Sistema nervoso = sistema informazionale.

E’ costituito da elementi cellulari capaci di convertire forme di energia (trasduttori: monitoraggio degli stimoli esterni e interni al corpo), di

condurre a distanza segnali specifici, interpretarli e di generare risposte coerenti attivando effettori motori, tramite processi coscienti o non

coscienti

SENTIRE

PENSARE

AGIRE

mente-corpo/cervellomente-corpo/cervello

Domande:• Uno dei settori delle “scienze della vita” o offre qualche opportunità

culturale in più?• Lo sviluppo della conoscenza è legato solo al divenire delle

scoperte, o è influenzato da altro?

NEUROSCIENZENEUROSCIENZE

NEUROBIOLOGIANEUROBIOLOGIA:riduzionismo

Es: tendenza ad assimilarevigilanza e coscienza

SCIENZE COGNITIVE:SCIENZE COGNITIVE:olismo

Es: tendenza a disgiungerevigilanza e coscienza

Alberto Oliverio, Storia del Pensiero Filosofico e Scientifico, Geymonat:

“si tratta di una disciplina ibrida, che spazia dagli studi sul SN degli invertebrati a quello dell’uomo, dalla fisiologia del SN, alla psico e neuropatologia”

forma funzione

La forma del neurone e la struttura della rete: l’irosa polemica di Camillo Golgi verso Ramon y Cajal alla Nobel lecture del 1906.

L’elettricità del neurone: John Carew Eccles, dal Nobel per la Medicina al dialogo con il filosofo “globale” Karl Popper.

modalita’ di comunicazioneintercellulare

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hopkinsstanford

Come è possibile conoscere, capire come funziona, interferire con la “produzione di idee”??

- attraverso la forma (anatomia, neuroimaging)

- attraverso le interazioni (elettrofisiologia)

- attraverso le molecole (biologia molecolare)

- attraverso i comportamenti (etologia, psicologia)

Come è nata l’idea di associare mente e cervello???

filosofia biologia

J-C Changeux:

come può “l’uomo neuronale” essere soggetto morale?

Come è nata l’idea di associare il corpo con il “sentire” e il “pensare”?

Materiale:

Corpo/cervello

Immateriale:

Pensiero/spirito/anima

GALENO, 170aC:GALENO, 170aC:

“La natura agisce sempre in perfetta saggezza e il corpo altro non è che il veicolo

dell’anima”

facoltà motrice, sensibile, raziocinantefacoltà motrice, sensibile, raziocinante

fino alla metà del XVII sec

ARISTOTELE

Breve storia 1 (incompleta)Breve storia 1 (incompleta)

• 3000 aC: medico egizio che descrive casi clinici (caso 6 “la scoperchiatura della scatola cranica lascia vedere rughe simili a quelle che si formano sul rame in fusione; caso 8: correla una ferita cranica con deviazione degli occhi; caso 22 correla una ferita cranica con perdita della parola; caso 31 correla dislocazione vertebre cervicali con paralisi )

• XVII sec aC, egizi: primo trattato nel quale il cervello è indicato con questo nome

• per Egizi, Mesopotamici, Ebrei, Omero: è il cuore, fonte di vita, che accoglie intelligenza e sentimenti

• presocratici, VII-V sec aC:– Parmenide: il pensiero e l’essere sono una sola cosa– Leucippo e Democrito:l’acqua, l’aria, il fuoco, la terra e, con loro, gli atomi,

costituiscono il tessuto del mondo, dell’uomo, del suo pensiero– Democrito: “il cervello contiene i principali legami dell’anima”, distingue

parecchie facoltè intellettuali e affettive e assegna loro localizzazioni distinte nel corpo

– Ippocrate (400aC): consolida le idee di Democrito con l’osservazione clinica: incrociamento delle vie, parla di epilessia come “encefalo irritato”, distingue malattie neurologiche e malattie mentali, ma dice “il cervello è simile a una ghiandola”

– Platone: 3 parti dell’anima: INTELLETTUALE, IRASCIBILE, CONCUPISCIBILE (unite dal midollo spinale “IL PENSIERO HA LA SUA SEDE NEL CERVELLO DELL’UOMO” TESI ENCEFALOCENTRICHE

Breve storia 2 (incompleta)Breve storia 2 (incompleta)

• Aristotele (350aC): “fuorvierà per secoli gli spiriti” (J-C Changeaux), riattualizza Omero e gli Ebrei (il cervello ha il ruolo di refrigerante dell’organismo); “l’anima non pensa mai senza immagini)

• medicina GRECA, III sec aC:– Erofilo e Erasistrato: inaugurano la dissezione del corpo umano

(cervello, cervelletto, midollo spinale, circonvoluzioni cerebrali, i nervi originano dal cervello e del midollo spinale, si distinguono i nervi del SENTIMENTO e del MOVIMENTO, associano INTELLIGENZA e sviluppo delle circonvoluzioni

• Ma solo con GALENO (170 aC) el teorie aristoteliche vengono accantonate. Con Platone: l’anima razionale risiede nel cervello. Divisa in facoltà MOTRICE, SENSIBILE, RAZIOCINANTE– 17 volumi: Sull'utilità delle parti del corpo umano

TESI CARDIOCENTRICA: i nervi originano dal cuore

CONCEZIONI VALIDE FINO AL XVII sec

• Padri della Chiesa, IV-V sec: immaginazione nel ventricolo ant, regione nel med., la memoria nel post

• Rinascimento: riprendono le dissezioni cadaveriche. Leonardo fa il primo calco dei ventricoli cerebrali. Vesalio, Varolio, Fresnel

Breve storia 3 (incompleta)Breve storia 3 (incompleta)

•DOMINA LA TEORIA DELL’IMMATERIALITA’ DELL’ANIMA•Rene Descartes (1596-1650) scrive un libro su mente e cervello. Prende posizione affermando che una mente non-materiale e un corpo materiale contribuiscono al comportamento. Dualismo cartesiano

ANIMA vs SPIRITO ANIMALE

Cartesio, Willis, Gassendi

“Accidental neuroscience”: frenologia

• 1838 Phineas Gage, operaio ferroviario in New England, USA

• Un giorno un palo metallico penetra dalla base del cranio, fuoriuscendo dalla volta

• Gage sopravvisse, era capace di camminare, ascoltare, vedere (con l’occhio destro), parlare

• Ma alcuni aspetti della sua personalità erano cambiati

• Irriverente, sboccato, disinibito

LESIONE DELLE AREE PREFRONTALI

Localizzazione di funzioni, 1

• Franz Gall e freneologisti: inizio 19° sec

• Frenologia (lettura della personalità da “gobbette” sulla testa) è una scienza oggi screditata, ma….

• Ha suggerito che il cervello possa essere suddiviso in molti “organi” separati, responsabili per i vari comportamenti

• sostengono il concetto di localizzazione la descrizione degli effetti funzionali di lesioni cerebrali specifiche

• John Hughlings Jackson, neurologo inglese, notò che la lesione della parte destra del cervello influenzava i processi visuo-spaziali più che le lesioni del lato sinistro

• Pierre Paul Broca e Carl Wernike mostrarono che la lesione della parte sinistra del cervello alterava le capacità del linguaggio

Localizzazione di funzioni, 2

BRAIN IMAGING

TAC

MRI

fMRI

PET

SPECT

Anton van Leeuwenhoek, 1632-1723

Microscopio a una lente, descrive i batteri e i protozoi

Zacharias Janssen, primo microscopio, 1595:

tubo con lenti ad entrambe le estremità, ingrandimenti 3x o 9x

Robert Hooke, 1635-1703

vede e descrive la prima “cellula” (e usa per primo questa definizione)

TEORIA CELLULARETEORIA CELLULARE

1838: Matthias Schleiden scopre che tutte le piante sono composte da cellule

1848: Theodor Schwann scopre che tutti gli animali sono composte da cellule

1855: Rudolph Virchow scopre che tutte le cellule derivano da cellule preesistenti

1. tutte le “cose” vitali sono costituite da cellule

2. le cellule sono le più piccole unità vitali di un organismo

3. le cellule derivano da cellule preesistenti

OBS!!!!:40% cellule60% ambiente extracellulare

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1906

"in recognition of their work on the structure of the nervous system"

somadendriteassone

Golgi: TEORIA RETICOLARE

sistema nervoso come rete continua, come interconnessione globale di tutti i centri nervosi (derivata dal fisiologo francese Pierre Flourens)

tutte le facoltà del cervello, da quelle percettive a quelle cognitive, sono il risultato di un’azione di massa dell’intero cervello

originariamente formulata da illustrazione di cellule nervose, da Deiters, 1865 nel 1865 da Albert von Kolliker nel 1867 e ripresa ed ampliata da Joseph Gerlach nel 1871

postulava un’assoluta continuità tra tutti gli elementi del sistema nervoso mediata dalla connessione completa delle fibre conduttive, assoni e dendriti, e alla base della possibilità di propagazione dell’impulso elettrico tra centri e vie distanti nel sistema nervoso

Golgi pensava che i dendriti non partecipassero alla trasmissione dell’impulso nervoso e che avessero come funzione quella dell’alimentazione dei tessuti

L’idea accettata era che l’impulso nervoso potesse viaggiare indifferentemente in entrambe le direzioni sui due tipi di fibre e cioè da e verso il corpo cellulare

Cajal: TEORIA NEURONALE

1888, studiando al microscopio il cervelletto e la retina, Cajal osservava che alcuni assoni terminavano liberamente, senza nessuna interconnessione fisica con altre fibre nervose

in un lavoro del 1889, Cajal concludeva che le cellule nervose, alla pari di quelle degli altri tessuti, dovevano essere considerate come unità indipendenti

aveva compreso che la conduzione avveniva sia in dendriti che in assoni

Nel 1891 Cajal esponeva la teoria della polarizzazione dinamica del neurone secondo la quale i dendriti sono preposti alla ricezione del segnale e cioè alla conduzione degli impulsi nervosi verso il corpo cellulare; mentre gli assoni conducono i segnali nervosi verso i neuroni posti in relazione di contiguità

Il difficile rapporto Golgi-Cajal

Non appena Cajal ebbe modo di osservare al microscopio un preparato di tessuto nervoso con la reazione cromo-argentica considerò Golgi un grande maestro e scienziato: "Io ammiro i lavori di Golgi e professo per la sua personalità scientifica il più grande rispetto e la più alta considerazione".

Voleva ardentemente incontrarlo per esternargli la sua ammirazione, stringere amicizia con lui e chiarirgli la sua posizione scientifica, ma questo non gli riuscì

spediva al Golgi i suoi lavori scientifici più importanti, non comprendeva l'atteggiamento così ostile del collega: "il suo grande merito non lo dispensano dal riconoscere i meriti modesti acquisiti da coloro che, confermando i meriti del maestro, si onorano di portare il titolo di suoi allievi e continuatori".

Quando nel 1906 trapelò la notizia del Premio Nobel congiunto, Golgi dissentì profondamente e inizialmente manifestò l'intento di non voler ritirare il premio per non incontrare il Cajal, mentre taluni sostennero che non si accontentava della metà del premio.

Il mondo scientifico europeo si attendeva però una conciliazione tra i due almeno sul piano formale, ma ciò non avvenne poichè la diatriba scientifica tra "rete nervosa diffusa" e "teoria del neurone" si era trasformata in rivalità e dissidio personale.

Durante la cerimonia della premiazione a Stoccolma, avvenuta l'11 dicembre 1906, il Golgi tenne un atteggiamento d'indifferenza nei confronti dell'antagonista e la sua conferenza intitolata "La dottrina del neurone. Teoria e fattti " fu praticamente una sistematica demolizione delle tesi del Cajal. Ciò fece parlare i cronisti dell'epoca di "Nobel dell'odio " e fece dire al prof. G.C. Requier che " una crudele ironia della sorte aveva accoppiato i due grandi emuli a guisa di fratelli siamesi uniti per la schiena ".

La contrarietà del Golgi non derivava tuttavia solo dal fatto che la sua teoria era superata rispetto a quella del Cajal ma scaturiva dal risentimento che la celebrità del Cajal era dovuta proprio al suo metodo della reazione nera. Lo scienziato spagnolo aveva raccolto i frutti della semina di quello italiano.

1950, microscopia elettronica:definitiva conferma della teoria neuronale

• codificazione del segnale

• conduzione a distanza (intracellulare): fenomeno elettrico

• trasmissione ad altra cellula (extracellulare): fenomeno chimico

Accoppiamento elettrochimico

Neurone: termine introdotto nel 1891 da Wilhelm von Waldeyer

Wilhelm His nel 1886 e August Forel nel 1887:

la trasmissione dell’impulso nervoso era possibile anche senza fusione delle cellule, tra elementi anatomici posti in semplice contatto

Wilhelm von Waldeyer, in un’opera in sei parti pubblicata nel 1891,concludeva che la cellula nervosa andava considerata come unità indipendente e perciò chiamata neurone, arrivando così alla sintesi necessaria per la formulazione di una organica teoria neuronale

OGGI 1OGGI 1

A seconda del numero di processi:

1) Unipolare (pseudounipolare)— ha un unico processo che si biforca; il corpo cellulare si trova nei gangli spinali e craniali 2) Bipolare— ha 2 processi (relativamente raro: retina e alcuni nervi cranici)3) Multipolari— molti processi, tipicamente 1 assone e 2 o più dendriti che danno origine all’albero

-Golgi tipo I: piccoli, solitamente interneuroni - Golgi type II: più grandi

A seconda della morfologia:Es. piramidali

A seconda dello scopritore:Es. Purkinje

A seconda del mediatore chimico:VEDI NEUROANATOMIA CHIMICA

OGGI 2OGGI 2

• DENDRITE = tubo non mielinizzato che conduce l’informazione verso il corpo cellulare

• ASSONE = tubo spesso mielinizzato che conduce l’informazione dal corpo cellulare alla periferia

NON SEMPRE E’ COSI’!

• la direzione dell’impulso è definita dalla regione della membrana plasmatica capace di generare l’impulso nervoso (elettrico: TRIGGER ZONE)

Direzione dell’impulso = direzione dell’informazioneOGGI 3OGGI 3

MEMBRANA PLASMATICA:MEMBRANA PLASMATICA:1902: Juliu Bernstein propone la teoria della membrana cellulare‘30-’50: Davson e Danielli: doppio strato lipidico ricoperto dai due lati da un doppio strato proteico: termodinamica

diffrazione raggi Xmicroscopia elettronicacalorimetria differenzialespettroscopia Ramanrisonanza magnetica nucleare

1972: Singer e Nicolson introducono il modello del mosaico fluido

ELETTRICITA’ELETTRICITA’

1791: Luigi Galvani e l’elettricità della rana (polemica con Volta)

1838: Matteucci con il galvanometro registra la produzione di elettricità dal muscolo

1849: Hermann von Helmholtz misura la velocità dell’impulso nel nervo di rana

1850: Emil Du Bois-Reymond perfeziona il galvanometro

1868: Julius Bernstein misura il time-course di un potenziale d’azione

1875: Richard Caton è il primo a registrare l’attività elettrica cerebrale…..

1897: Karl Ferdinand Braun inventa l’oscilloscopio…..

1953: D.Albe-Fessard e P.Buser creano elettrodi di pochi micron di diametro per registrare l’attività elettrica di singoli neuroni; B.Katz e A.Hodgkin registrano singoli potenziali d’azione e li correlano a modificazioni delle concentrazioni di sodio e potassio

1952: William R.Hess nel 1952 riuscì a stimolare con elettrodi piccole aree cerebrali e addirittura singole cellule

1971 Erwin Neher e Bert Sakmann effettuarono delicate  misurazioni delle variazioni di corrente in singoli canali del sodio al livello della fibra nervosa, per mezzo della nuova tecnica del patch clamp.

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963

"for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane"

John Eggles Alan Hodgkin

Andrew Huxley

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1932

"for their discoveries regarding the functions of neurons"

Charles Scott

Sherrington

Edgar Douglas Adrian

on-off theoryon-off theory““synapse”synapse”

Inputs:problema

Outputs:soluzione

brain:on-off

the black box

Canali ionici:•Elettrofisiologia•Farmacologia•Biologia molecolare•Live-imaging

The Journal of Neuroscience, December 1, 2001, 21(23):9325-9333- Supplemental Data Oliver Prange & Timothy H. Murphy

John Eccles è considerato il più significativo rappresentante contemporaneo della concezione dualista dell'essere umano (cartesio)

Eccles sostiene che le facoltà superiori dell'uomo, e in particolare l'autocoscienza, non possono essere spiegate facendo riferimento esclusivamente all'attività della corteccia cerebrale. Egli ipotizza l'esistenza di una mente autocosciente, entità in grado di influire sui diversi blocchi funzionali formati dai neuroni, e nello stesso tempo di subire l'influenza dell'attività di questi

In particolare, la mente autocosciente sarebbe costantemente impegnata nella lettura selettiva di ciò che avviene nei diversi centri cerebrali. Essa selezionerebbe questi centri in base alla propria attenzione e ai propri interessi, integrando tale selezione per realizzare istante per istante l'unità dell'esperienza cosciente

Per Eccles, quindi, l'unità dell'esperienza cosciente non deriva da una sintesi finale operata a livello neuronale, bensì dall'attività di integrazione svolta dalla mente autocosciente in base a quanto essa legge selettivamente nei diversi blocchi funzionali del cervello

Nel corso di quegli studi (1944) Eccles spontaneamente e francamente riconobbe falsa la propria ipotesi della trasmissione “elettrica”, e si dichiarò a favore di quella “chimica”. …. in quel periodo vi erano state lunghe conversazioni tra Popper e lui sulla metodologia delle scienze e sul criterio della cosiddetta «falsificazione», come procedimento autocorrettivo dell’indagine scientifica

Karl Popper: il filosofo del falsificazionismoNeopositivisti: criterio di significato

Popper: criterio di demarcazione, basato sulla falsificabilità: se è vero che per quanti fatti esistano in favore di

una teoria non possiamo mai raggiungere la certezza della sua validità, è vero anche che è sufficiente un solo fatto in contrasto con la teoria per dimostrare la sua falsità

Il carattere distintivo della scienza è quindi la possibilità di falsificazione empirica delle sue teorie; qualora manchi questa possibilità, si è al di fuori della scienza

“Posso rallegrarmi persino della falsificazione di una teoria cui tenevo, poiché anche questo è un successo della scienza!”

Dalla trasmissione elettrica alla trasmissione chimicaDalla trasmissione elettrica alla trasmissione chimica

Da una concezione dogmatica ad una concezione critica dell’impresa scientifica

giustificazionismo

neopositivismo

falsificazionismoantipositivista

Eccles: “molti, a cominciare da me, ebbero la propria vita trasformata dalla nuova ispirata visione della Scienza che Popper ci portò”

Popper: “il problema mente-cervello mi appassiona fin da quando ero ragazzo… tuttavia non credo che avrei mai scritto qualcosa in proposito se non avessi incontrato Eccles”

“The self and its brain”