I ritmi biologici
• Tutti i sistemi viventi mostrano una periodicità,
ovvero dei cambiamenti prevedibili nel tempo
• La frequenza di questi cambiamenti varia da rapida,
come i potenziali del cervello, a lenta come i
cambiamenti annuali
– Circadiani (ciclo sonno-veglia)
– Ultradiani (alimentazione, secrezione ormonale)
– Infradiani (meno di una volta al giorno; es: ciclo
mestruale)
Elettrofisiologia cerebrale:
• Studia l’attività elettrica cerebrale in relazione
a processi psichici e comportamentale
• Due branche
– Potenziali evocati: studio dell’attività elettrica in
risposta a stimoli sensoriali
– EEG (Berger, 1929): registrazione grafica nel
tempo delle spontanee, autonome e continue
fluttuazioni dei potenziali elettrici cerebrali
Potenziali Evocati
I ritmi cerebrali:
elettroencefalogramma
• EEG è una misura che permette di studiare
l’attività generalizzata della corteccia
• Viene utilizzato nella diagnosi di condizioni
neurologiche come l’epilessia o nelle ricerche
sul sonno
• EEG misura la corrente che corre nella
corteccia cerebrale durante l’eccitazione
sinaptica dei dendriti delle cellule piramidali
Sistema internazionale 10-20
- gli elettrodi vengono posti a
distanze proporzionali standard del
10% e 20% lungo l’ipotetica linea
sagittale che collega l’inion (l’osso
duro della nuca) al nasion (la
depressione al ponte del naso) e la
linea trasversale che unisce le due
depressioni auricolari
- lettere si riferiscono alle diverse
aree
cerebrali,
i
numeri
contrassegnano il lato ed il grado di
spostamento della linea mediana
- Misura la differenza di potenziale
tra le due aree prescelte (derivazione
monopolare e bipolare)
elettroencefalogramma
• L’ampiezza del segnale dipende da quanto è
sincronizzata l’attività dei neuroni implicati:
quando un gruppo di cellule è eccitato
simultaneamente i segnali si sommano per
generare un unico segnale di superficie
• Se l’eccitazione sincrona di questo gruppo di
cellule è ripetuta molte volte, l’EEG sarà
costituito da onde grandi e ritmiche
Bassa sincronia
Alta sincronia
I ritmi EEG
• I ritmi variano e sono correlati con particolari stati di
comportamento (livelli di attivazione; sonno/
veglia), e di patologia (accessi, coma)
• I ritmi si differenziano per frequenza e voltaggio • Ritmi β >14 Hz
corteccia attiva
• Ritmi α 8-13 Hz
veglia rilassata
• Ritmi τ 4-7 Hz
alcuni stadi del sonno
• Ritmi δ < 4 Hz
sonno profondo
I ritmi EEG
• I ritmi ad alta frequenza e bassa ampiezza sono associati
con stati di vigilanza e di veglia o con gli stati di sonno in
cui si sogna
• I ritmi a bassa frequenza e grande ampiezza sono associati
con gli stati del sonno non REM o con il coma
• Tutto dipende dalla sincronizzazione: quando la corteccia è
impegnata in compiti cognitivi, il livello di attivazione è
alto ma non c’è sincronia: ciascun gruppo di neuroni è
implicato in una particolare aspetto di un compito
complesso
Come si generano I ritmi
sincronizzati?
• I ritmi sincronizzati possono essere determinati
da un sincronizzatore
• Possono essere generati dal comportamento
collettivo dei partecipanti
Come si generano i ritmi
sincronizzati?
• Il talamo con le sue massicce afferenze può
agire come un potente sincronizzatore
• Ma come oscillano i neuroni talamici?
– Le cellule talamiche hanno un particolare insieme di
canali ionici che consentono di generare scariche
ritmiche ed automantenute senza input esterni
– Le connessioni sinaptiche eccitatorie ed inibitorie tra
i neuroni talamici costringono ogni neurone a
conformarsi al ritmo del gruppo
– Questi ritmi coordinati vengono trasmessi alla
corteccia attraverso gli assoni talamocorticali
Le funzioni dei ritmi cerebrali
• Ritmi lenti: quando dormiamo i ritmi autogenerati
impediscono alle informazioni sensoriali di arrivare
in corteccia???
• I ritmi veloci sono utilizzati per coordinare l’attività
tra le diverse regioni della corteccia: attraverso la
sincronizzazione delle veloci oscillazioni generate
dalle diverse regioni implicate nell’elaborazione
parallela di un elemento, il cervello unifica i
percetti???
• Non hanno una funzione diretta: riflettono la
tendenza dei circuiti cerebrali ad essere fortemente
interconnessi con feedback eccitatori
Stadi del sonno
• Il sonno è un processo nervoso attivo e ritmico
• È costituito da una serie di cicli nei quali sono
riconoscibili stadi diversi:
– Sonno REM: attività elettrica desincronizzata ma
atonia muscolare, attività simpatica
– Sonno non-REM: sincronizzazione (onde lente e e
di grande ampiezza), rilassamento muscolare, attività
parasimpatica (diminuiscono fr. cardiaca,
respiratoria, attività metabolica)
Cicli del sonno
• Sonno REM (25%) e sonno non-REM (75%) si
alternano ogni 80-120 minuti circa
• Il sonno non-REM si caratterizza da 4 stadi
– Stadio I: rallentamento e diminuzione dell’ampiezza
del ritmo alfa
– Stadio II: presenza nell’EEG di fusi del sonno treni
di onde di 14-15 Hz (generati dal talamo) ed onde di
grande ampiezza chiamate complessi K
– Stadio III- IV : ritmi di grande ampiezza e bassa
frequenza (onde delta) La respirazione è lenta ed
uniforme, temperatura e pressione continuano a
diminuire
Perchè dormiamo?
• Il sonno aiuta ad evitare i predatori quando
siamo più vulnerabili
• Periodi di riduzione dell’attività (tono
muscolare, ritmo cardiaco/respiratorio, pressione
sanguigna,
temperatura)
consentono
di
conservare energia. • Il sonno aiuta il ripristino di materiali usati
durante la veglia (ad esempio ormoni)
• Aiuta a consolidare l’apprendimento
Meccanismi neurali del sonno
Il sonno è un processo attivo e richiede la
partecipazione di diverse aree cerebrali:
• Tronco dell’encefalo:
–
Sistema reticolare attivante: costituito da
diversi nuclei troncoencefalici (neuroni
noradrenergici del locus ceruleus, neuroni
serotoninergici dei nuclei del rafe, nuclei colinergici
del ponte)
• Talamo
serotoninergici
noradrenergici
Neuroni noradrenergici locus ceruleus
neucorteccia
talamo
ipotalamo
Lobo temporale
Locus coeruleus
Ponte
cervelletto
Neuroni serotoninergici dei nuclei del rafe
Gangli della base
Neocorteccia
Talamo
Ipotalamo
Lobo temporale
Nuclei del rafe
Cervelletto
Midollo spinale
Neuroni colinergici del ponte
talamo
neocorteccia
Ippocampo
Complesso tegmentale
ponto-mesencefalico
sistema reticolare attivante
• Gli effetti dei neurotrasmettitori dei neuroni
attivanti della formazione reticolare consistono
in una depolarizzazione dei neuroni corticali, in
un aumento della loro eccitabilità e nella
soppressione di forme sincronizzate di scarica
• L’attivazione della corteccia si ha sia tramite le
connessioni con il talamo (e relative proiezioni
talamocorticali) sia attraverso dirette connessioni
della SRA e la corteccia cerebrale
Meccanismi neurali del sonno:
addormentamento e sonno non-REM
• Diminuzione della frequenza di scarica della
maggior parte dei neuroni attivanti del tronco
dell’encefalo
• Fusi del sonno ed onde lente sono generati
dall’attività ritmica dei neuroni talamici
• A causa delle forti connessioni eccitatorie a
doppio senso tra il talamo e la corteccia l’attività
ritmica del primo è trasferita all’altra
Meccanismi neurali del sonno:
sonno REM
• Il controllo del sonno REM proviene dai sistemi
modulatori del tronco encefalico
– Il rapido aumento della fr. di scarica dei neuroni
colinergici del ponte sembra induca il sonno REM
– Sono le stesse strutture tronco encefaliche che
controllano i processi del sonno ad inibire
attivamente i motoneuroni spinali, impedendo
all’attività motoria discendente di esprimersi con
movimenti reali
Neuroni colinergici del ponte
talamo
neocorteccia
Ippocampo
Complesso tegmentale
ponto-mesencefalico
…il perché?
• Il significato più importante dei ritmi è la
sincronizzazione del comportamento e degli
stati corporei con le variazioni ambientali
• un orologio endogeno permette agli animali
di anticipare gli eventi periodici, come la
comparsa del buio, e di attivare i
comportamenti appropriati prima che le
condizioni cambino
Orologio endogeno
• I ritmi circadiani sono generati da un orologio endogeno: in
assenza di stimoli ambientali la ritmicità è mantenuta anche
se i ritmi possono andare a” ruota libera”
• La desincronizzazione dei ritmi (ciclo sonno/veglia,
temperatura corporea, alimentazione) comporta una riduzione
della qualità del sonno e del benessere al risveglio
• Il principale regolatore è il ciclo luce-buio • Una
piccola
regione
dell’ipotalamo,
il
nucleo
soprachiasmatico è uno dei responsabili dell’oscillazione
circadiana
• Ha afferenze retiniche dirette mantengono il suo ritmo
coordinato con i ritmi circadiani dell’ambiente • Le vie efferenti sono dirette al talamo ed al tronco
dell’encefalo gli consentono di controllare e sincronizzare
con i suoi ritmi alcuni ritmi del cervello e del corpo
• Lesioni sperimentali del NSC interferiscono con i ritmi
circadiani del sonno/veglia, bere, e dell’attività
L’omeostasi
• La tendenza verso la stabilità dell’organismo
è stata chiamata omeostasi (Cannon, 1932)
• La
costanza
dell’ambiente
interno
dell’organismo è il risultato di un sistema di
meccanismi di controllo che limitano la
variabilità delle condizioni dell’organismo
L’omeostasi
• I riflessi omeostatici si verificano a molti livelli del
sistema nervoso ma l’ipotalamo gioca un ruolo
chiave agendo su tre importanti sistemi:
– Sistema endocrino
– Sistema nervoso autonomo
– Sistema neuronale corticale implicato nei processi
motivazionali (fame, sete, ricerca di calore e/o fresco ecc)
L’ipotalamo
• Costituisce meno dell’1% del volume totale del SNC
dell’uomo tuttavia contiene un elevato numero di circuiti
che sono implicati nelle funzioni vitali quali
– Controllo dell’assunzione di cibo e acqua
– Controllo della pressione arteriosa
– Controllo dell’osmolarità del sangue (concentrazioni di sali
disciolti nell’acqua)
– Controllo della temperatura
– Regolazione del comportamento emozionale e riproduzione
L’ipotalamo
• È riccamente interconnesso con un gruppo di strutture
corticali che fanno parte del sistema limbico e riceve
molte afferenze dalla neocorteccia e dal tronco encefalico,
invia afferenze alla neocorteccia, al tronco encefalico ed al
midollo spinale
• Una delle sue principali funzioni consiste nel controllare
l’ipofisi alla quale è attaccato mediante un peduncolo detto
infundibolo
L’ipotalamo: anatomia
laterale: originano
lunghe fibre
• Regione
che
proiettano alla corteccia (il più cospicuo è il
fascicolo proencefalico mediale)
• Regione mediale: contiene la maggior parte dei
nuclei dell’ipotalamo (nucleo preottico, i nuclei
mammillari)
• Regione periventricolare: contiene molti dei
neuroni che che controllano la liberazione degli
ormoni dell’ipofisi o che producono neurormoni
L’ipotalamo: la neurosecrezione
• Neuroni con duplice ruolo
– Cellule nervose: ricevono e trasmettono messaggi
elettrici
– Cellule endocrine: liberano i loro prodotti di secrezione
nel circolo ematico • I neuromoni vengono sintetizzati nel corpo cellulare,
immagazzinati
in
vescicole
neurosecretorie,
trasportati nelle terminazioni sinaptiche e liberati
mediante secrezione quando il neurone è stimolato
L’ipotalamo: regolazione sistema endocrino
funzioni è il controllo del
• Una delle sue principali
sistema endocrino
– Direttamente: con la secrezione neurormoni nel circolo
ematico
dell’ipofisi
posteriore
(neuroipofisi).
L’ipotalamo invia i propri assoni all’interno dell’ipofisi
posteriore e rilascia i neurormoni
– Indirettamente: con la secrezione di ormoni regolatori
(ipofisiotrofici) che vengono riversati nel anteriore
(adenoipofisi) mediante il circolo portale ipotalamoipofisario. Gli ormoni regolatori possono essere
inibenti o liberanti la sintesi degli ormoni dell’ipofisi
anteriore e la loro liberazione nel circolo ematico
L’ipotalamo: la neurosecrezione
– I neuroni magnocellulari liberano nel circolo ematico,
dell’ipofisi
posteriore,
ossitocina
(contrazione
ghiandole mammarie e muscolatura liscia uterina) e
vasopressina (ormone antidiuretico: agisce sulla
permeabilità delle membrane dei dotti renali facilitando
il riassorbimento dell’acqua filtrata)
– I neuroni parvicellulari, liberano i loro ormoni nel
circolo portale e stimolano o inibiscono la secrezione
ormonale da parte dell’ipofisi anteriore
Ormoni ipofisi anteriore
Bersaglio
Effetti
Ormone follicolo-stimolante Gonadi
(FSH)
Ovulazione,
spermatogenesi
Ormone luteinizzante (LH
Gonadi
Moturazione ovarica e
spermatica
Ormone tiroideo- stimolante Tiroide
(TSH, o tirotropina)
Secrezione di tiroxina
(aumenta velocità
metabolica)
Ormone adrenocorticotropo
(ACTH o corticotropina)
Secrezione di cortisolo
(mobilita energia
immagazzinata, inibisce il
sistema immunitario)
Corticale
del surrene
Ormone della crescita (GH)
Tutte le
cellule
Stimola la sintesi delle
proteine
Prolattina
Crescita e secrezione del
latte
Ghiandole
mammarie
•
L’ipotalamo:
regolazione risposte vegetative Stimolando regioni diverse si evocano le varie risposte
vegetative possibili: alterazioni delle frequenza cardiaca,
pressione
arteriosa,
motilità
gastrointestinale,
piloerrezione ecc.
• Non nucleo motore del SNA ma centro di coordinazione
delle risposte vegetative, endocrine e somatiche: integra
le diverse info che riceve circa le condizioni del corpo,
anticipa alcune sue necessità e provvede ad un insieme
coordinato di risposte neurali, ormonali e comportamentali
Il sistema nervoso periferico
SNP Somatico: tutti i nervi spinali che innervano cute
giunture e muscoli sotto il controllo volontario
• Afferenti somatiche: raccolgono info. provenienti dalla pelle, (sensazioni
esterocettive: tatto, pressione, temperatura, dolore) muscoli e giunture
(sensazioni propriocettive: posizione del corpo, direzione entità, e forza dei
movimenti) e penetrano attraverso le radici dorsali
• Efferenti somatiche: assoni dei motoneuroni delle colonne grigie ventrali
innervano i muscoli scheletrici, controllano contrazione e rilassamento dei
muscoli SNP Viscerale o autonomo: neuroni che innervano organi interni,
vasi sanguigni e ghiandole
Afferenti viscerali o autonome: raccolgono info. provenienti dai recettori
situati nelle pareti dei vasi sanguigni e degli organi addominali (impulsi
interocettivi: pressione arteriosa, tensione delle pareti, composizione
chimica dei liquidi, volume dei liquidi alberganti)
• Efferenti viscerali o autonome: assoni dei motoneuroni delle colonne
grigie laterali controllano i muscoli lisci, la frequenza di contrazione del
muscolo cardiaco e la funzione di diverse ghiandole
Suddivisioni della componente viscerale
autonoma
• Sistema parasimpatico (sezione craniosacrale): tende a
conservare le risorse dell’organismo ed a ristabilire l’omeostasi.
Le fibre pregangliari sono lunghe e formano sinapsi nei gangli
collaterali o terminali. Le fibre postgangliari usano acetilcolina
(fibre colinergiche). Lavora per il benessere a lungo termine. Facilita la
digestione, la crescita, le risposte immunitarie e l’immagazzinamento di
energia
• Sistema simpatico (sezione toracolombare): prende parte alla
risposta somatica allo stress. Le fibre pregangliari sono corte e
contraggono sinapsi nei gangli vertebrali e/o collaterali. Le fibre
postgangliari usano noradrenalina (fibre noradrenergiche).
Innerva gli stessi organi della componente parasimpatica ma
costituisce l’unico apporto nervoso per la midollare del surrene,
le ghiandole sudoripare, i vasi sanguigni cutanei e del muscolo
scheletrico e della milza.
• Gli effetti di entrambi i sistemi sono tonici e generalmente
antagonisti. Le divisioni del SNA
• Simpatica:
– si origina dai segmenti toracico e lombare
– i neuroni pregangliari (Ach) fanno sinapsi nel
ganglio della catena simpatica in prossimità
della colonna vertebrale
– i neuroni postgangliari sono noradrenergici
– mobilita il corpo per una emergenza di breve
durata: attacco, fuga, paura e sesso
Le divisioni del SNA
• Parasimpatica:
– si origina dal tronco encefalico e dai segmenti
sacrali del MS
– i neuroni pregangliari (Ach) fanno sinapsi nei
gangli in prossimità degli organi bersaglio
– i neuroni postgangliari usano acetilcolina
– Lavora per il benessere a lungo termine.
Facilita la digestione, la crescita, le risposte
immunitarie e l’immagazzinamento di energia
Le divisioni del SNA
La divisione enterica è un unico sistema neurale localizzato
in un posto insolito: esofago, stomaco, intestino, pancreas e
cistifellea.
– Controlla molti processi fisiologici coinvolti nel trasporto
e nella digestione del cibo.
• Neuroni enterici sensoriali (controllano la tensione delle pareti
sensoriali, lo stato chimico dei contenuti dello stomaco e del
sangue).
• Motoneuroni enterici efferenti governano la motilità dei muscoli
lisci, le secrezioni delle mucose digestive, il diametro dei vasi
sanguigni locali.
La divisione enterica non è pienamente autonoma: la
divisione simpatica e parasimpatica forniscono un
controllo supplementare (in situazioni di stress la forte
attivazione simpatica inibisce la DE e le funz. digestive
Il controllo centrale del SNA
• L’ipotalamo è il principale elemento di
regolazione dei neuroni autonomi pregangliari
• essenziali sono le connessioni con il tronco
encefalico (nucleo del tratto solitario) e con i
neuroni pregangliari del tronco encefalico e del
midollo spinale appartenenti alle divisioni
simpatica e parasimpatica del SNA
L’ipotalamo:
regolazione assunzione di cibo
• Lesioni di regioni differenti dell’ipotalamo hanno
effetti opposti: – Regioni laterali: riduzioni dell’assunzione di cibo
(afagia); sindrome ipotalamica laterale
– Regioni
ventromediali:
aumento
smisurato
dell’assunzioni di cibo (iperfagia); sindrome
ipotalamica ventromediale
•
L’ipotalamo:
regolazione assunzione di cibo
Ci sono prove convincenti
rispetto il ruolo dell’ipotalamo
anche se anche altre strutture del SN prendono parte al
controllo dell’assunzione di cibo
• Due principali classi di segnali regolatori
• Segnali a lungo termine: regolano il peso corporeo
complessivo (in relazione alla quantità di depositi di
grassi)
• Segnali a breve termine: regolano la quantità di alimenti
assunta nei singoli pasti (proprietà chimiche del cibo)
Bilancio energetico e grasso corporeo
del corpo sono riempiti
• I magazzini di energia
immediatamente dopo aver consumato un pasto (stato
prandiale: il sangue si arricchisce di nutrienti)
• L’energia viene immagazzinata mediante la costruzione di
macromolecole (anabolismo):
– Glicogeno: riserve a capacità limitata, si trovano principalmente
nel fegato e nei muscoli scheletrici;
– Trigliceridi: riserve a capacità potenzialmente illimitata, si
trovano nel tessuto adiposo • Durante il digiuno tra i pasti (stato postassorbimento) le macromolecole vengono frammentate per garantire un rifornimento continuo del “carburante” per il metabolismo cellulare Bilancio energetico e grasso corporeo
• Se l’assunzione e l’immagazzinamento di energia
superano in misura consistente il suo utilizzo, la quantità
di grasso corporeo, aumenta fino a diventare obesità
• Se l’assunzione di energia non soddisfa il fabbisogno del
corpo, si verifica la perdita di tessuto adiposo, portando
all’inedia
Omeostasi dei grassi:ipotesi lipostatica
(1953, Gordon Kennedy)
• Aumento dei livelli di leptina (rilasciata nel circolo ematico dagli
adipociti) stimolano i neuroni del nucleo arcuato dell’ipotalamo
(recettori per la leptina)
• Il nucleo arcuato ipotalamico rilascia due peptidi anoressizzanti che
integrano
– risposta umorale: stimolazione dell’ipofisi anteriore ed aumento
secrezione TSH e ACTH = incremento dell’attività metabolica
in tutto il corpo
– risposta viscerale: attivazione simpatica del SNA = aumento
dell’attività metabolica
– risposta motoria: riduzione del comportamento alimentare
(inibizione ipotalamo laterale)
Omeostasi dei grassi
• Caduta dei livelli di leptina stimola altri neuroni del nucleo arcuato
che rilasciano due peptidi oressigenici • Il rilascio dei peptidi oressigenici induce risposte multiple:
– risposta umorale: inibiscono la secrezione TSH e ACTH da parte
dell’ipofisi anteriore= decremento dell’attività metabolica in
tutto il corpo
– risposta viscerale: attivazione parasimpatica del SNA=
decremento dell’attività metabolica
– risposta motoria: stimolazione del comportamento alimentare sia
diretta (peptidi oressigenici del nucleo arcuato proiettano in
corteccia) sia indiretta (tramite stimolazione dell’ipotalamo
laterale)
L’ipotalamo laterale:
regolazione assunzione di cibo
– Nell’ipotalamo laterale vi sono dei neuroni
che
ricevono afferenze dirette dal nucleo arcuato (sensori
dei livelli di leptina)
– Questo gruppo di neuroni dell’ipotalamo laterale
produce alcuni peptidei oressigenici che proietta in
modo diffuso a tutta la corteccia
– La corteccia è dunque informata sui livelli ematici di
leptina e può dunque contribuire alla strutturazioni di
comportamenti per la ricerca di cibo
•
L’ipotalamo assunzione di cibo: segnali a breve termine
nel sangue dallo stomaco, quando
La grelina, un peptide rilasciato
questo è vuoto, stimola fortemente l’appetito ed il consumo di
cibo attraverso l’attivazione del nucleo arcuato e conseguente
produzione di peptidi oressigenici
• La distensione gastrica è un potente segnale di sazietà.
L’informazione afferente è condotta dal nervo vago i cui assoni
sensoriali attivano i neuroni del nucleo del tratto solitario del
bulbo (= inibizione assunzione cibo). Inibizione comp. alimentare.
• Altri ormoni intestinali liberati durante il pasto, possono
contribuire all’insorgenza dei segnali di sazietà (colecistochinina).
L’azione della CCK si esercita tramite il nervo vago
• L’ipotalamo possiede recettori per l’insulina che rispondono ai
livelli ematici di questa sostanza.
L’ipotalamo assunzione di cibo: segnali a breve termine
• L’insulina, ormone rilasciato dalle cellule del pancreas, è
importante per il metabolismo anabolico durante il quale il
glucosio è trasportato nelle cellule del fegato, del muscolo
scheletrico, delle cellule adipose per l’immagazzinamento
• Con la vista del cibo, l’innervazione parasimpatica del pancreas
stimola la liberazione di insulina, che a sua volta fa aumentare il
metabolismo anabolico, diminuendo i livelli ematici di glucosio
• Questa diminuzione è rilevata dai neuroni cerebrali aumentando
l’impulso a mangiare (ormoni oressinici del nucleo arcuato)
• Con l’assorbimento dei nutrienti nel circolo ematico, l’aumento
del glucosio nel sangue ed il conseguente aumento di insulina,
sono potenti segnali di sazietà.
Cibo e umore
dell’umore utilizza la serotonina
Il sistema implicato nel controllo
•
• La serotonina deriva dall’amminoacido triptofano, introdotto con
la dieta e i livelli ematici di triptofano variano con la quantità di
carboidrati assunti
• I livelli di serotonina cerebrale ipotalamico sono bassi nel periodo
post assorbimento, crescono con l’anticipazione del cibo e
aumentano durante il pasto
• l’aumento del triptofano ematico e della serotonina cerebrale sono
una delle possibili spiegazioni del miglioramento dell’umore
connesso ai carboidrati.
• Anomalie della regolazione della serotonina alimentare sono
probabilmente uno dei fattori che contribuiscono ai disturbi
alimentari (farmaci antidepressivi agiscono regolando/diminuendo
l’appetito
L’ipotalamo:
regolazione bilancio idrico
• La sete viene regolata da
due meccanismi
fisiologici:
– Ipovolemia (basso volume extracellulare)
– Ipertonicità aumento della concentrazione di sostanze
(soluti) disciolte nel sangue
• L’ipotalamo ha sia dei barorecettori (recettori della
pressione arteriosa) sia degli osmorecettori
(recettori delle concentrazioni saline)
L’ipotalamo: regolazione bilancio idrico
di vasopressina è innescato
• Sete volumetrica: il rilascio
da due tipi di meccanismi
• Il ridotto flusso di sangue nei reni, stimola la secrezione di
renina da parte del rene, questa viene trasformata in
angiotensiana II, viene assorbita dall’organo subfornicale,
che a sua volta stimola l’ipotalamo: a) vasocostrizione; b)
liberazione di vasopressina; c) stimola la motivazione a
bere • I meccanorecettori delle pareti dei principali vasi
sanguigni segnalano all’ipotalamo la diminuzione del
volume ematico
L’ipotalamo: regolazione bilancio idrico
• Sete osmotica:
• L’ipertonicità del sangue comporta una disidratazione
cellulare
• La perdita di acqua dai comparti intracellulari è recepita
da neuroni sensibili a variazioni osmotiche presenti in un
organo circunventricolare dell’ipotalamo (Organo
ventricolare della lamina terminale, OVLT)
– Eccitazione dei neuroni magnocellulari dell’ipotalamo:
secrezione di vasopressina
– Stimolazione della motivazione a bere L’ipotalamo: regolazione temperatura • La stimolazione termica dell’ipotalamo
indica
chiaramente che possiede due meccanismi che
controllano rispettivamente l’aumento e la diminuzione
della temperatura (Barbour, 1912)
• Anno ‘50: registrazioni da singola cellula evidenziarono
che nell’ipotalamo anteriore vi sono neuroni modificano
la loro frequenza di scarica in risposta a piccoli aumenti
o diminuzioni di temperatura del cervello.
• Successivamente l’area preottica mediale dell’ipotalamo
avvia le risposte umorali e viscerali, mentre l’ipotalamo
laterale avvia le risposte comportamentali
•
L’ipotalamo:
regolazione temperatura la riduzione della
risposte che determinano
temperatura – risposta umorale: riduzione TSH
– risposta viscerale: vasodilatazione periferica, sudorazione
– risposta comportamentale: ricerca di ombra
• risposte opposte che generano o conservano calore
– risposta umorale: aumento TSH
– risposta viscerale: vasocostrizione periferica, abolizione
sudorazione, piloerezione, – risposta comportamentale: tremore, ricerca di calore
Le emozioni e le loro componenti
• 1) esperienza soggettiva che si può o meno
accompagnare a manifestazioni evidenti • 2) attivazione fisiologica: esibizione o
espressione di particolari risposte somatiche
e vegetative
• 3) attivazione comportamentale: come
difendersi,
fuggire
attaccare
(ruolo
evolutivo)
Le emozioni: teorie periferiche
• Teoria di James-Lange
• Una emozione nasce dalla percezione delle
manifestazioni somatiche
stimolo
Reazione somatica e viscerale
consapevolezza
emozione
Le emozioni: teorie periferiche
• Carl Lange (1887)
• “ Noi dobbiamo al nostro sistema vasomotorio tutte le
emozioni che fanno parte della nostra vita mentale, le
gioie ed i dolori, le ore felici e anche quelle tristi. Se le
percezioni che cadono sotto i nostri sensi non avessero il
potere di stimolarli, noi passeremmo tutta la vita
indifferenti e senza passioni di sorta, tutte le sensazioni
provenienti dal mondo esterno arricchirebbero le nostre
esperienze, aumenterebbero le nostre conoscenze, ma non
ci provocherebbero né interesse, né paura”.
Le emozioni: teoria James-Lange
• Implicazioni: pattern specifici di attivazione per
le diverse emozioni (risposte viscerali diverse
nell’amore, rabbia, paura…)
• Critiche: i cambiamenti dell’attività del sistema
autonomo che si accompagnano alle emozioni
forti (paura, rabbia, sorpresa) sono molto simili
• Non evidenze forti che resezioni del midollo
spinale (deafferentazione che riduce l’esperienza
somatica) aboliscono le emozioni
Le emozioni: teorie centrale
• Teoria Cannon-Bard: l’esperienza emotiva si può
verificare indipendentemente dalla espressione
emotiva
• L’emozione si verifica a livello cerebrale e non
viscerale: in risposta alla situazione la corteccia
(ed il talamo) decidono contemporaneamente la
risposta emotiva adatta e attivano il SNA in modo
che il corpo sia pronto per la risposta
comportamentale (fuga, attacco, etc) • Prove: uomini con resezione del midollo spinale
sono in grado di provare emozioni
Le emozioni: teorie centrale
• Cannon, Bard e Schachter: l’esperienza emotiva dipende
dall’interpretazione dell’attivazione fisiologica in rapporto
agli stimoli che la suscitano, alle situazioni ambientali,
all’esperienza agli stati cognitivi
• Schachter (1962): iniezione di adrenalina con relativo
aumento del fr cardiaca:
– nei soggetti avvertiti = nessuna emozione
– Nei soggetti non preavvertivi = provavano un emozione che
dipendeva dal contesto. Sensazioni di rabbia in presenza di un
complice “arrabbiato”; sensazioni di euforia in presenza di un
complice “contento”
Emozioni inconsce
• Limiti alle teorie cognitive: l’esperienza
emozionale può non essere un prerequisito per
l’espressione emozionale.
• I segnali sensoriali possono avere impatto emotivo
sul cervello senza che noi ne siamo consapevoli
– In esperimenti di mascheramento condotti con PET una
faccia adirata è condizionata alla paura mediante
l’associazione con un suono spiacevole. Questa non
viene percepita consapevolmente se mascherata da una
seconda faccia inespressiva, ma suscita tuttavia, un
aumento della conduttanza cutanea ed una maggiore
attivazione dell’amigdala (studi neuroimmagini)
Le emozioni: basi neurali
• 1878 Paul Broca descrive sulla superficie mediale
del cervello un gruppo di aree corticali, distinte
dal resto della corteccia, che formavano un anello
intorno al tronco encefalico: il lobo limbico (da
“orlo” = limbus) • Il lobo limbico è costituito dalla corteccia intorno
al corpo calloso, soprattutto dal giro del cingolo e
dalla corteccia presente sulla superficie mediale
del lobo temporale compreso l’ippocampo
Le emozioni: il circuito di Papez
• 1937 Papez ipotizza un “sistema emozionale”
giacente sulla parte mediale del cervello e che
funge da punto di congiunzione tra la corteccia e
l’ipotalamo
• Studiando i referti autoptici di individui che
soffrivano di turbe emotive, individuò le aree
cerebrali danneggiate e arrivò a concludere che la
manifestazione di un disturbo del vissuto emotivo
si verifica solo in presenza di lesioni a un insieme
di vie interconnesse nel lobo limbico
Le emozioni: il circuito di Papez
NEOCORTECCIA
CORTECCIA CINGOLATA
NUCLEI ANTERIORI
DEL TALAMO
ESPERIENZA EMOZIONALE
IPPOCAMPO
FORNICE
IPOTALAMO
ESPESSIONE EMOZIONALE
Le emozioni: basi neurali
• Gli studi anatomici hanno conformato che le
componenti del circuito di Papez sono
interconnesse così come descritte
• Ma le evidenze a favore poche:
– Ippocampo è colpito dal virus delle rabbia
– Lesioni del talamo possono portare alla
sindrome del pianto e riso patologico
(immotivato)
Le emozioni: basi neurali
• 1949-52 Paul MacLean estese questa rete
includendo l’amigdala, certe porzioni dei
gangli della base e la corteccia
orbitofrontale. Mac Lean diede a questa
versione estesa del circuito neurale
dell’emozione il nome di sistema limbico
Corteccia
orbitofrontale
Corteccia
orbitofrontale
ventromediale
Corteccia
orbitofrontale laterale
Stato dell’arte!
• Prove sperimentali che alcune strutture del
lobo limbico e del circuito di Papez
giochino un ruolo nell’emozione
• Ma data la diversità delle emozioni non si
crede più ad un sistema emotivo dove le
varie parti operano insieme nell’esecuzione
di un compito comune ma esistono diversi
circuiti neurali indipendenti
Paura ed Ansia
• L’amigdala svolge un ruolo fondamentale
• situata nella parte mediale del lobo temporale, è
costituita da un complesso di nuclei: 1) nuclei
basolaterali; 2) corticomediali, 3) nucleo centrale
• Afferenze da tutti i lobi cerebrali (tutti i sistemi sensoriali
vi convergono) e da regioni limbiche (giro ippocampale e
giro del cingolo)
• Efferenze con l’ipotalamo, formazione reticolare del
tronco encefalico e con la corteccia prefrontale
Corteccia prefrontale
Paura: ruolo dell’amigdala
• Distruzioni dell’amigdala riducono profondamente la
paura e l’aggressività
• Nelle scimmie è stata descritta le sindrome di KluverBucy dopo lobotomia bitemporale caratterizzata da:
• Deficit di riconoscimento visivo
• Tendenze orali
• Diminuzione della paura e dell’aggressività con decremento delle
vocalizzazioni e dell’espressioni facciali associate (scimmie selvatiche
non avevano paura dell’uomo o di nemici naturali come i serpenti -anche
se attaccate ritornavo ad esaminarli)
Paura ed Ansia
• Nell’uomo le lesioni selettive dell’amigdala solitamente
compromettono il riconoscimento di espressioni
emozionali ed in particolare una inabilità a riconoscere la
paura (nessuna difficoltà per felicità, tristezza e disgusto)
• Stimolazioni elettriche producono ansia e paura
Esperimenti di fMRI
con facce neutre, felici
ed impaurite, mostrano
una maggiore attivazione
dell’amigdala in risposta
a
facce
impaurire
rispetto a facce neutre Amigdala e paura acquisita
• Implicata nel circuito neurale della paura acquisita
– In animali uno di due toni veniva condizionato a
suscitare paura mediante l’associazione con un lieve
dolore. – In modo atteso l’udire il quel tono, ma non il tono
benigno, provocava un aumento del battito cardiaco e
una risposta dei neuroni del nucleo centrale
dell’amigdala che prima del condizionamento non
rispondevano e dopo si attivavano solo al tono
associato alla scossa
– Il condizionamento deriva da cambiamenti strutturali
(sinaptici) nell’amigdala
Rabbia ed Aggressività
• L’aggressività si configura come un comportamento
sfaccettato e più sistemi del cervello ne sono responsabili
• Aggressività predatoria: attacchi contro membri di specie
differenti con l’intento di ottenere cibo; non è associata
ad alti livelli di attività del SNA
• Aggressività affettiva: volta più a spaventare che ad
uccidere e si associa ad alti livelli di attività simpatica
Amigdala ed Aggressività
• Esperimenti nel corso dei quali le suddivisioni
dell’amigdala sono state stimolate o distrutte suggeriscono
che essa ha effetti multipli sul comportamento aggressivo
anche grazie alle connessioni che ha con ipotalamo ed altre
strutture
• Alcuni nuclei hanno una influenza di tipo inibitorio, altri, se
stimolati, producono comportamenti aggressivi.
– Esperimenti su colonie di scimmie Rhesus, dopo lesioni
dell’amigdala la scimmia dominante perdeva il suo ruolo essendo
diventata più docile e meno capace di aggressività affettiva
All’inizi del xx secolo operazioni di psicochirurgia con distruzioni
dell’amigdala per ridurre i comportamenti aggressivo e antisociale
Diencefalo ed Aggressività
• Negli animali decorticati si mantengono tutte le manifestazioni
dell’ira (falsa rabbia). Comportamenti di questo tipo sono
organizzati a livello sottocorticale
• lesioni più estese che coinvolgevano oltre il telencefalo anche le
strutture diencefaliche abolivano le manifestazioni di rabbia
• l’ipotalamo
posteriore
è
particolarmente
importante
nell’espressione di rabbia o aggressività e normalmente viene
inibito dal telencefalo
• ‘60 esperimenti di stimolazione di differenti aree ipotalamiche in
gatti evidenziarono risposte selettive con ipotalamo mediale
coinvolto nelle risposte di aggressione affettiva e l’ipotalamo
laterale coinvolto in risposte tipiche dell’aggressione predatoria
(attacco silente)
Mesencefalo ed Aggressività
• L’ipotalamo influenza il comportamento aggressivo
mediante gli effetti che esercita su due aree mesencefaliche:
– L’area tegmentale ventrale: l’ipotalamo proietta a questa area
mediante il fascicolo proencefalico mediale. Lesioni possono
sopprimere comportamenti aggressivi predatori.
– La sostanza grigia periacquedottale: l’ipotalamo proietta a questa
era mediante il fascicolo longitudinale dorsale. Lesioni aboliscono
i comportamenti aggressivi affettivi.
Sistema limbico
nodo emotivo
Cosa ci dice la neuropsicologia
• Le componenti più elementari e spontanee del
comportamento emozionale sono sono inizialmente inscritte
in strutture sottocorticali e costituiscono un sistema di
elaborazione spontanea delle emozioni
• Le strutture neocorticali diventano sempre più importanti
nel corso dello sviluppo cognitivo e sociale dato che questo
sviluppo è incompatibile con l’attivazione automatica ed
incontrollata dei programmi emozionali
Cosa ci dice la neuropsicologia
Entrambi sistemi adattivi: a) analizzano le info; b) elaborano risposte;
c) apprendono e danno agli stimoli significato soggettivo (emozionale) o oggettivo (cognitivo)
Sistema emozionale
Sistema cognitivo
Sistema di emergenza.
Risponde rapidamente con
un numero limitato di
schemi operativi,
parzialmente innati, a
stimoli rilevanti per i
bisogni fondamentali
dell’individuo.
Si basa su un
apprendimento di tipo
condizionato automatico
ed inconsapevole
Sistema adattivo più
complesso capace di
analizzare le situazioni in
modo più esauriente e di
rispondere ad esse con
schemi più plastici e
variati. Richiede più tempo
per elaborare le proprie
risposte. Si basa su un
apprendimento cognitivo
controllato e consapevole
Cosa ci dice la neuropsicologia
• Con lo sviluppo del processo di telencefalizzazione
(spostamento verso la corteccia di funzione i cui vertici
operativi erano localizzati a livello limbico) si è visto:
– Una maggiore integrazione tra sistema emozionale e sistema
cognitivo
– Rappresentazione a livello corticale di questo sistema funzionale
così riorganizzato
– Sviluppo delle funzioni di controllo grazie alle quali la
neocorteccia arruola o inibisce intenzionalmente i programmi
espressivo-motori propri del sistema emozionale
telencefalizzazione
Da risposte a carattere automatico basate su una elaborazione rapida e globale
Risposte basate su valutazioni esaurienti, consapevoli e controllate
Le emozioni fondamentali vengono integrate in un insieme complesso di valori e norme dando luogo al repertorio ricco e variato delle emozioni umane
Cosa ci dice la neuropsicologia
• Si distinguono due assi principali nello studio
dell’organizzazione corticale delle emozioni
• Un asse antero-posteriore: i lobi frontali sembrano
giocare un ruolo maggiore rispetto alle porzioni
posteriori dell’encefalo
• Un asse trasversale: numerosi dati clinici e
sperimentali sembrano mostrare un diverso
coinvolgimento dei due emisferi
Lobo frontale
• Corteccia che nella filogenesi si è massimamente
espansa (occupa più di 1/3 di tutta la neocorteccia)
• Le connessioni anatomiche dei lobi frontali possono
spiegare la loro importanza nella modulazione e nel
controllo (inibisce o avvia) delle condotte emozionali:
– Sui lobi frontali convergono sia le informazioni dall’ambiente
esterno (attraverso le vie di associazione con le aree visive,
uditive e somestesiche) sia all’ambiente interno (attraverso le
connessioni con l’ipotalamo e con diverse strutture del sistema
limbico)
• Proprio grazie alle connessioni che collegano il sistema
limbico con i lobi frontali, questi sono stati considerati
“rappresentanti neo-corticali del sistema limbico”.
Corteccia prefrontale
Corteccia prefrontale
• Ridefinizione dei circuiti e incremento dell’efficienza
funzionale con picchi di crescita: prima dei lobi occipitali e
parietali (11-12 anni), poi quelli temporali verso i 17 anni e
nella corteccia prefrontale dorso-laterale fino ad oltre i 30
anni
• Il forte rimodellamento neurale in adolescenza coinvolge i
processi decisionali. Nel 2005 la Corte Suprema degli Stati
Uniti dichiara incostituzionale della pena di morte per
omicidi commessi da minorenni
• La crescita continua più lentamente anche in età adulta
Incremento dell’efficienza funzionale
Capacità decisionale
(Daniel Kahneman 2003)
n Sistema Decisionale 1 (automatico, affettivo,
intuitivo) Gli studi di RMf: a forte mediazione
dopaminergica (corteccia orbitofrontale, cingolo
anteriore e nucleo accumbens, amigdala, insula)
n Sistema Decisionale 2 (controllato, cognitivo,
valutativo). Gli studi di RMf (corteccia prefrontale
dorso-laterale e anteriore, corteccia parietale
posteriore) (Sanfey, Loewenstein, Mc Clure, Cohen 2006) Sistema decisionale 1
• Predilige il “qui ed ora” preferendo piccole gratificazioni immediate,
a maggiori guadagni futuri (Mc Clure ed altri 2004).
• È più attivo in situazioni di stress, o nel predire la reazione/emozione
altrui e quindi nello sviluppo della teoria della mente (Moses L ed
altri 2004); è sollecitato da stimoli sociali (spinta verso il gruppo di
pari)
• Fino all’adolescenza permane prevalenza del sistema decisionale
“emotivo”, con tendenza a scelte più rischiose, che tenderà a
ridimensionarsi nell’adulto (Crone ed altri 2005);
• Amigdala, ipotalamo, insula e corteccia orbitofrontale (sistema
“emotivo”) maturano prima delle aree connesse al nodo cognitivo
Aspetti evoluzionistici
• Nella evoluzione umana sarebbero comparse prima le strutture
anatomiche del nodo emotivo e solo più tardivamente quelle
valutative (McGuire e Troisi 2003)
• Movimenti di intenzione, vocalizzazioni, i segni di umore, nel
linguaggio animale, sono colti per primi e sono usati come
indicatori della natura della relazione in corso
• I messaggi extraverbali hanno radici più arcaiche rispetto alla
comunicazione verbale ed hanno validità più generale (colti
immediatamente del “nodo emotivo”)
Sindrome del lobo frontale
• 1868 Harlow descrisse il caso Gage: abbassamento degli
standard morali
• Successivamente altri autori hanno descritto modificazioni
emotive, comportamentali di pazienti con lesioni frontali
• XX secolo prime lobotomie frontali sull’uomo: Moniz
(premio Nobel nel 1949!!!): effetti calmanti (liberazione
dall’ansia e dai pensieri insopportabili) legato alla
interruzione delle connessioni tra lobi frontali e corteccia
cingolata
• Eterogeneità dei disturbi emotivo-comportamentale
Lobo frontale e regolazione del comportamento
Il caso Phineas Gage
Ø
Ø
Ø
Uomo equilibrato ed efficiente
Trauma cranico penetrante con danno in particolare alle regioni
orbitomediali
Divenne volubile, irriverente, ostinato e intollerante alle
restrizioni
111
Lobo frontale e regolazione del comportamento
Harlow 1868 “Guarigione in seguito al passaggio di una sbarra di ferro
attraverso il capo”
Ø “era
il capocantiere più efficace capace…egli
possedeva una mente equilibrata ed era stimato
da quelli che lo conoscevano come uomo d’affari
intelligente e perspicace
Ø “egli
è sregolato, irriverente, indulge talvolta
alla bestemmia più volgare, manifestando poco
rispetto per i suoi compagni, intollerante verso
limitazioni o avvertimenti quando questi sono in
conflitto con i suoi desideri, talvolta tenacemente
ostinato, capriccioso ed esitante, progetta molti
piani per il futuro che tuttavia vengono
abbandonati. La sua mente era cambiata
radicalmente che i suoi
amici e conoscenti
112
dissero che “non era più Gage”.
Lesioni frontali e alterazioni emotivocomportamentali
v Personalità
“pseudo-depressa”:
cambiamenti
caratterizzati da apatia (inerzia verbale e motoria),
letargia, bradicinesismo, diminuzione della spontaneità,
ridotto interesse, riduzione nella espressione delle
emozioni (appiattimento emotivo, anedonia). Corteccia
orbito-frontale
v Personalità “pseudo-psicopatico”: caratterizzata da
disinibizione,
puerilità,
euforia,
irrequietezza,
comportamenti sociali inappropriati e scarso interesse
verso gli altri. Corteccia prefrontale dorsale-laterale)
Sintomi di disinibizione
Utile la descrizione di Robinson (1984) dei disturbi similmaniacali o comportamenti da disinibizione
v di tipo motorio (i.e. iperattività)
v di tipo istintuale (i.e. iperfagia, aggressività)
v di tipo emozionale (i.e. euforia, irritabilità)
v del pensiero (i.e. fuga delle idee, distraibilità)
v di tipo sensoriale (i.e. allucinazioni visive, acustiche)
Lateralizzazione emisferica
• Si osservò che lesioni dell’emisfero destro provocavano
reazioni inadeguate quali indifferenza, euforia, anasognosia
(Babinski, 1914)
• Lesioni dell’emisfero sinistro si associavano più
frequentemente
a
reazioni
depressivo-catastrofiche
(Goldstein, 1939), a disorganizzazione ansiosa con frequenti
crisi di pianto.
Lateralizzazione emisferica
• L’emisfero destro sembra svolgere un ruolo critico
nell’elaborazione delle condotte emozionali: le reazioni
emozionali sono adeguate quando l’emisfero destro è intatto
• La reazione catastrofica dei cerebrolesi sinistri è una
reazione appropriata determinata dalla nuova condizione in
cui si trova il soggetto
• La reazione di indifferenza o euforia conseguente a lesioni
dell’emisfero destro è invece inappropriata proprio perché
viene meno la funzione di controllo
Lateralizzazione emisferica
• Studi sulla comprensione di espressioni facciali
(mimiche e vocali) in soggetti normali ed in soggetti
cerebrolesi indicavano una superiorità dell’emisfero
destro.
Lateralizzazione emisferica
• Ma l’emisfero destro è superiore solo per gli aspetti
comunicativi delle emozioni?
– Studi sulle risposte fisiologiche (modificazioni pressorie) a filmati
emotigeni:
1) nei soggetti normali proiezioni lateralizzate
producevano risposte più ampie quando lo stimolo veniva
convogliato all’emisfero destro 2) nei cerebrolesi destri risposte
psicofisiologiche meno elevate rispetto ai cerebrolesi sinistri
– Anche l’esperienza concomitante soggettiva è maggiormente
elaborata dall’emisfero destro: i cerebrolesi destri provavano un
minore coinvolgimento emozionale. Di fronte a proiezioni di scene
cruente mentre controlli e pz cerebrolesi sinistri distoglievano lo
sguardo per mitigare l’ansia legata e queste proiezioni, i pz
cerebrolesi destri non mostravano comportamenti analoghi,
dimostrandosi più indifferenti alla situazione emotigena.
Lateralizzazione emisferica
• L’emisfero destro quindi sembra superiore per
– Comunicazione emozionale (espressione e comprensione
delle espressioni)
– Componente vegetativa legata alle emozioni
– Concomitante esperienza soggettiva
Lateralizzazione emisferica
• L’emisfero destro quindi sembra superiore per
– Comunicazione emozionale (espressione e comprensione
delle espressioni)
– Componente vegetativa legata alle emozioni
– Concomitante esperienza soggettiva
