Aree funzionali

NEUROFISIOLOGIA dello SVILUPPO
MG Baglietto
U.O. e Cattedra di Neuropsichiatria Infantile
Dipartimento di Scienze Neurologiche e della Visione
Sezione di Neuroscienze dello Sviluppo
IRCCS G. Gaslini
Primissime fasi dello sviluppo del SNC
Embrione di 26 gg
Aree funzionali cerebrali
Aree funzionali cerebrali
Aree del Linguaggio
• Area di Broca: nella
zona inferiore e
posteriore del lobo
frontale sinistro
• Area di Wernicke:
nella zona posteriore
del lobo temporale
sinistro
MRI
Magnetic Resonance Imaging
fMRI
Functional Magnetic Resonance
Imaging
La risonanza magnetica
funzionale, fMRI, è una
tecnica di imaging biomedico
che consiste nell'uso
dell‘imaging a risonanza
magnetica per valutare la
funzionalità dell’encefalo, in
maniera complementare
all'imaging morfologico
MRI
fMRI
L’immagine a sinistra mostra l’anatomia cerebrale
(MRI). Nell’immagine a destra si osserva l’attivazione
della rappresentazione cerebrale della mano durante
l’esecuzione di movimenti ripetitivi delle mani (fMRI)
In alto attivazione della rappresentazione della mano durante l’esecuzione di movimenti ripetitivi delle mani o
durante l’immaginazione di movimenti.
La semplice immaginazione o osservazione in video di una mano in movimento è sufficiente a far attivare la
rappresentazione corticale della mano.
In basso attivazione della rappresentazione cerebrale del piede durante l’esecuzione di movimenti ripetitivi
del piede sinistro e attivazione della rappresentazione della bocca durante i movimenti della bocca.
Nelle due figure in basso a destra attivazione durante la conta e durante la denominazione silente, in cui i
pazienti devono semplicemente pensare il nome corrispondente alla figura di un oggetto o di un azione.
PET
Positron Emission Tomography
PET
cisti
temporo
polare
dx
SPECT
Single photon emission
computed tomography
Aree del Linguaggio
In verde, l'area della corteccia cerebrale
deputata al linguaggio: l'area di Broca
In rosa, l'area della corteccia cerebrale
deputata al linguaggio: l'area di Wernicke
PET
fMRI
Parti in rosso: attivazioni legate al ricordo di informazione presentata
uditivamente
Parti in verde: attivazioni legate al ricordo di informazione
presentata visivamente
Parti in giallo: attivazioni comuni ai due tipi di ricordi
Principi base dello sviluppo del SNC
Assenza di aree primarie di specializzazione
funzionale definite e fisse, sistema
distribuito, partecipazione integrata di varie
aree alle specifiche funzioni
Unità funzionale di base rappresentata non dal
singolo neurone ma da unità modulari (o
colonne), cioè da più neuroni con proprietà e
potenzialità funzionali analoghe e
interscambiabili
Plasticità corticale, organizzazione o
riorganizzazione funzionale della corteccia
dinamicamente correlata alle richieste
funzionali
Processo di maturazione neurobiologica
•
•
•
•
•
•
Fenomeni proliferativi , di “sprouting”
Fenomeni regressivi, di “apoptosis”
Periodi sensibili-vulnerabili
Progressivo aumento dei neuromediatori
Lateralizzazione emisferica
Differenziazione sessuale
Lo sviluppo segue una linea determinata
geneticamente ma orientata dalle esperienze, in cui
si organizzano strutture progressivamente più
complesse
Il processo di organizzazione neuronale prevede:
• Fenomeni additivi o proliferativi:
proliferazione cellulare
migrazione cellulare
sinaptogenesi
mielinizzazione
• Fenomeni sottrattivi o regressivi:
morte cellulare
retrazione assonale
degenerazione sinaptica
Fenomeni additivi-proliferativi
1) Proliferazione cellulare e migrazione
Si determina quasi interamente durante il periodo di
sviluppo prenatale (7°mese di gravidanza ).
Il numero dei neuroni presenti alla nascita è già definitivo;
il neonato ha più neuroni di quanti ne avrà mai e più di
quanti gli occorrano per un normale sviluppo.
Migrazione neuronale
corteccia cerebrale
2) Distribuzione dell’attività metabolica sulle
regioni cerebrali
L’attività metabolica (PET) comincia a partire:
-dalle strutture sottocorticali, attive alla nascita;
-dalle regioni occipitali, temporali e parietali,
tra i 3 e i 6 mesi;
-con un aumento dell’attività del lobo frontale,
tra gli 8 e i 10 mesi.
3) Connessioni tra regioni cerebrali
Le connessioni assonali non sono complete fino ai
9 mesi, quando, pur non avendo ancora
completato il processo di mielinizzazione, risultano
sufficientemente funzionanti.
Dati metabolici e neuroanatomici evidenziano che
tra gli 8 e i 10 mesi vengono stabilite le basi delle
connessioni tra regioni funzionali attive, alla base
degli importanti eventi che si realizzano nello
stesso tempo sul piano cognitivo-comportamentale.
Sviluppo delle ramificazioni dendritiche
Alla nascita
a 15 mesi
a 2 anni
4) Mielinizzazione
E’ un processo che aumenta l’efficienza della
trasmissione dell’informazione.
- Le aree sensoriali tendono a mielinizzarsi prima delle
aree motorie
- Le aree di associazione intracorticale si mielinizzano
tardivamente e continuano anche nella seconda
decade di vita.
Mielinizzazione
5) Sinaptogenesi
Picco della sinaptogenesi tra i 9 e i 24 mesi; densità
delle connessioni sinaptiche della corteccia cerebrale
150% dei livelli osservati nell’adulto.
Il picco della sinaptogenesi è raggiunto in momenti
differenti nelle varie regioni cerebrali:
- area primaria sensoriale, a 4 mesi
- aree della corteccia visiva, a 4 mesi, a 11 mesi, a
19-20 mesi
- corteccia frontale, a 24 mesi.
6) Picco nel metabolismo cerebrale
Straordinario aumento dell’attività metabolica,
ipermetabolismo, con picco a 48 mesi, 2 anni dopo
il picco nella sinaptogenesi.
Dai dati neuroanatomici e metabolici:
- esuberanza strutturale che raggiunge il massimo
tra i 9 e i 24 mesi;
- esuberanza funzionale 2 anni dopo.
Il divario tra picco strutturale e picco metabolico è
interpretato come uno spostamento dalla struttura alla
funzione, dalla proliferazione strutturale al massimo
numerico dei neuroni attivi contemporaneamente
Fenomeni sottrattivi-regressivi
- sovraproduzione - processo relativamente repentino
- eliminazione selettiva - processo relativamente lento
1) Morte cellulare
Rapida eliminazione di neuroni:
- per le regioni sottocorticali durante la gestazione
- per le regioni corticali nel corso dei primi 6 mesi di vita
Densità neuronale:
-a 2 anni: 55% sopra i livelli dell’adulto
-a 7 anni: 10% sopra i livelli dell’adulto
2) Retrazione assonale e
degenerazione sinaptica
Conseguenza della morte cellulare.
Gli assoni si retraggono se e quando si realizza una
connessione inadeguata o non riuscita.
Queste aberranti connessioni assonali possono
sopravvivere e diventano funzionanti a fronte di condizioni
stimolanti inusuali.
Il numero delle sinapsi si riduce dopo il periodo di crescita
esuberante.
Nella corteccia un numero di sinapsi pari all’adulto viene
raggiunto tra gli 11 e i 16 anni.
Morte cellulare, retrazione assonale e sottrazione
sinaptica sono necessarie per eliminare cellule
“malate” e connessioni inadeguate così che solo i
neuroni che determinano e mantengono
connessioni funzionali sono mantenuti
Processo di competizione
3) Declino metabolico
Dopo un massimo di attività metabolica tra i 4 e
i 5 anni, il metabolismo cerebrale inizia a ridursi,
raggiungendo il livello dell’adulto nella seconda
decade di vita.
Importanti implicazioni per il recupero di
funzioni cognitive dopo un danno cerebrale
precoce.
Significato dei fenomeni sottrattivi
Principi generali dello sviluppo cerebrale di:
- competizione
- sopravvivenza dipendente dalla funzionalità
Sovrabbondanza di cellule, assoni, sinapsi: materiale
grezzo per lo sviluppo attraverso la competizione tra
cellule vicine, tra regioni cerebrali e soluzioni alternative
che il bambino incontra.
Eventi sottrativi: processo attraverso il quale
l’esperienza scolpisce il materiale grezzo nella sua
configurazione finale.
Codipendenza di maturazione ed esperienza: lo sviluppo
del SNC segue una linea determinata geneticamente ma
orientata dalle esperienze, in cui si organizzano strutture
progressivamente più complesse.
Processo di lateralizzazione
emisferica
• La lateralizzazione è un processo che si
evolve con la crescita, cioè è geneticamente
preprogrammato, ma necessita di tempo per
realizzarsi. Si tratta di un processo tipico ed
esclusivo del genere umano, che ha inizio
all'età di due anni e si conclude pienamente
tra i cinque anni e l'inizio della pubertà
Dominanza emisferica e organizzazione
funzionale dei due emisferi
Molte funzioni corticali hanno una rappresentazione bilaterale,
ovvero biemisferica, ma differisce nei due emisferi il livello di
strutturazione della loro organizzazione funzionale:
• di tipo più elementare, immediato e concreto per
l’emisfero non dominante
• di tipo più elevato, a carattere simbolico e categoriale
per l’emisfero dominante
Specializzazione emisferica
• elaborazione analitica dell’emisfero
sinistro: linguaggio, calcolo, abilità
connesse all’ordine temporale,
coordinazioni motrici fini, …
• elaborazione olistica dell’emisfero destro:
elaborazione dei suoni non linguistici,
abilità spaziali, orientamento,
riconoscimento dei volti …
Aree funzionali
Grazie a tutta una serie di osservazioni di ordine istologico,
fisiologico e neuropsicologico, si usa dividere la corteccia cerebrale
in aree che svolgono funzioni diverse:
le aree primarie, le aree secondarie e le aree associative
Controlateralizzazione: l’emisfero cerebrale sinistro controlla i
movimenti volontari degli arti della parte destra e viceversa.
L’emisfero sinistro processa le informazioni visive che provengono
dal campo visivo destro e viceversa.
Il corpo calloso permette ai due emisferi di scambiarsi le
informazioni.
Localizzazione del linguaggio
• Nello sviluppo del linguaggio sono implicate diverse
strutture, in particolare i lobi prefrontali, parietali e
temporali, con una progressiva dominanza dei lobi
temporali
• L ’evoluzione verso la dominanza emisferica sinistra,
passa attraverso una primitiva dominanza dell’emisfero
destro durante i primi due anni di vita e successivamente
attraverso una equipotenzialità biemisferica
• La strutturazione definitiva dei pattern neuronali del linguaggio nell’emisfero sinistro,
avviene tra il 3 e il 5 anno di vita
• Questo periodo può essere considerato il periodo critico dello sviluppo cognitivo e
del linguaggio
• Nei destrimani il linguaggio è controllato dall’emisfero cerebrale sinistro così come
per il 70% dei mancini mentre per circa un 15% dei mancini il linguaggio è controllato
dall’emisfero cerebrale destro. Nel restante 15% dei mancini il linguaggio è controllato
da entrambi gli emisferi.
Differenziazione sessuale
• Asimmetria degli emisferi tra uomini e donne
• Le donne hanno una rappresentazione del linguaggio
bilaterale ed hanno un cervello organizzato in modo
maggiormente simmetrico rispetto a quello maschile
Lesioni nell'emisfero sinistro comportano una più grave invalidità
verbale negli uomini che nelle donne
Studi condotti su gruppi di ragazzi affetti da dislessia (Leonard et al.)
portano alla conclusione che questi presentano un planum
temporale significativamente asimmetrico verso sinistra e un giro di
Heschl sinistro più ampio
Il lobo temporale contiene il giro di Heschl, una struttura
estremamente importante nella ricezione degli stimoli
uditivi; sopra il giro di Heschl si trova il planum temporale,
una struttura che si estende fino alla giuntura temporale tra
il lobo temporale e quello parietale. Questa particolare area
corticale , planum temporale, è evidentemente, nella
maggior parte degli esseri umani, più ampia nell’emisfero
sinistro che in quello destro, ed è considerata importante
per il linguaggio come area di associazione secondaria
Leonard
Leonard et
et al,
al, Arch.Neurol.
Arch.Neurol. 1993
1993
Concetto di neuroplasticità
Capacità del Sistema Nervoso di adattarsi a
nuove condizioni fisiologiche che emergono
sia durante la maturazione che durante
l’interazione con l’ambiente,
ovvero
capacità del sistema nervoso di adattare la
sua organizzazione strutturale a nuove
situazioni emergenti sia da condizioni
maturazionali ed ambientali sia successive
a lesioni
All’interno del cervello del bambino si assiste, sia a livello di
neuroni che di “rete”, ad una sorta di competizione per la
sopravvivenza e la crescita: i neuroni che ricevono deboli
impulsi e quindi sono fragilmente attivati subiscono una sorta di
“potatura”, quelli che invece risultano essere attivi vengono
mantenuti; allo stesso modo le sinapsi (che formano la “rete
neurale”) competono le une con le altre e subiscono lo stesso
trattamento.
Fischer e Rose (1994) sulla base di questi e di altri dati,
concernenti rilevazioni di picchi di attività cerebrale registrabili
con l’EEG, l’andamento del metabolismo del glucosio e gli
aumenti della circonferenza della testa, propongono una
complessa coordinazione tra l’evoluzione dei vari stadi cognitivi
e la presenza di cicli di crescita cerebrale.
In pratica, ciclicamente, possiamo notare cambiamenti a livello
di struttura cerebrale, ogni volta che il bambino sta
attraversando una fase di sviluppo cognitivo.
Concetto di periodi
sensibili-vulnerabili
Periodi di massima crescita e massima vulnerabilità,
funzione-specifici e cronologicamente ben delimitati,
contrassegnati anche da una maggiore capacità di
compenso
Chiaramente dimostrati per certe funzioni, come quella
visiva, ma presumibili anche per altri sistemi a funzione
specifica
Modularità della mente
(Fodor 1983)
I moduli della mente sono:
1. veloci: le operazioni si svolgono in millisecondi,
automaticamente
2. costituiti da circuiti nervosi dedicati: la
modularità è la versione moderna del
localizzazionismo classico
3. legati ad ambiti specifici di informazione: per
es., la percezione di suoni linguistici, ma non di suoni
musicali, il riconoscimento dei volti in condizioni di
luce normale, non dei negativi fotografici
«Reti funzionali» , functional webs
secondo Pulvermüller :
Pulvermüller sostiene che la semplice osservazione di un determinato
oggetto crea una rete funzionale che diventa la rappresentazione
corticale dell’oggetto stesso, dato che la rete è costituita da collegamenti
neurali forti che coinvolgono tutti i neuroni partecipi allo specifico processo
innescato dalla visione dell’oggetto stesso.
L’unione delle varie caratteristiche dell’oggetto (forma, colore, peso) si
formerebbe nelle connessioni reciproche all’interno della rete funzionale,
ovvero tra i neuroni distribuiti nella rete, inclusi quelle delle aree primarie.
Il concetto relativo all’oggetto, quindi, si formerebbe proprio come un
ampio insieme di neuroni distribuito su un piccolo insieme di aree corticali,
aree che servirebbero come siti di unione.
Secondo lo stesso principio si costruisce anche la forma di parola, o
meglio le reti che permettono la realizzazione di forme di parola.
Si forma una rete funzionale distribuita lungo la corteccia perisilviana, che
comprende le aree frontali inferiori e temporali superiori ovvero le principali
aree del linguaggio.
Developmental Disorders (DD)
anomalie circoscritte e selettive dello sviluppo di:
Funzione verbale:
Language and Speech Disorders
Capacità di apprendimento:
Academic Skills Disorders
Organizzazione motoria:
Motor Skills Disorders
Capacità di integrazione sociale:
Pervasive Developmental Disorders
Attenzione:
Attention Deficit Disorders