Cervello

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Arti fantasma e numeri colorati

15 settembre 2011 in dendrite by Manuel | 2 comments

Ho notato che in quasi sessanta articoli non ho mai parlato (con un’eccezione) di neuroscienze; devo questa mancanza ad una mia parziale ignoranza in merito, ignoranza alla quale, con molta fatica, ho posto qualche riparo, per cui eccomi qui. Voglio parlarvi di due fenomeni estremamente interessanti e discuterne le cause. Capita molto spesso che a persone a cui venga amputato un arto, o parte di esso, capiti ancora di sentire l’arto mancante. Questo fenomeno abbastanza conosciuto è noto come arto fantasma, ed a prima vista è assolutamente bizzarro (e spesso doloroso). Come è possibile che una parte del corpo mancante mandi ancora segnali nervosi al sistema nervoso centrale? Sembra una contraddizione! In realtà la risposta risiede nell’anatomia del sistema nervoso centrale, nella quale ci addentreremo pian piano.
Il Sistema Nervoso Centrale è costituito da encefalo e midollo spinale, che sono parte della stessa struttura che durante lo sviluppo embrionale si chiama tubo neurale (essendo un tubo, è cavo al suo interno, e questa cavità persiste anche nel SNC dell’adulto, con i quattro ventricoli encefalici e il canale centrale del midollo spinale). Mentre però il midollo spinale mantiene grossomodo una struttura tubulare, l’encefalo è enormemente sviluppato e rigonfiato. Il Midollo spinale è contenuto all’interno del canale vertebrale, costituito come potrete facilmente dedurre dalle vertebre. Il Midollo spinale ha quindi una posizione mediana tra metà destra e sinistra del corpo, ed ha una posizione dorsale. Dal midollo spinale si dipartono numerose paia di nervi spinali (un nervo per la metà sinistra e uno per la metà destra). I nervi spinali sono delle strutture rivestite, e sono costituite da veri e propri fasci di assoni il cui corpo cellulare è situato nel midollo. Ciascun nervo spinale è un nervo misto, cioè ha sia assoni motori, che vanno ad eccitare i muscoli per farli contrarre, sia assoni sensitivi, che innervano il nostro organismo (muscoli, cute, visceri) e ci danno la sensibilità (quella che chiamiamo sensibilità somatica, del nostro corpo, e sensibilità propriocettiva che è una sensibilità non cosciente sullo stato dei nostri muscoli e tendini). Gli assoni sensitivi partono da neuroni il cui corpo cellulare (o soma) risiede in appositi gangli molto vicini al midollo spinale, tra una vertebra e l’altra. Questi neuroni, che vengono chiamati sensitivi primari, sono particolari perchè hanno un corpo cellulare localizzato in questo ganglio, e invece di avere dei normali dendriti e un normale assone, presentano un unico processo a T (vengono chiamati neuroni pseudounipolari):

Come vedete questo processo a T è funzionale al loro ruolo di “percepire” stimoli (tattili, dolorosi, termici) in periferia con un’estremità del processo, attivare un potenziale di azione (o impulso elettrico) che viaggia a ritroso (rispetto alla direzione dell’impulso di un neurone motore, che dal centro va in periferia) fino all’estremità opposta. L’estremità opposta è “inserita” nel midollo spinale” dove ci sono neuroni sensitivi di secondo ordine che vengono attivati da questo potenziale d’azione. I neuroni sensitivi spinali attivati sono dei neuroni come normalmente li immaginiamo, ovvero hanno un corpo cellulare, un albero dendritico, e un assone diametralmente opposto. Ricevono l’impulso sui loro dendriti e attivano un potenziale d’azione che corre lungo l’assone in direzione ascendente, ovvero dal midollo spinale verso l’encefalo. Questa via spinale termina nell’encefalo, dove attraverso altri neuroni cambia metà (oltrepassa la lina mediana che divide in due metà speculari il nostro SNC), contatta il Talamo, e dal Talamo arriva alla corteccia (dell’emisfero della metà opposta del corpo dove lo stimolo si è originato). La corteccia è una struttura straordinaria. Rappresenta lo strato più esterno e più sviluppato dei due emisferi cerebrali, quello che viene volgarmente detto “materia grigia” ed è costituita da miliardi (si stima sui 50) di neuroni.  La corteccia ha subito nei mammiferi e nei primati uno sviluppo enorme dell’estensione, ed è tanto estesa che è ripiegata su se stessa ed è per questo che ha assunto quell’aspetto tipico con solchi e circonvolluzioni (questo ha permesso un’aumento della superficie senza un corrispettivo aumento del volume; ricordo che in biologia il rapporto volume/superficie di solito non deve mai essere troppo elevato).

Vedete ora un encefalo dall’alto, come se apriste la calotta cranica di una persona (ma vi invito a non farlo, potreste ucciderla), e osservaste il cervello dall’alto, intero (in anatomia spessissimo si fanno delle sezioni di organo per osservarne l’interno). Vedete benissimo come sia diviso in due emisferi da una scissura che corre longitudinalmente (scissura longitudinale), e che questi emisferi hanno dei solchi e delle altre scissure. Quella che vedete è quindi la corteccia cerebrale, la nostra parte del cervello più sviluppata. La corteccia è divisibile in lobi, che anche se si tratta di strutture dai confini arbitrari, rispondono abbastanza bene alle esigenze anatomiche:

Se operiamo una sezione coronale (perpendicolare alla scissura longitudinale) otteniamo questo:

I due emisferi sono ancora distinguibili. Notiamo inoltre come la corteccia, sia solo lo strato più esterno (grigio) degli emisferi, ma come sia comunque sviluppata ed estesa. Sotto la corteccia (la parte in giallo) c’è la mteria bianca, ovvero fasci di assoni che mettono in comunicazione varie parti del SNC tra loro (particolarmente degni di nota sono le fibre commessurali, ovvero quelle fibre che passano da un emisfero all’altro formando il corpo calloso). Notate in oltre come i due emisferi presentino due cavità, i ventricoli laterali (lateral ventricle),al di sopra dei quali si trova il corpo calloso che mette in comunicazione i due emisferi. I due ventrucoli laterali confluiscono, attraverso i fori interventricolari del Monro nel terzo ventricolo ai fianchi del quale si sviluppa il talamo (il talamo è un nucleo pari, ovvero uno per ogni emisfero) che è la stazione dove tutte le percezioni (tattili, dolorifiche, visive, uditive e olfattive) “sostano” prima di venire mandate alla corteccia dove verranno elaborate. Tutte quelle senzazioni che non percepiamo (come ad esempio i vestiti che abbiamo addosso) è perchè sono filtrate dal talamo e non sono inviate alla corteccia (poi c’è anche un discorso di adattamento dei recettori cutanei, ma non aggiungiamo altra carne al fuoco). Il talamo, con altri nuclei (come il caudato, e il lentiforme) costituisce il Diencefalo, la parte del cervello che è la base dei due emisferi e dai queli è completamente ricoperto (i due emisferi formano il telencefalo). Il Diencefalo poggia infine sul tronco cerebrale, costituito da diversi nuclei importantissimi per le funzioni vitali come la respirazione, battito cardiaco, sonno/veglia, è la parte più fondamentale e arcaica del cervello, e restringendosi sempre di più esce dal cranio e diventa midollo spinale. Ma torniamo alla corteccia. I neuroni che formano la corteccia sono stratificati (da tre a sei strati), ma le unità operative non sono a strati, ma a colonne che attraversono gli strati. Questi moduli sono attivati da segnali specifici (provenienti dal “basso”, da aree dello stesso emisfero, o dall’emisfero opposto). La corteccia è responsabile dell’elaborazione delle informazioni, e in genere delle funzioni superiori (linguaggio, riconoscimento ecc..). La corteccia ha aree specializzate per questo tipo di funzioni. Ha un’area deputata all’elaborazione delle immagini visive, una per le informazioni uditive, e così via. Sono state individuate 47 aree corticali. Tra queste c’è anche l’area somatosensitiva o somestetica indicata in viola:

La corteccia somestetica (lobo parietale) viene raggiunta da tutte le informazioni sensitive coscienti che arrivano dai nervi periferici (seguendo quel percorso che ho illustrato prima). Bisogna anche sottolineare come in molti casi, e questo è uno di quelli, l’area somatosensitiva dell’emisfero sinistro riceve informazioni dalla parte destra del corpo e viceversa, questo perchè come ho detto prima, gli assoni che dal midollo spinale portano gli impulsi verso l’encefalo terminano all’inizio del cervello, e passano il testimone ad un altro gruppo di neuroni (che formano due nuclei, il gracile e il cuneato), i quali come si dice in gergo decussano, e vanno a finire nel talamo dell’emisfero opposto, dal talamo quindi passano alla corteccia dove queste informazioni vengono elaborate, e noi effettivamente sentiamo, ad esempio, una mano che ci sfiora, e le mie dita sentono i tasti mentre sto scrivendo questo post. Una cosa molto interessante, è che questa corteccia sensitiva ha un’organizzazione che rispecchia le varie parti del corpo, c’è quindi una zona, in quest’area, che è deputata alle senzazioni arrivanti dalla mano, un’altra da quelle della lingua, del torso e così via. Ha un’organizzazione somato-topica. Ma, ad esempio, la zona corrispondente alla mano è molto più sviluppata rispetto a quella del piede, o del busto, questo determina una sensibilità maggiore alle mani rispetto ai piedi (con le mani scriviamo, cuciamo, suoniamo strumenti, riconosciamo). E’ stato così costruito un homunculus, che ha le zone del corpo di dimensioni proporzionali all’area dedicata nella corteccia. Ora finalmente, vi accorgerete che questa digressione serviva a portarci all’argomento principale: l’arto fantasma. Come è possibile che venga sentito un pezzo di corpo che non c’è più? Se non c’è più, le terminazioni nervose non ci sono più, questo impedisce alla corteccia somatosensitiva di elaborare alcuno stimolo, e noi non dovremmo sentire più nulla. Invece non è così. Infatti, una delle principali caratteristiche della nostra corteccia è che è plastica, capita a volte che funzioni di aree danneggiate (ad esempio da ictus) vengano assunte col tempo da altre aree circostanti, recuperando le funzioni perdute. In questo caso è stato dimostrato che le aree corticali corrispondenti all’arto tagliato, non ricevendo più stimoli propri, vengono spesso accese da altri stimoli, che non c’entrano nulla con la parte del corpo in questione, è come se diventassero più ricettive. Questo determina la sensazione (spesso dolorosa) proveniente dall’arto sparito, in realtà è la nostra corteccia che sente senza essere debitamente stimolata. A volte accade che se a queste persone viene sfiorata un’altra parte del corpo, essi sentano come se si stesse toccando la parte mancante. Questo può accadere quando aree della corteccia somatosensitiva  vicine a quella dell’arto mancante le mandino delle informazioni collaterali, per cui può capitare che una persona a cui è stata amputata la mano sinistra, senta sensazioni alla mano fantasma quando le viene sfiorata la guancia sinistra (nella corteccia l’area del viso è confinante con quella della mano), in questo caso c’è stata una sovrapposizione di aree, quella della guancia è andata a sovrapporsi a quella della mano.
Una sovrapposizione simile è evidente anche in un’altra sindrome molto curiosa, la sinestesia. La sinestesia è meglio nota come figura retorica, che come sindrome, ed è quel modo di dire tipico delle poesie in cui si associano due concetti appartenenti a due sfere sensoriali diverse, così secondo Quasimodo l’urlo delle madri che vedono i propri figli uccisi è nero: una sensazione uditiva viene descritta con un attributo visivo, il nero (cfr alle fronde dei salici). La sinestesia neurologica si fonda sullo stesso concetto, sono sinestetiche quelle persone che associano sensazioni differenti. Il caso più semplice è quello delle persone che vedono i numeri colorati.. nel senso associano un colore a ciascun numero. Io quando penso al quattro penso al quattro, non al verde. Nonostante questo se vedo un quattro verde  sono in grado di dividere queste due cose quattro (numero) e verde (colore). Alcuni sinestetici invece associano il colore ai numeri sempre, per cui se in un insieme di numeri neri, c’è un numero (sempre nero) che ripetuto forma ua figura particolare, un sinestetico la individuerà subito, perchè assocerà ai numeri colori diversi, mentre noi ci mettiamo sicuramente di più. In questo caso la risposta è da cercare nell’area visiva dove il modulo del riconoscimento del simbolo dei numeri è estremamente vicino a quello dei colori e talvolta (geneticamente) è possibile una sovrapposizione delle parti. Ma ci sono casi più complessi, come quelli che ad esempio sentono le note colorate, o associano gusti alle parole. Molto spesso il fenomeno avviene in un solo senso, per cui uno sento un do giallo, ma non è detto che se vedo il giallo sento un do. Questo è dovuto ad un maggior numero di collegamenti che da un’area specifica (mettiamo quella del suono) va a quella della visione o viceversa (da questo si può capire il motivo dell’unidirezionalità). Altri non reputano che sia dovuto ad un maggior numero di connessioni, ma al fatto che queste connessioni siano attive nei sinestetici e inattive negli altri. Il fenomeno è ovviamente complesso e in molti versi ancora incompreso.

Spero di non avervi annoiato, e che la digressione dell’anatomia del nostro cervello, seppur parziale e con molte lacune, sia stato di vostro interesse, perchè mai come in questo caso la struttura si correla strettamente con la funzione, e in questo caso anche la posizione. Se volete leggere qualcosa a proposito consiglio due libri divulgativi del neuroscienziato indiano Ramachandran, “Cosa sappiamo della mente” Mondadori, 2004 e “La donna che morì dal ridere” Mondadori, 1998. Ovviamente potete sempre consultare un testo di neuroanatomia, come ho fatto io per i dettagli, ma se non siete obbligati vi consiglio di evitare (esperienza personale). Se avete dubbi, notate errori, o avete domande usate i commenti! Alla prossima!

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Le dimensioni contano, ma la scala di più!

12 aprile 2011 in lente di barlow by Alice | 2 comments

Questo post è inserito nel contesto de Il Carnevale della Biodiversità che è ormai giunto alla terza edizione, con il grande entusiasmo dei blogger che vi partecipano.  L’argomento di questa terza edizione è Le dimensioni contano e la nostra interpretazione ha rappresentato cercare dove le dimensioni non contano, ovvero cosa rimane costante nella varietà della vita. Gli altri blog partecipanti hanno fornito altri contributi molto molto interessanti i cui riferimenti possono essere trovati qui.

Physicists tend to look for universals and invariants whereas biologists often get preoccupied with all the variantsions in nature.

-  Jim Brown,  biologo dell’Università nel Nuovo Messico

Solo con la parola meraviglia si può descrivere ciò che si prova di fronte alla varietà delle forme di vita che conosciamo, alle sue mille sfaccettature, alle forme e alle dimensioni che spaziano dai ricci di mare, alle sequoie, agli insetti e alle diatomee. Ulteriore meraviglia deriva dalla scoperta che tutti questi organismi così diversi hanno relazioni molto più strette di quanto un primo impatto possa suggerire.

In particolare, in questo post tratteremo il risultato di una collaborazione per certi aspetti curiosa tra due biologi , Jim Brown e Brian Enquist, ed un fisico, Geoffrey West, i quali alla fine degli anni ’90 hanno cercato di spiegare come diverse  caratteristiche degli organismi viventi come il numero di battiti cardiaci, le dimensioni del cervello e dei muscoli, etc  cambino al variare delle dimensioni degli organismi stessi.

Il risultato, per certi aspetti tutt’ora controverso, è una delle poche leggi della biologia, che di fronte alla complessità e alla varietà degli organismi studiati,  suggerisce una sorta di regola generale e piuttosto semplice.  Il modo migliore per arrivare a questo tipo di leggi di scala consiste nel concentrarsi su qualche esempio.

Tutti sappiamo che tendenzialmente gli animali più grandi sono dotati di un cervello di dimensioni maggiori. E’ interessante però anche chiedersi come cambino le masse medie del cervello per animali di diversa massa e vedere se esiste qualche proporzione. Il risultato di quest’analisi è il grafico riportato.

In questo grafico a dispersione con assi logaritmici sono riportate in ascissa le masse degli animali rappresentati e in ordinata quelle dei loro cervelli

Per comodità in questo tipo di studi si utilizzano quasi sempre grafici in scala logaritmica per diversi motivi. Anzitutto occorre osservare che se mantenessimo una scala lineare il grafico non sarebbe così immediato da capire perchè i punti sarebbero molto più dispersi. Inoltre siccome ad ogni “tacca” corrisponde una moltiplicazione per 10 la scala logaritmica risulta funzionale per fare confronti tra diversi animali. Infine, se utilizzassimo la scala lineare il risultato sarebbe una curva che è tendenzialmente di più difficile interpretazione. In questi esempi utilizzando la scala logaritmica otteniamo quasi sempre dei dati che possono essere interpolati con una retta i cui parametri sono molto più semplici da studiare.  Anzi, in realtà il parametro da studiare è soltanto uno: il coefficiente angolare della retta in questione. I casi che possiamo ipotizzare sono diversi:

1) possiamo pensare che la pendenza della retta sia 1. Ciò significa che se le dimensioni (in questo caso la massa) dell’organismo raddoppiano anche le dimensioni del cervello raddoppieranno.

2) in alternativa potremmo pensare che il rapporto sia di 2/3. Il motivo è sottile. Il ragionamento è di natura dimensionale: qualsiasi sia la forma dell’organismo in questione facendo variare le sue dimensioni, la sua massa, proporzionale al suo volume varierà con la terza potenza. Le dimensioni del cervello invece si potrebbe pensare che siano proporzionali alla superficie dell’organismo in questione (perchè con l’aumentare della superficie aumentano ad esempio le cellule sensibili all’interazione con l’esterno, ovvero quelle che inviano segnali da elaborare al cervello). Per tale motivo si potrebbe pensare che, aumentando con la terza potenza delle dimensioni la massa dell’organismo e con la seconda quella del cervello il coefficiente angolare della retta sia 2/3.

Questo tipo di ragionamento può essere fatto non solo per le dimensioni di qualsiasi organo, ma anche per altre grandezze, come il numero di battiti cardiaci, la durata della vita, etc… Ciò che è interessante è che per la stragrande maggior parte di questi esempi, cervello compreso, il legame con la pendenza è sempre lo stesso. Nel nostro esempio la pendenza non si rivela infatti essere 1 e nemmeno 2/3 , bensì un numero compreso tra i due pari a 3/4.

Questo numero compare anche in altri tipi di studio, in particolare è oggett della cosiddetta legge di Kleiber che mette in relazione la massa di un organismo con l’inverso del suo rate metabolico (utilizzando come sempre la scala logaritmica). Ovviamente questo tipo di legge contiene al suo interno piccole variazioni, ad esempio tra organismi a sangue caldo, organismi a sangue freddo e unicellulari, ma pur con queste piccole differenze si applica a tutti gli animali e ai batteri (e con opportune modifiche anche ai vegetali).

In questo grafico si può vedere, in scala logaritmica, la relazione tra dimensioni di un organismo e il suo tasso metabolico.

Il motivo per cui la pendenza di queste rette è di 3/4 è rimasto piuttosto oscuro fino agli studi di West, Brown ed Enquist, che hanno derivato matematicamente questo risultato.  Il loro studio prende in esame il problema fondamentale  di ogni organismo, ovvero il rifornimento di ossigeno e nutrienti. Diversi organismi lo affrontano in modo differente: un organismo unicellulare (o semplicemente molto piccolo)  non ha grosse difficoltà perchè la maggior parte delle sue cellule è a “contatto con l’esterno” e ciò è legato a un rapporto molto alto tra superficie e volume.  Per un organismo più grande il problema del trasporto è più pressante perchè la maggior parte delle cellule che necessitano di nutrimento e ossigeno si trovano lontano dalle superfici in cui avviene lo scambio.  I risultati dopo millenni di evoluzioni sono diversi:  da dei veri e propri tubi utilizzati dagli insetti al nostro sistema circolatorio, passando per le branchie dei pesci.

Il fatto che il tasso metabolico e le dimensioni di un organismo siano legati da una potenza 3/4 può essere visto da un certo punto di vista come un compromesso tra una relazione lineare (pendenza della retta 1) e la relazione superficie-volume (pendenza 2/3). Questo compromesso è dettato da due caratteristiche principali del problema “dei rifornimenti”.

Per capire il primo immaginiamo di voler “ingrandire” un piccolo mammifero: aumentando le sue dimensioni, aumenteremo il suo numero di cellule, perciò dovremo rendere più efficiente il suo sistema circolatorio. Per fare ciò dovremo, fra il resto, aumentare la superficie dei suoi vasi sanguigni, perciò ci saranno delle cellule in più che oltre ad aumentare questa superficie aumenteranno anche il volume dell’organismo in sè! Quindi una parte del volume della crescita è occupato dal sistema di rifornimento di quelle cellule che hanno determinato l’aumento. In altre parole, se raddoppiamo il numero di cellule che hanno bisogno di essere nutrite e ossigenate il volume di quella che potremmo chiamare rete di distribuzione aumenterà più del doppio perchè serviranno più collegamenti e quei collegamenti occupano un certo volume.

La rete di distribuzione di ossigeno in un gran numero di organismi pluricellulari

L’altra ipotesi che gioca un ruolo importante nel compromesso tra linearità e rapporto superficie-volume  consiste nel considerare che il metodo più efficiente di trasporto (quello associato con meno sprechi) è quello che occupa una frazione fissa del volume totale dell’organismo.  Quest’ipotesi deriva principalmente da osservazioni empiriche: nel caso dei mammiferi  questa frazione è del 6-7%.

Mettere insieme queste due ipotesi dal punto di vista matematico non è semplice, ma partendo da questi due punti (successivamente altri ricercatori hanno utilizzato ipotesi meno restrittive) si può dimostrare che il rapporto di massima efficienza è pari a 3/4 ed è ciò che effettivamente si osserva.

La potenza di questa legge penso che sia evidente: è una legge che vale per organismi molto diversi tra loro ed è nella sua essenza incredibilmente semplice. Nonostante ci siano tutt’ora alcuni critici, questa derivazione è accettata dalla maggior parte degli ecologi e continua ad affascinare per la sua eleganza e generalità.

Per approfondire:

Methabolic Theory of Ecology on Wikipedia. Dalla legge di Kleiber si è sviluppata un’intera branca dell’ecologia.

Power Laws in Biology un articolo interessante sulle leggi di potenza in biologia, descrive molti dettagli da cui si può capire l’importanza di utilizzare la scala logaritmica in questo ambito

Of Mice and Elephants: A Matter of Scale, George Johnson, un’interessante e appassionante introduzione al lavoro di West, Brown ed Enquist

The Ancestor’s Tale, Richard Dawkins, ai temi delle leggi di scala in biologia e alla legge di Kleiber Dawkins dedica ben due racconti (Il racconto dell’homo abilis e del cavolfiore)

Dimensioni e vita, McMahon- Bonner, Una bella raccolta di esempi e problemi che riguardano dimensioni e biologia, non troppo appassionante da leggere, ma molto interessante.


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Epilessia.. una breve review

21 giugno 2010 in lente di barlow by Manuel | 2 comments

[…]Poi, improvvisamente, una voragine si aprì sotto i suoi piedi e una straordinaria luce interiore gli illuminò l’anima.Quell’abbaglio non durò più di mezzo secondo;ma il Principe, in seguito, si ricordò chiaramente dell’urlo spaventoso e incontenibile che gli uscì dal petto.Poi la sua coscienza si spense e tutto si fece tenebra.

‘L’idiota’ F. M. Dostoevskij

Con questa straordinaria citazione apro un articolo riguardante l’epilessia. L’epilessia è un disturbo del sistema nervoso centrale. Oggigiorno colpisce più di cinquanta milioni di persone nel mondo (stime della WHO), anche se credo che come sempre siano stime al ribasso.
Quando uno o più gruppi di neuroni, solitamente della corteccia, ma possono essere anche più profondi, presentano un’eccessiva e sincronizzata attività elettrica si profila il rischio di sviluppare un attacco epilettico, caratterizzato dalla presenza di convulsioni e da eventuale perdita di coscienza.
Le convulsioni sono contrazioni involontarie dei muscoli scheletrici, possono essere localizzate (riguardare cioè gruppi di muscoli separatamente) o generalizzate (riguardare tutti i muscoli del corpo). Normalmente non sono pericolose per la vita, anche se si possono avere difficoltà respiratorie.Le convulsioni non sono necessariamente manifestazione di un attacco epilettico, perché possono generarsi anche per altri motivi: traumi cerebrali, ictus, tumori al cervello, intossicazioni ecc..
Non mi interessa, in questo post, parlare di tutti i tipi di convulsioni esistenti e di tutti i tipi di epilessia esistenti, sappiate che sono innumerevoli e se volete saperne di più la voce di wikipedia al riguardo è molto ben fatta (quella inglese). Mi interessava parlare delle cause. Non che il discorso sia più semplice, anzi!
L’epilessia, nei termini più generali, è una malattia complessa e multifattoriale. Non si conoscono ancora tutti i meccanismi che la provocano, quello che si è scoperto e che le ricerche confermano sempre di più è che in molti casi ha una forte base genetica.
Per capire meglio i meccanismi d’insorgenza della patologia, vorrei fare un piccolo excursus, ma proprio piccolo, sulle sinapsi e sui neurotrasmettitori.

Come molti di voi sanno, il sistema nervoso (centrale e periferico) funziona attraverso la generazione e la propagazione di impulsi elettrici, vere e proprie scariche di corrente che decorrono lungo tutto l’assone. La terminazione dell’assone forma una sinapsi, ovvero un contatto molto stretto, con un altro neurone o con una cellula effettrice (fibra muscolare, recettore sensoriale ecc..). A livello della sinapsi possiamo distinguere una membrana presinaptica, uno spazio intersinaptico di circa 20nm e una membrana postsinaptica. Questo sistema serve a propagare da una cellula alla successiva l’impulso elettrico, nonostante ci sia un’interruzione.
In un encefalo umano si stima possa esserci un numero di sinapsi dell’ordine di grandezza di 1014. A tenere stabili le sinapsi ci sono numerose molecole di adesione che tengono adesi i due lembi di membrana cellulare.
Solitamente per sinapsi si intende una sinapsi chimica, che funziona cioè con un neurotrasmettitore (NT). Queste sono quelle più diffuse, ma esistono anche delle sinapsi elettriche, dove non c’è nessun neurotrasmettitore. Di queste non ci occupiamo.
Il neurotrasmettitore è la molecola responsabile della propagazione dell’informazione da un neurone alla cellula successiva mediante impulso elettrico. Rilasciato dal terminale presinaptico all’arrivo dell’impulso, si diffonde nello spazio tra le due membrane e si lega a dei specifici recettori posti sulla membrana postsinaptica. L’attivazione del recettore determina l’effetto sulla cellula postsinaptica.
So che queste cose sono note e risapute, ma portate ancora un po’ di pazienza e arrivo al dunque.
Ci sono tantissimi NT, alcuni di essi sono in grado di indurre nella cellula postsinaptica un altro impulso elettrico, altri invece sono in grado di inibirlo. Parliamo quindi di NT eccitatori (come glutammato, acetilcolina) e inibitori (come GABA e Glicina).

E’ ormai noto che difetti nel signaling del neurotrasmettitore GABA sono associati all’epilessia. In molti pazienti si sono riscontrati deficit nella biosintesi e nella trasmissione di questo NT, che è il più importante NT inibitorio del Sistema Nervoso Centrale.
Il GABA, acido gamma-ammino-butirrico, è ottenuto dall’acido glutammico (o glutammato, che oltre ad essere un neurotrasmettitore è più comunemente un amminoacido) mediante l’enzima Acido Glutammico Decarbossilasi (GAD). Viene immagazzinato in vescicole nel terminale presinaptico e una volta rilasciato si può legare a diversi recettori (GABARs): GABAAR, GABABR e GABACR. l’A e il C sono due canali specifici per il Cl-, quando vengono attivati quindi lasciano passare all’interno del neurone postsinaptico grandi quantità di ioni cloro (nel SNC a completo sviluppo [Cl-]e>[Cl-]i ovvero la concentrazione di cloro extracellulare è maggiore di quella intracellulare, mentre durante lo sviluppo è esattamente l’incontrario, questo fa sì che il GABA durante lo sviluppo embrionale sia un NT eccitatorio). L’entrata di cloro nella cellula rende più negativo il potenziale di membrana (attenzione, non centra nulla il fatto che il cloro abbia una carica negativa con questo), e poiché per generare un impulso elettrico il potenziale di membrana deve shiftare verso valori più vicini allo zero, capite bene come il GABA inibisca tutto ciò.
Il Recettore GABAB non è una proteina canale, bensì un recettore accoppiato a proteine G e la sua attività è sempre inibitoria.
E’ curioso notare come sia il recettore A che il C sono sensibili a numerose molecole, quali l’alcol (etanolo) il quale aumenta l’attività del GABA (ubriacarsi ha quindi un effetto inibitorio sul SNC), barbiturici e benzodiazepine (idem come per l’alcol).

Bene, ora che ho fatto questa panoramica sulle sinapsi e sui NT, in particolare il GABA, credo risulti abbastanza chiaro come una mancata inibizione da parte delle sinapsi GABAergiche possa portare ad un’eccessiva attività alcuni gruppi di neuroni (è come se questi neuroni perdessero un freno). Questo può portare a sviluppare movimenti incontrollati dei muscoli. Il discorso, se vogliamo, è simile a quello che si potrebbe fare per il morbo di Parkinson, caratterizzato da un tremolio involontario della muscolatura e da ipocinesia. In questo caso si ha una degenerazione di un gruppo di neuroni nel nostro encefalo che formano un nucleo chiamato Substantia nigra (perché è di un colore nerastro); questi neuroni sono dopaminergici (funzionano rilasciando Dopamina) e la loro perdita causa un’inibizione dei segnali motori.
Ma torniamo all’epilessia, che è già abbastanza complicata di per sè, senza che ci infiliamo di mezzo anche il Parkinson. Sono state osservate numerose mutazioni a carico dei geni che codificano per le varie subunità che costituiscono i vari recettori del GABA. Queste mutazioni diminuiscono l’efficienza della trasmissione GABAergica aumentando il rischio di sviluppare epilessia.
Ci sono mutazioni implicate in tale patologia che colpiscono numerose altre proteine, però.. non dobbiamo pensare che solo i recettori del GABA siano responsabili. Ad esempio, alcuni canali (non recettoriali, questa volta) per il sodio implicati nell’eccitazione neuronale. Quando questi canali si attivano, il sodio entra nella cellula, il potenziale di membrana si sposta verso lo zero, e questo determina la generazione dell’impulso nervoso. Mutazioni che aumentano l’attività di questi canali, o ne rallentino la chiusura sono correlate all’epilessia.

Una piccola digressione sulle terapie farmacologiche. Ora si tendono a prescrivere farmaci anticonvulsivanti, diretti soprattutto a potenziare l’azione del recettore GABA, in particolare le benzodiazepine.
E’ anche in corso di sperimentazione una terapia non farmacologica, che si basa sulla modificazione della dieta dei soggetti epilettici, in particolare bambini. Questa dieta, chiamata Ketogenic Diet, o dieta chetogenica in italiano, prevede una dieta ricca di grassi, intervallata a periodi di digiuno. Questo farebbe innescare un metabolismo chetogenico; i chetoni sono dei composti chimici che si formano quando assumiamo eccessive quantità di grassi (portandone a saturazione il metabolismo).
I chetoni avrebbero un effetto anticonvulsivante. Ci sono effetti collaterali, come disturbi gastrointestinali e, nei casi più gravi, disturbi nella crescita e problemi al sistema immunitario. Non vi so dire se potrà un giorno rappresentare una valida alternativa ai farmaci, si vedrà.

Ok, ora ho davvero finito. Spero che sia stato un discorso interessante. Se avete domande fatele! se avete dubbi o critiche, non tiratevi indietro… Alla prossima.

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“La passeggiata dell’ubriaco”

17 gennaio 2010 in gluone blu by Alice | 1 comment

Dopo una lunga latitanza, sono qui per consigliare a tutti il libro di Leonard Mlodinow La passeggiata dell’ubriaco. In realtà al problema del randomwalking non è dedicato moltissimo, e sul randomwalking davvero credo si potrebbero scrivere intere enciclopedie (e magari pure un post, che ne dite?), ma si tratta di una piacevolissima carrellata di informazioni, aneddoti ed esempi in merito alle leggi scientifiche del caso. In poche parole si parla di probabilità, di decisioni e di previsioni e soprattutto  delle trappole logiche che sono tese al nostro cervello che ragionando in modo intuitivo ci fa prendere delle cantonate. Un esempio?

Daniel Kahneman e Amos Tvesky, due psicologi, sottoposero a 88 soggetti il seguente profilo:

“Immaginiamo una donna di nome Linda, trentun anni, single, estroversa e molto intelligente, laureata in filosofia. Al college era molto interessata ai temi della discriminazione e della giustizia sociale, e ha partecipato a manifestazioni contro il nucleare. “

A questo punto i due scienziati chiesero a tutti di valutare una serie di affermazioni dando loro un voto tra 1 e 8 in base alla loro probabilità dove 1 rappresenta la certezza e 8 la certezza che non sia vero. Ed ecco i risultati:

  • Linda è attiva nel movimento femminista – 2,1
  • Linda opera nei servizi sociali psichiatrici – 3,1
  • Linda lavora in una libreria e prende lezioni di yoga – 3,3
  • Linda fa l’impiegata di banca ed è attiva nel movimento femminista- 4,1
  • Linda insegna in una scuola elementare – 5,2
  • Linda è iscritta alla Lega delle donne elettrici – 5,4
  • Linda fa l’impiegata in banca – 6,2
  • Linda fa l’assicuratrice – 6,4″

A questo punto è interessante isolare tre di queste affermazioni:

  • Linda è attiva nel movimento femminista – 2,1
  • Linda fa l’impiegata di banca ed è attiva nel movimento femminista – 4,1
  • Linda fa l’impiegata in banca – 6,2

Non c’è qualcosa di strano? Un matematico direbbe che i punteggi sono quantomeno sospetti. Infatti la terza affermazione include anche la seconda però è meno probabile! Tutto ciò è assurdo: infatti nell’insieme delle impiegate di banca c’è un sottoinsieme  che raccoglie le impiegate di banca attive nel movimento femminista. Kanheman e Tvesky riproposero questo esperimento più volte e lo affinarono ulteriormente. Una delle versioni è particolarmente interessante: i soggetti in questo caso erano 36 laureati a cui era stato esplicitamente detto di tenere conto, durante la scelta, della prima legge della probabilità che afferma , per l’appunto, che  la probabilità che due eventi accadano non può mai essere maggiore della probabilità che ciascun evento accada separatamente. Eppure la maggioranza degli intervistati continuò a rispondere in modo analogo.

E questo è soltanto un esempio: negli anni ’60 un’altra trappola mise in crisi la comunità matematica degli Stati Uniti.

Nel libro troverete molti di questi esempi , condenditi con un po’ di storia e folclore matematico, proposti come sfide al lettore, e ciò rende la lettura molto godibile, a patto che si abbia già masticato un po’ di probabilità (ma proprio poca).  Curiosando sul web ho infatti trovato pareri di lettori che trovavano certi “salti” del testo piuttosto ostici e in effetti a volte conviene approfondire un po’ per poter capire veramente alcuni discorsi. Tuttavia questo libro ha il pregio di dare una panoramica abbastanza ampia e di fornire tanti spunti di riflessione e non è da poco. E’ inoltre veramente una lettura piacevole, perciò lo consiglio a tutti!

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