Neurodidattica - Lezione 3

Neurogenesi ed Educazione

Genesi, Sviluppi e Prospettive

Il contributo delle neuroscienze

Durante la lezione verrà approfondita l'epistemologia delle neuroscienze, con l'analisi di tre fenomeni chiave:

1. La rivoluzione neuroscientifica, considerata un evento centrale del XX secolo, con particolare attenzione alla sua genesi, alle principali scoperte e alle teorie di riferimento.
2. L'incontro tra neurobiologia e neurofisiologia e il contributo offerto alla psicologia.
3. L'importanza del binomio Neuroscienze ed Educazione, le basi biologiche sottostanti, le possibili applicazioni e le questioni più dibattute.

Architettura e struttura del cervello

La materia prima del nostro cervello è costituita dalle cellule nervose, che si suddividono in neuroni e cellule gliali. I neuroni sono formati da assoni e dendriti: i primi trasmettono impulsi nervosi ad altre cellule, potendo raggiungere anche diversi centimetri di lunghezza; i secondi ricevono i segnali provenienti da altri neuroni, grazie alla loro struttura ramificata. In base alla loro lunghezza, queste due componenti formano la sostanza grigia, data dall'intreccio tra neuroni, e la sostanza bianca, costituita da assoni ricoperti da mielina, una sostanza lipidica biancastra che facilita la trasmissione elettrica dei segnali.La comunicazione sinaptica avviene attraverso tre componenti: la terminazione presinaptica, l'area postsinaptica e la fessura sinaptica. L'insieme di queste strutture è comunemente chiamato "sinapsi".

Architettura e struttura del cervello

Nel cervello umano sono presenti centinaia di miliardi di neuroni (tra i 12 e i 15 miliardi nella corteccia e circa 70 miliardi nel cervelletto; in un millimetro cubo di corteccia si trovano circa 60.000 neuroni). Ogni neurone crea una fitta rete di connessioni con altri neuroni, realizzando tra le 10.000 e le 20.000 sinapsi. Questo dato evidenzia l'incredibile complessità del cervello: se si contasse una sinapsi al secondo nella corteccia, ci vorrebbero circa 32 milioni di anni per completare il conteggio.Un esempio simbolico di questa complessità è rappresentato nel film "Solaris" di Tarkovskij, dove, con uno zoom all'indietro, lo spettatore scopre che ciò che sembrava una galassia era in realtà una circonvoluzione del cervello umano. Tarkovskij suggerisce così che il vero viaggio verso l'infinito non avviene nello spazio, ma all'interno del cervello umano.Negli organismi complessi come l'uomo, i neuroni si presentano in diverse varietà e forme. Come dimostrato da Ramón y Cajal, esistono tre principali tipi di neuroni:

1. Neuroni sensoriali, presenti negli organi di senso e responsabili di trasmettere segnali al cervello;
2. Motoneuroni, che controllano i muscoli e altre cellule;
3. Interneuroni, che gestiscono le comunicazioni tra neuroni sensoriali e motoneuroni.

La comunicazione sinaptica: canali ionici e neurotrasmettitori

La trasmissione delle informazioni nervose avviene attraverso potenziali d'azione, segnali elettrici studiati inizialmente da Von Helmoltz, che ne misurò la velocità a 28-30 m/s. Edgar Douglas Adrian confermò il principio del "tutto o niente", secondo cui, una volta raggiunto il potenziale d'azione, l'intensità rimane costante, mentre cambiano le fibre nervose coinvolte in base al tipo di stimolo (sensoriale o cognitivo).Bernstein scoprì che la differenza di potenziale tra l'interno e l'esterno della membrana neuronale è di -70 mV, dovuta al passaggio di ioni potassio in condizioni di riposo, tramite i canali ionici. Tale flusso lascia all'interno proteine cariche negativamente, stabilendo il potenziale di riposo a -70 mV. Bernstein dimostrò che una stimolazione di 70 mV era necessaria per rendere la membrana permeabile.Hodgkin, correggendo Bernstein, scoprì che il potenziale raggiungeva +40 mV, formulando così l'ipotesi ionica, che descrive come i canali ionici regolino il passaggio di ioni sodio e potassio, a seconda delle differenze di voltaggio intra- ed extracellulare.

La comunicazione sinaptica: canali ionici e neurotrasmettitori

Il funzionamento dei canali voltaggio-dipendenti può essere così descritto secondo le seguenti fasi:

1. il neurone è a riposo e i canali sono chiusi;
2. uno stimolo riduce il potenziale della membrana: i canali si aprono e lasciano entrare ioni di sodio (+). Il potenziale sale da -70 a +40 mV (potenziale d'azione);
3. il cambiamento di potenziale apre i canali di potassio;
4. gli ioni di potassio salgono verso l'esterno ristabilendo lo stato di riposo (-70 mV);
5. ora la cellula ha più sodio al suo interno e più potassio al suo esterno, una proteina ristabilisce l'equilibrio ripristinando le concentrazioni di partenza;
6. questo processo si riproduce lungo l'assone propagandosi sino a raggiungere le terminazioni degli altri neuroni.

Queste ricerche furono fondamentali, poiché portarono la biologia molecolare a studiare il cervello, integrando la teoria elettrica e quella chimica della comunicazione intersinaptica. Bernard Katz scoprì che i canali voltaggio-dipendenti di Bernstein propagano l'informazione nel neurone. Quando il potenziale d'azione raggiunge il terminale presinaptico, apre canali ionici che permettono l'ingresso di ioni calcio, inducendo il rilascio di neurotrasmettitori. Questi vengono captati dai recettori postsinaptici di un altro neurone, convertendo il messaggio chimico in elettrico e trasmettendo l'impulso nervoso.

Il sistema nervoso centrale: il paleoencefalo e la neocorteccia

È importante evidenziare le parti che costituiscono il sistema nervoso centrale. In primo luogo, troviamo il midollo spinale, situato nella colonna vertebrale, che riceve e invia informazioni dal sistema nervoso periferico, terminando nel tronco encefalico. Il suo compito è trasmettere alle regioni superiori del cervello le informazioni provenienti dal sistema nervoso periferico, grazie al sistema di attivazione reticolare ascendente. Inoltre, regola i segnali di attenzione, e lesioni in questa area possono compromettere parzialmente o totalmente la coscienza dell'individuo.Il tronco encefalico termina nel diencefalo e nei gangli della base. Sulla superficie dorsale del tronco encefalico si trova il cervelletto. L'insieme di queste strutture sottocorticali, in termini evolutivi, è molto più antico rispetto alla corteccia. Il diencefalo è costituito da due componenti principali: il talamo, che elabora le informazioni provenienti dall'ambiente esterno, e l'ipotalamo, che regola gli stati interni dell'organismo e ne mantiene l'omeostasi.I gangli della base, tra cui il nucleo caudato, il putamen e il globo pallido, sono coinvolti nel movimento e nell'azione. L'amigdala, infine, regola funzioni essenziali per la sopravvivenza dell'individuo, come l'alimentazione, la percezione del pericolo e la risposta ad esso, oltre che l'accoppiamento.

Il sistema nervoso centrale: il paleoencefalo e la neocorteccia

Il cervelletto, tradizionalmente associato alla gestione delle funzioni motorie legate all'equilibrio e alla deambulazione, è stato recentemente rivalutato. Si ritiene che sia coinvolto anche nelle attività dei lobi frontali, grazie all'enorme numero di neuroni di cui dispone e alla sua struttura, simile a quella del cervello.La corteccia cerebrale, sviluppatasi più tardi, è composta dalla paleocorteccia e dall'archicorteccia (formando l'allocorteccia), che include l'ippocampo, la corteccia olfattiva e la neocorteccia nello strato più superficiale. L'ippocampo è fondamentale per la memoria spaziale e verbale, nonché per la conversione dei ricordi da breve a lungo termine. La corteccia del cingolo, insieme all'amigdala e all'ippocampo, costituisce il sistema limbico, responsabile della gestione delle emozioni e definito come paleoencefalo. Il suo ruolo è stimolare l'insorgenza delle emozioni attraverso risposte rapide e precognitive, soprattutto in situazioni di pericolo.La neocorteccia, la parte evolutivamente più recente del cervello, è composta da 6 strati, 2 emisferi e 4 lobi: occipitale, temporale, parietale e frontale. Nel lobo occipitale vengono elaborate le informazioni visive, nel temporale quelle uditive, nel parietale quelle tattili e nel frontale i movimenti. Le ultime funzioni a svilupparsi sono state quelle legate al linguaggio e alle funzioni esecutive, come la metacognizione, la presa di decisioni e la consapevolezza.

Il sistema nervoso centrale: il paleoencefalo e la neocorteccia

L'intera corteccia è stata mappata da Brodmann, che la suddivise in 52 aree, note come Aree di Brodmann. Le prime mappe citoarchitettoniche furono elaborate da Gall, il quale propose la teoria della "mente modulare", secondo cui ogni capacità del cervello umano è associata a una specifica area. Goldberg riformulò questa teoria, integrandola con osservazioni sulla plasticità cerebrale, dimostrando come il cervello sia in grado di riorganizzarsi a seguito di traumi. Questa prospettiva ha portato a una nuova concezione del cervello, passando da una visione modulare a una più interattiva.