apparentemente normale, come si vede nella figura seguente.



martedì 14 gennaio 2014

10 anni dall'uscita del Testo di Riferimento

Come abbiamo sempre scritto e come è riportato in questa nota, gli articoli che vengono prodotti sono degli Appunti trascritti, interpretati, commentati, in alcuni casi corretti, sintetizzati o ampliati, basati su questo testo:

Mark F. Bear, Barry W. Connors, Michael A. Paradiso: 'Neuroscience - Exploring The Brain' 3rd Edition - Lippincott Williams & Wilkins

Appunti trascritti, interpretati, commentati, in alcuni casi corretti, sintetizzati o a

Dalla pubblicazione di questa edizione sono trascorsi 10 anni. Esiste una regola che dice che dopo 10 anni un Testo Scientifico è obsoleto.

Tuttavia per il mio studio di base, finalizzato ad una comprensione dei Fondamenti delle Neuroscienze e della Struttura Cerebrale e del Sistema Nervoso, il Testo è più che adeguato.

Il lavoro successivo di ripasso potrà prevedere un aggiornamento delle voci, specie quelle indicate come "Problema Aperto", se si dispone di Aggiornamenti, magari ripresi dagli Articoli pubblicati nella sezione News sulle Neuroscienze e Scienze Mediche.

Il Cablaggio del Cervello - Il Riordino delle Sinapsi in Funzione dell'Attività - La Competizione Sinaptica

Pag 713-714 del Testo.

Come è noto, un Muscolo che non viene regolarmente usato si Atrofizza e perde forza; da cui il proverbio "Se non lo usi, lo perdi".

La perdita di Connessione delle Sinapsi Deprivate di Attività è dovuta solo al disuso?

[nel testo originale "Disconnection" ovvero Disconnessione ma in lingua italiana ha un senso leggermente diverso che ho preferito rendere con la parola "Perdita di Connessione" ].

Questo non sembrerebbe essere il caso della Corteccia Striata, dal momento che la Perdita di Connessione di un Input di un Occhio Deprivato (Monocularmente) richiede che gli Input dell'Occhio aperto siano Attivi.

[Se nessuno dei due Occhi fosse attivo si perderebbero tutte le Connessioni, la affermazione mi sembra un po' singolare, ma il senso è che non si ha solo una Passività, ossia il disuso ma una Attività operativa ossia quella dell'altro Occhio ].

Piuttosto si evidenzia il verificarsi di un processo di Competizione Binoculare, in base al quale gli Input dai due Occhi competono Attivamente per il Controllo Sinaptico del Neurone Postsinaptico.

Se l'Attività dei due Occhi è Correlata e di uguale forza, i due Input verranno mantenuti nella stessa Cellula Corticale. Tuttavia se si ha uno Sbilanciamento ad esempio mediante Deprivazione Monoculare, la maggiore Attività dell'Occhio aperto in qualche modo sposta le Sinapsi Deprivate o fa in modo che siano meno Efficaci.

La Competizione nella Corteccia Visiva è dimostrata dagli Effetti dello Strabismo, una condizione nella quale gli Occhi non sono perfettamente allineati (ad esempio hanno le linee di sguardo convergenti o "incrociate" o divergenti ).

Questo Disturbo Visivo comune negli Esseri Umani può provocare una Perdita Permanente della Visione Stereoscopica.

Lo Strabismo Sperimentale viene realizzato disallineando chirurgicamente o otticamente i due Occhi [naturalmente sempre su poveri animaletti ] facendo in modo che gli Schemi eavocati Visivamente di Attività dai due Occhi arrivino fuori Sincronia alla Corteccia.

Se si esercita una leggera pressione laterale con un dito su un Occhio è possibile verificare le conseguenze di un Disallineamento dei due Occhi.

A seguito di un periodo di Strabismo si ha una perdita totale dei Campi Ricettivi Binoculari, nonostante i due Occhi mantengano una uguale rappresentazione nella Corteccia (si veda figura seguente).


Questa è una chiara prova che la Perdita di Connessione degli Input da un Occhio è il Risultato di una competizione piuttosto che del disuso (i due Occhi sono entrambi Attivi, ma in ogni Cellula "chi vince prende tutto").

Se lo Strabismo si protrae per un periodo sufficientemente lungo, esso può anche assottigliare la Separazione delle Colonne di Dominanza Oculare dello Strato IV.

I Cambiamenti nella Dominanza Oculare e nella Binocularità a seguito della Deprivazione hanno delle chiare conseguenze sul Comportamento.

Uno Spostamento della Dominanza Oculare a seguito di Deprivazione Monoculare lascia un animale con la Visione compromessa nell'Occhio Deprivato, e la Perdita di Binocularità associata con lo Strabismo elimina completamente la Percezione Stereoscopica della Profondità.

Tuttavia, nessuno di questi Effetti è Irreversibile se viene corretto precocemente durante il Periodo Critico.

La Lezione Clinica è evidente: Le Cataratte Congenite o i Disallineamenti Oculari vanno corretti nella Prima Infanzia, appena è possibile intervenire Chirurgicamente, per evitare una Disabilità Visiva permanente.

martedì 7 gennaio 2014

Il Cablaggio del Cervello - Il Riordino delle Sinapsi in Funzione dell'Attività - La Convergenza Sinaptica

Pag 712-713 del Testo

Anche se i Flussi di Informazione dai due Occhi sono inizialmente Separati, alla fine essi vanno combinati per permettere la Visione Binoculare.

Le Basi Anatomiche per la Visione Binoculare nelle Specie con Colonne di Dominanza Oculare sono costituite dalla Convergenza di Input dalle Cellule dello Strato IV che ricevono a loro volta Input dall'Occhio Destro e dall'Occhio Sinistro sulle Cellule dello Strato III [Ovviamente della Corteccia Visiva Primaria, si faccia riferimento allo Schema di Copertina del Blog ].

Queste sono tra le ultime Connessioni ad essere Definite durante lo Sviluppo del Percorso Retino-Genicolo-Corticale.

Inoltre, il Riordino delle Sinapsi in Funzione dell'Esperienza assume un ruolo cruciale in questo Processo.

Le Connessioni Binoculari sono Formate e Modificate sotto l'influsso dell'Ambiente Visivo durante la Prima e Seconda Infanzia [Prima Infanzia: da 0 a 2 anni, Seconda Infanzia: da 3 a 5 anni].

A differenza della Separazione dei Domini Specifici per ciascun Occhio, che dipendono evidentemente da Schemi Asincroni di Attività che si genera spontaneamente nei due Occhi, lo Stabilirsi di Campi Ricettivi Binoculari dipende dagli Schemi Correlati di Attività che proviene dai due Occhi a seguito della Visione.
Questo è stato chiaramente dimostrato attraverso Esperimenti che spingono gli Schemi di Attività dai due Occhi "fuori registro" [da intendersi "Scorrelano", o "abbassano la Correlazione degli Schemi di Attività provenienti dai due Occhi" ].

Ad esempio la Deprivazione Monoculare, che sostituisce lo Schema di Attività in un Occhio [quello che viene sigillato] con Attività casuale, disturba profondamente la Connessione Binoculare nella Corteccia Striata.
I Neuroni che di norma hanno Campi Ricettivi Binoculari rispondono invece solo alla Stimolazione dell'Occhio non Deprivato.
Questo Cambiamento nella Organizzazione Binoculare della Corteccia è chiamato Spostamento di Dominanza Oculare. (Si faccia riferimento alla figura seguente [Che come al solito riguarda con mio disappunto esperimenti condotti su gatti]).


Questi Effetti della Deprivazione Monoculare non sono semplicemente un riflesso passivo dei Cambi Anatomici nello Strato IV discussi in precedenza, ma hanno delle loro peculiarità:




  1. Rapidità dello Spostamento Oculare.

    Per prima cosa, lo Spostamento di Dominanza Oculare può verificarsi molto rapidamente, entro qualche ora dal momento in cui viene eseguita la Deprivazione Oculare, prima che siano rilevati Cambiamenti rilevanti nelle Ramificazioni Assonali (si veda Figura seguente). Questi Cambiamenti così rapidi dipendono da Variazioni nella Struttura e nella Composizione Molecolare delle Sinapsi senza che si verifichi un sostanziale Rimodellamento degli Assoni. 

  2. Spostamenti della Dominanza Oculare oltre l'Età Critica per i Cambiamenti nella Struttura Assonale dell'LGN.

    In secondo luogo lo Spostamento di Dominanza Oculare può verificarsi in Età ben oltre il Periodo Critico durante il quale avvengono Cambiamenti nelle Ramificazioni Assonali nell'LGN.

  3. Indipendenza del fenomeno dello Spostamento di Dominanza Oculare dalla presenza o meno delle Colonne di Dominanza Oculare nella Corteccia Striata.

    Infine, gli Spostamenti di Dominanza Oculare si verificano in tutti i Mammiferi che hanno Visione Binoculare, e non solo in quelle Specie che hanno le Colonne di Dominanza Oculare.
    Tuttavia, questa Plasticità della Dominanza Oculare diminuisce con la Crescita dell'Individuo, ed in molte Specie scompare all'inizio dell'Adolescenza. (Si veda figura seguente).



    Il Periodo Critico per la Massima Plasticità della Dominanza Oculare coincide con il Periodo di maggior Crescita della Testa e degli Occhi. Si ritiene pertanto che la Plasticità delle Connessioni Binoculari è richiesta di norma per mantenere una buona Visione Binoculare attraverso questo Periodo di rapida Crescita.
    Il Pericolo associato con questa Regolazione Fine Funzione dell'Attività Cerebrale è che queste Connessioni sono altamente Sensibili alla Deprivazione.




lunedì 30 dicembre 2013

Il Cablaggio del Cervello - Approfondimento - Colonne di Dominanza Oculare ed altre Stranezze

Pag 711 del Testo

Le Colonne di Dominanza Oculare (o Striscie o Bande, dipende da come vengono osservate) sono una caratteristica peculiare di alcuni Primati, in particolare degli Esseri Umani e dei Macachi, e di alcuni Carnivori, in particolare Gatti e Furetti.

[ci sorge la domanda del perché loro e non altri? ]

Per molti anni, i Ricercatori hanno ritenuto che gli Input dai due Occhi fossero inizialmente sovrapposti nello Strato IV della Corteccia Visiva di queste Specie e che la Separazione in Colonne alternate fosse basata sul Confronto di Attività prodotta nella Retina.

Molto recentemente tuttavia, questo convincimento è stato messo a dura prova osservando che gli Input specifici da ciascun Occhio alla Corteccia Visiva dei Furetti possono essere rilevati anche quando lo Sviluppo ha luogo senza che avvenga alcuna Attività Retinale.

Questa Scoperta suggerisce che sono i Meccanismi di Orientamento Molecolare, più che gli Schemi di Attività, a determinare la Separazione in Strisce di Dominanza Oculare.

E' importante riconoscere però che alcuni problemi nello Sviluppo possono avere più di una Soluzione.

Le diramazioni dell'Albero dell'Evoluzione dei Mammiferi che portano ai Primati ed ai moderni Carnivori cominciarono a divergere 95 milioni di anni fa.

Dal momento che molti altri Mammiferi hanno perduto la Strutturazione in Colonne di Dominanza Oculare, i Biologi dell'Evoluzione ritengono che le Colonne di Dominanza Oculare nei Carnivori e nei Primati si sono evolute separatamente, per cui dobbiamo usare cautela nel generalizzare i Meccanismi di Formazione della Dominanza Oculare.

Questo punto fu chiaramente illustrato dagli Studi condotti sulle Rane a tre occhi da Martha Constantine-Paton e dai suoi Studenti negli anni '80, all'epoca alla Princeton University.

E' evidente che in natura le Rane non hanno tre occhi, di solito ne hanno due, e ciascuna Retina proietta gli Assoni esclusivamente al Tetto del Mesoencefalo Ottico Controlaterale.

Tuttavia, trapiantando un Occhio in via di formazione da un Embrione di Rana all'area del Prosencefalo di un altro Embrione di Rana, i Ricercatori riuscirono a creare una situazione in cui due Proiezioni Retinali erano costrette a Crescere insieme verso lo stesso Tetto del Mesoencefalo (Figura A, parte (a)).

Sorprendentemente, gli Input si Separavano in Strisce che somigliavano molto agli Schemi di Dominanza Oculare presenti nella Corteccia Striata delle Scimmie (Figura A, parte (b)).

Se l'Attività Retinale veniva bloccata, tuttavia, gli Assoni provenienti dai due Occhi si mescolavano rapidamente.

Questo Esperimento dimostra che delle Differenze nella Attività Retinale possono in effetti essere usate per Separare gli Input, come suggeriscono i modelli Hebbiani di Sviluppo.

[Questo è il documento originale della Pubblicazione dell'Esperimento di Martha Constantine-Paton]