I Neuroni

Premessa

I neuroni entrano, a proposito o a sproposito, in tutti i discorsi che sfiorano, sia pur di striscio, l’argomento “cervello” o “mente”; di conseguenza, nel Web è presente un’infinita quantità di materiale in cui diventa veramente complicato raccapezzarsi: si passa da articoli effettivamente scientifici -ovviamente in inglese!- a scritti sensazionalistici e fantascientifici -ovviamente contrabbandati per verità!- che disorientano completamente ed instillano pseudo-conoscenze errate nel lettore.

Nel tentativo di orientarmi in questa marea di materiale ho scritto, per me stesso, alcune note sull’argomento; ad un certo punto mi è parso utile raccoglierle ed organizzarle in questo scritto. Spero di esserci almeno parzialmente riuscito, anche se, come sempre accade, a mano a mano che si approfondisce un argomento, si scopre che vi è ancora uno spazio pressoché infinito per ulteriori approfondimenti.

Giunto in fondo a queste note mi sono chiesto perché non metterle a disposizione, tramite il sito dell’Associazione Giulia e Matteo, a tutti coloro che fossero interessati.

La nostra associazione ha in statuto, tra tutti gli altri obiettivi, anche quello di contribuire alla ricerca scientifica sulle malattie psichiatriche e sulle relative cure. Va da sé che prima di tutto occorre avere un’idea (magari non approfondita, ma almeno non troppo errata) su quel poco che ad oggi si sa di come il nostro cervello ragiona… e, talvolta, sragiona!

Non sono un medico e non ho le conoscenze sufficienti di chimica organica, necessarie per descrivere nel dettaglio i meccanismi di funzionamento dei neuroni. Di conseguenza ho adottato una prospettiva di osservazione “esterna”: cioè ho cercato di capire un po’ cosa sono e come agiscono i neuroni, senza entrare nei meccanismi chimico-fisici-biologici del loro funzionamento.

Questo è un tentativo piuttosto arduo e quindi… non posso che invocare la clemenza degli eventuali lettori, soprattutto riguardo l’inesattezza nell’utilizzo di alcuni termini scientifici per descrivere, nel modo più semplice -ma meno inesatto possibile- un argomento, che, almeno per me, è tutt’altro che scontato.

Poco sopra ho criticato l’enorme e variegata quantità di materiale presente in Internet, ma è stato proprio saccheggiando, sia pur criticamente, qua e là vari siti, che ho potuto compilare questo modesto scritto: quindi “Grazie Internet”!

Grazie anche ad altri amici dell’Associazione Giulia e Matteo che con molta pazienza e con utili suggerimenti hanno seguito il lavoro; ovviamente questo non cambia il fatto che le eventuali castronerie presenti nello scritto siano assolutamente “farina del mio sacco” e quindi di mia completa responsabilità.

Che cosa sono i Neuroni

Il neurone è una cellula ed è la più piccola unità funzionale del sistema nervoso che, assieme a circa 100_miliardi di suoi "simili", consente la trasmissione, l'elaborazione e la memorizzazione dei dati (cioè dei segnali) che vengono continuamente raccolti dai nostri organi di senso e comanda l'attuazione delle azioni conseguenti; consente cioè il corretto funzionamento di quell’ "elaboratore" di dati che è il cervello, nostro e di tutti gli altri animali.
Ciascun neurone è in grado di ricevere, di elaborare e di trasmettere impulsi nervosi (cioè segnali, cioè dati) (Nota 1)  sia eccitatori che inibitori (vedere il seguito).

Dendriti e sinapsi:

I dendriti sono strutture molto sottili e ramificate che ricevono segnali in entrata da un recettore sensoriale o da un numero variabile di neuroni con i quali sono interconnessi attraverso dei "bottoncini" posti alla fine di ciascun dendrite: le Sinapsi.
La funzione delle sinapsi e dei dendriti è quella di ricevere i segnali in entrata (funzione centripeta); cioè ricevere i segnali da altri neuroni e inviarli verso il centro (soma). I Dendriti aumentano la superficie del neurone, consentendogli di ricevere segnali da molte altre cellule nervose; a volte diverse migliaia. Anche per i dendriti non mancano le varianti; alcuni neuroni, ad esempio, possiedono un solo dendrite, mentre altri si caratterizzano per ramificazioni altamente complesse.

Assone:

L'assone è una sorta di prolungamento, un’appendice di forma tubulare la cui lunghezza, a seconda del tipo di neurone, varia da un decimo di Micron (un decimillesimo di millimetro) ad un metro (come accade nei neuroni che controllano la muscolatura volontaria).
L'assone, che trasmette sempre i segnali dal centro verso la periferia (direzione centrifuga), è generalmente singolo (cioè ogni neurone ha un solo assone), ma può presentare delle ramificazioni collaterali (che si dipartono immediatamente dopo il monticolo assonico) e/o un'arborizzazione terminale. Quest'ultima caratteristica, abbastanza comune, permette all'assone di distribuire la medesima informazione a diversi neuroni nel medesimo istante. Quindi, normalmente, vi è un solo assone per cellula nervosa con numerose diramazioni terminali che gli consentono di influenzare diversi neuroni adiacenti.
Il segnale inviato dal neurone tramite l’assone è un impulso elettrico che, per non "disperdersi" ed attenuarsi, deve essere trasmesso tramite una sostanza ben conduttrice (il corpo dell’assone) (Nota 2), ma isolata dal resto dell’organismo (che a sua volta è piuttosto conduttore e quindi "disperdente").
Per questo gli assoni più lunghi (nervi periferici; sia motori che sensitivi) sono normalmente avvolti da uno strato isolante: la guaina mielinica che isola e protegge la parte conduttrice dell'assone.
Viceversa, i neuroni con assoni brevissimi, anche se spesso dotati di molte ramificazioni terminali, non richiedono questo isolamento: si tratta principalmente dei neuroni cerebrali e del midollo spinale.
Purtroppo, però, nonostante la presenza dell'isolante costituito dalla guaina mielinica, i dati (impulsi elettrici di Figura 2) trasportati dall'assone nella loro propagazione tenderebbero ad attenuarsi cosicché, soprattutto nel caso di neuroni con assone piuttosto lungo, alla fine dell'assone non arriverebbe nulla!

Per risolvere questo problema la natura ha previsto delle interruzioni della guaina mielina isolante (i cosiddetti nodi di Ranvier -vedi Figura 1- che funzionano da amplificatori del segnale: cioè ricevono l'impulso in ingresso e ne generano uno "nuovo" di ampiezza e di forma corretta in uscita; in questo modo l'impulso nervoso -cioè il dato- può propagarsi per lunghezze sorprendentemente grandi.
Nella parte terminale dell'assone, sui "rami" dell'arborescenza terminale, sono presenti dei "bottoncini" assonali che si accoppiano (tramite le sinapsi) ai "bottoncini" dei dendriti degli altri neuroni.
I bottoni assonali consentono anche l'accoppiamento con cellule non nervose.

Tipologie di neuroni
Nel nostro sistema nervoso coesistono molti differenti tipi neuroni, mostrati, a solo titolo di esempio, in Figura 3.

I neuroni si possono classificare anche in base al tipo di neurotrasmettitore (Vedere Nota 4)

Neuroglia
Ovviamente tutta questa complessissima rete di neuroni ha bisogno di essere nutrita e sostenuta meccanicamente: a questo provvedono le cellule gliali o neuroglia che sono molto più numerose dei neuroni (anche fino ad un rapporto 50:1 in alcune zone del cervello). Non è questa la sede di approfondire le complesse, sorprendenti ed importantissime proprietà della neuroglia; basta menzionare il fatto che essa riesce a produrre la guaina mielinica (l’isolante dell’assone) che è costituita da un avvolgimento di circa 50 strati di membrana (in alcuni neuroni si arriva fino a 160 strati)!

Tipi di segnali presenti nei neuroni
Come abbiamo visto lungo l’assone si propagano degli impulsi (che si ripetono con maggiore o minore frequenza) di forma costante (perché vengono ripristinati dai nodi di Ranvier): tali segnali vengono denominati Potenziali d’Azione.
D’altra parte, il segnale proveniente dagli altri neuroni, come si vede dalla Figura 1, attraversando le sinapsi, i dendriti, il corpo cellulare, giunge fino al monticolo assonico. In queste zone della cellula non sono per nulla presenti gli “amplificatori” costituiti dai nodi di Ranvier e il segnale non si presenta sotto forma di impulsi di forma costante, ma di segnali di ampiezza variabile: questi segnali vengono denominati Potenziali Graduati o Elettrotonici.
Va da sé che le distanze tra le sinapsi, i dendriti, il soma e il monticolo assonico sono piccolissime cosicché il Segnale Graduato riesce comunque a propagarsi senza eccessiva attenuazione.
I segnali impulsivi proveniente dagli assoni degli altri neuroni, vengono trasformati in Segnali Graduati di ampiezza variabile nelle sinapsi che costituiscono la terminazione dei dendriti (Figura 1).
Se, da una parte il segnale di ampiezza variabile non si presta a percorrere lunghe distanze, d’altra parte questo tipo di segnale ha però la fondamentale caratteristica di poter essere facilmente sommato: cioè, se nel corpo del neurone arrivano contemporaneamente, da due dendriti diversi, due segnali (cioè due Potenziali Graduati), nel neurone si genera un segnale di ampiezza pari alla somma dei due segnali in ingresso.
Anzi, dato che i segnali provenienti dagli altri neuroni possono essere sia eccitatori che inibitori -cioè con segno negativo-, il risultato è la somma dei segnali eccitatori, meno la somma dei segnali inibitori.
Non solo, se all’ingresso arrivano degli impulsi ravvicinati (cioè con frequenza alta), il neurone li somma come se fossero impulsi provenienti da dendriti diversi e quindi genera un segnale di ampiezza proporzionale alla frequenza dell’impulso (Nota 5).

Riassumendo: i segnali provenienti dagli altri neuroni (cioè i Potenziali di Azione), entrano, tramite le sinapsi, all’interno del neurone come Potenziali Graduati e lì vengono “sommati" tra loro in ampiezza e frequenza ottenendo così un segnale (sempre sotto forma di Potenziale Graduato) ottenuto dall’elaborazione di tutti i segnali entranti nel neurone.
Resta da capire come il Potenziale Graduato (variabile in ampiezza) si trasformi in un Potenziale di Azione (costituito da raffiche di impulsi di ampiezza costante, ma velocità di ripetizione -cioè frequenza- variabile) che, come abbiamo visto, percorre, senza notevoli attenuazioni, l’assone grazie alla presenza della guaina mielinica e dei nodi di Ranvier.
Nonché come avvenga la trasformazione inversa (da potenziale di azione a segnale graduato) a livello delle sinapsi.

La trasformazione da segnale graduato a potenziale di azione e viceversa
Da segnale graduato a potenziale di azione
Come accennato nei paragrafi precedenti, nel corpo del neurone i vari segnali in ingresso si sommano generando un Segnale Graduato di ampiezza proporzionale ai contributi (positivi o negativi) di tutti i segnali ricevuti in ingresso (Figura 4).

A livello del monticolo assonico (Figura 1 e Figura 4), se il Segnale Graduato risultante non raggiunge una certa soglia non succede nulla e l’impulso si attenua fino ad annullarsi (Impulso Fallito in Figura 2).
Se viceversa il Segnale Graduato risultante supera la soglia viene generato un impulso di ampiezza prefissata (Potenziale di Azione in Figura 2) (Nota 6).

Dopo la liberazione dell’impulso vi è un “tempo morto” (Figura 2) durante il quale non può partire un secondo impulso anche se il segnale graduato è sopra la soglia.
Se però il segnale graduato è intenso il “tempo morto” si abbrevia e dopo poco può partire un ulteriore impulso; di conseguenza partirà una mitragliata di impulsi (Potenziale di Azione) tanto più fitta quanto più elevato è il Potenziale Graduato risultante dall’elaborazione dei vari segnali di ingresso (Figura 5) (Nota 7).

Questa serie di impulsi si propaga nell’assone senza attenuarsi dato che i Nodi di Ranvier (Figura 1) provvedono a ripristinarlo prima che si attenui troppo.
In questo modo il potenziale di Azione emesso dal neurone viene inviato alle sinapsi ed ai dendriti dei neuroni successivi dove vengono di nuovo trasformati in Potenziali Graduati per poter essere elaborati (Vedere il paragrafo successivo).

Da Potenziale di Azione a Segnale Graduato

I "bottoncini" sinaptici posti alle estremità dell’assone (cioè in uscita dal neurone) si accoppiano ai "bottoncini" sinaptici dei dendriti degli altri neuroni (cioè in entrata ad altri neuroni) (Figura 6)

Il meccanismo è realmente complesso, ma, con molta approssimazione, si può dire che su ciascun terminale dell’arborescenza che costituisce la parte finale dell’assone (Figura 1) vi è un'area specializzata che contiene neurotrasmettitori “incapsulati” in piccole sfere chiamate vescicole sinaptiche. Il Potenziale di Azione, proveniente dall’assone del neurone trasmettitore, fa sì che le vescicole sinaptiche si “rompono” rilasciando una sostanza apposita (neurotrasmettitore).
Questa sostanza entra in contatto con la membrana del terminale del dendrite e, tramite un non semplice processo elettrochimico, viene generato un impulso di Potenziale Graduato.
Tutto questo processo è relativamente lento, cosicché, ricevendo una “mitragliata”, più o meno fitta, di impulsi che costituiscono il Potenziale di Azione (Figura 5) viene generato un Potenziale Graduato, più o meno elevato (Nota 8).

Come già visto questo Potenziale Graduato viene sommato con quelli provenienti dagli altri dendriti e mediato nel tempo; per ottenere il segnale che, se sufficientemente intenso, genera, a livello del monticolo assonico, quella raffica di impulsi che è il potenziale di azione.

Piccolo riassunto
Per comodità di lettura si riporta qui la Figura 5 come Figura 7.

1) Uno stimolo, ricevuto da un recettore e tramite una o più giunzioni sinaptiche (normalmente elettriche - Nota 8), entra nel corpo del primo neurone come Potenziale Graduato ed eventualmente elaborato assieme ad ulteriori Segnali Graduati provenienti da altri sensori o neuroni
2) A livello del monticolo assonico vengono generati i Potenziali di Azione (più radi nel caso di Potenziale Graduato debole, più fitti nel caso di Segnale Graduato forte).
3) Procedendo lungo l’assone il Potenziale di Azione viene rigenerato nei nodi di Ranvier, mantenendo immutata la frequenza di ripetizione.
4) Il Potenziale di Azione, tramite i terminali dell’assone, i dendriti e le giunzioni sinaptiche, viene trasmesso al neurone successivo (o ai neuroni successivi) dove viene nuovamente trasformato in Potenziale Graduato ed elaborato con i Potenziali Graduati provenienti da altri neuroni.
Il neurone mostrato nello step 4 è un neurone del sistema nervoso centrale che, in collaborazione con tutti gli altri neuroni del SNC, permette l’elaborazione dei dati ricevuti
5) A livello del monticolo assonico vengono generati i nuovi Potenziali di Azione (più radi nel caso di Potenziale Graduato debole, più fitti nel caso di segnale graduato forte).
6) Anche in questo caso, procedendo lungo l’assone, il Potenziale di Azione viene rigenerato nei nodi di Ranvier, mantenendo immutata la frequenza di ripetizione

  … e così via…

Memoria ed apprendimento
Se il comprendere la modalità di trasmissione e di elaborazione dei dati nella rete di neuroni non è cosa agevole, ben peggio va il tentativo di comprendere come questi dati riescono ad essere immagazzinati nel nostro cervello.
L’argomento è affascinante anche perché il cervello, a differenza degli elaboratori elettronici, riesce a memorizzare permanentemente non solo dei dati tutto-niente (cioè 1-0), ma l’intensità del segnale ricevuto.
Quindi proviamo, senza nessuna pretesa di scientificità, a gettare uno sguardo modesto e superficiale anche su questo argomento.
Le connessioni sinaptiche, oltre alla funzione di “interfacce” tra i neuroni, sono alla base della memoria e dell'apprendimento.
Il SNC è in grado modificare l'intensità delle relazioni tra i neuroni (sinapsi), di instaurarne di nuove e di eliminarne alcune. Questa proprietà permette al sistema nervoso di modificare la sua struttura e la sua funzionalità in modo più o meno duraturo e dipendente dagli eventi che lo influenzano.
L’apprendimento è il processo mediante il quale le nostre esperienze modificano le interconnessioni tra i neuroni e quindi il comportamento. In sostanza l’apprendimento implica dei cambiamenti fisici che si verificano a livello delle connessioni sinaptiche.
Il processo di apprendimento ha inizio con la ricezione del segnale dagli organi di senso a livello della corteccia cerebrale (Nota 9): se il segnale inviato dalla corteccia cerebrale all’ippocampo (Nota 10) è forte e ripetuto a lungo si formano nuovi ricordi a lungo termine che vengono trasmessi alla corteccia cerebrale, dove vengono immagazzinati.

La capacità delle sinapsi di modificarsi nel tempo è un fenomeno noto come plasticità neuronale: tendiamo a ricordare o, in alternativa, dimenticare informazioni proprio perché l’uso frequente di una sinapsi la rafforza mentre il suo mancato utilizzo porta alla sua eliminazione.
La stimolazione elettrica prolungata e ad alta frequenza (potenziale di azione di elevata frequenza e ripetuto) di un neurone rafforza la sinapsi che si interfaccia con il neurone successivo.
Le connessioni sinaptiche maggiormente coinvolte nel processo di memorizzazione sono le connessioni sinaptiche presenti nell’ippocampo che utilizzano come neurotrasmettitore il glutammato. Senza entrare nel dettaglio della modalità con cui avviene il rafforzamento della connessione sinaptica, basti dire che il glutammato, a seguito di una ripetuta stimolazione elettrica, viene liberato nella fessura sinaptica e agisce sulla sinapsi del neurone ricevente “rafforzandola” cioè rendendola per molto tempo più “permeabile” al potenziale d’azione in ingresso.

Le informazioni per essere ricordate necessitano di essere consolidate, perché inizialmente la memorizzazione è labile ed altamente suscettibile di cancellazione (oblio).
Per una memorizzazione permanente deve essere attivata una seconda fase.
Nella seconda fase, cruciale per la formazione di ricordi a lungo termine, subentra l’intervento di specifici neurotrasmettitori capaci di modificare il funzionamento da un processo transitorio ad un processo stabile di conservazione delle informazioni e si accompagna alla crescita di nuove connessioni sinaptiche (Nota 11). Per un maggior approfondimento vedere nel paragrafo: Siti il riferimento [2].
Nell’insieme si può dire che la plasticità sinaptica entra in gioco in qualsiasi processo di apprendimento e memorizzazione (Nota 12).
La locuzione latina "repetita iuvant" (Nota 13) rappresenta perfettamente questo concetto, è stato infatti dimostrato che ripetere più volte una determinata attività o una determinata lezione (nel caso degli studenti ad esempio!), porta ad un rafforzamento e a un consolidamento dei circuiti neuronali connessi a tale attività.

Divagazione Conclusiva

Come conclusione di questi appunti vorrei raccontare la storia di una piccola sconfitta.
Correva l’anno 1972.
Ad un giovane e barbuto studente di ingegneria elettronica, era finito in mano il volumetto “Cibernetica per tutti” di Silvio Ceccato (Nota_14): allora Internet non era per nulla diffusa e l’unico modo di approfondire un argomento era quello di recarsi presso la locale Biblioteca Civica.

Scartabellando tra le schede cartacee, che costituivano l’indice di consultazione, alla ricerca di ulteriori testi di cibernetica, capitò in mano al nostro studente un libretto riguardante i neuroni, o meglio, riguardante ciò che allora si conosceva del funzionamento dei neuroni.
L’argomento era trattato da un punto di vista prettamente elettrico/elettronico facendo intravvedere la possibilità di ricreare con i componenti elettronici un modello funzionante di neurone.
Il buon Silvio Ceccato fu subito dimenticato e tutto l’interesse del futuro ingegnere elettronico fu focalizzato sulla possibilità di approcciare l’intelligenza artificiale, non simulando, tramite un computer, più o meno complesso, il comportamento del cervello, ma costruendo, partendo da un neurone artificiale, un primo rudimentale abbozzo di circuito in grado di avere comportamenti logici.
Il tempo passava, la laurea in ingegneria era acquisita, il lavoro trovato, la vita continuava… ma il “pallino” rimaneva.
Il guaio è stato che, a mano a mano, che il nostro ingegnere perfezionava il suo modello grazie ai nuovi componenti elettronici presenti sul mercato, la scienza scopriva nuove caratteristiche dei neuroni e l’obbiettivo si spostava sempre più in là.
Oggi, nel 2023, il giovane ingegnere ha settant’anni e scrive queste note.
Il “colpo di grazia” al pallino di progettare un modello elettronico di neurone è stata la consapevolezza che, al di là della intrinseca complessità della sfida tecnica, tramite l’elettronica non si riuscirà mai a ricreare la capacità di auto-modificarsi e di auto-ripararsi (a meno di non barare e predisporre fin da subito tutti i circuiti alternativi da usare solo “in caso di necessità”).
Insomma, al momento presente posso dire che la strada di ricreare un modello elettronico del comportamento di una rete di neuroni è fallito. O meglio, il tentativo ha portato alla creazione di reti neurali specializzate in compiti particolari (per esempio il riconoscimento velocissimo delle immagini): oggi addirittura esistono dei circuiti integrati ad hoc che realizzano reti neurali per scopi ben definiti. In tutti i casi “i neuroni” di queste reti sono drastiche semplificazioni dei neuroni naturali.
Ma il punto è che, qualsiasi circuito si progetti e si realizzi, non è in grado di auto-modificarsi ed auto-ripararsi come i neuroni biologici.
L’unica strada ipotizzabile per realizzare circuiti di questo tipo è quella di cercare di creare dei neuroni artificiali ripartendo da zero e basandosi su tecniche di tipo microbiologiche, che esulano completamente dall’elettronica… ma questo -non avendo una finalità economica- non interessa a nessuno…

…e allora l’intelligenza artificiale (A.I.) di cui tanto si parla?
Nonostante tutte le notizie pressapochistiche e fantascientifiche che circolano, l’A.I. con il cervello e i suoi neuroni non c’entra nulla!
Ciò che oggi viene chiamata, un po’ pretenziosamente, intelligenza artificiale non è nient’altro che una tipologia di programmi, più o meno complessi, che simulano parzialmente un comportamento intelligente (ovviamente questi programmi per funzionare utilizzano dei normali computer).
L’A.I. sarà sempre più presente nelle nostre vite per supportarci nel prendere decisioni difficili (soprattutto nei casi in cui la mole dei dati da considerare è molto grande), ma nulla ci dirà di più sul funzionamento del nostro cervello.

Riferimenti bibliografici e ai siti
Siti
[1] https://www.stateofmind.it/2017/04/neurone-introduzione-psicologia/
[2] https://www.stateofmind.it/2022/01/plasticita-neuronale-memoria

[3] https://it.wikipedia.org/wiki/Plasticit%C3%A0_sinaptica
[4] https://www.sinapsyche.it/?s=neuroni
[5] https://www.unisalento.it/documents/20152/189553/CONDUZIONE+IMPULSO+NERVOSO.pdf/8dd13233-6ec2-1487-8...
[6] https://www.stateofmind.it/neuroscienze/
[7] http://ilcervelloumano.altervista.org/le-neuroscienze/
[8] http://www.treccani.it/enciclopedia/neuroscienze/
[9] https://it.wikipedia.org/wiki/Silvio_Ceccato

Bibliografia
[1] Kandel, E.R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M. (2014). Principi di neuroscienze - CEA, Editore.
[2] Carlson N.R. (2014) - Fisiologia del Comportamento – Piccin - Padova.
[3] Berlucchi G, Buchtel HA, Neuronal plasticity: historical roots and evolution of meaning, in Exp Brain Res, vol. 192, 2009, pp. 307-319
[4[ Ladavas E, Berti A, (eds 3, 2014 ). Neuropsicologia. Il Mulino, Bologna.
[5] Squire LR, Bloom FE, McConnell SK, Roberts JL, Spitzer NC, Zigmond MJ, (eds. 2003). Fundamentals of Neuroscience. San Diego, CA: Academic.
[6] Watson Neil V., Breedlove S. Mark (2014) Il cervello e la mente-Le basi biologiche del comportamento.Trad. di R. Lucchi, A. Poli, G. Zunica
[7] Silvio Ceccato, Cibernetica per tutti, Feltrinelli, Milano, 1968