La parte del cervello che controlla il movimento guida anche i sentimenti | Rivista Quanti

Negli ultimi decenni, le neuroscienze hanno fatto progressi sorprendenti, eppure una parte fondamentale del cervello rimane un mistero. Mi riferisco al cervelletto, così chiamato dal latino "piccolo cervello", che è situato come una crocchia nella parte posteriore del cervello. Non si tratta di una svista da poco: il cervelletto contiene tre quarti di tutti i neuroni del cervello, che sono organizzati in una disposizione quasi cristallina, in contrasto con l'intricato groviglio di neuroni che si trova altrove.

Articoli dell'enciclopedia e i libri di testo sottolineano il fatto che la funzione del cervelletto è controllare il movimento del corpo. Non c'è dubbio che il cervelletto abbia questa funzione. Ma gli scienziati ora sospettano che questa visione di lunga data sia miope.

O almeno così ho appreso a novembre a Washington, DC, mentre frequentavo il Incontro annuale della Society for Neuroscience, il più grande incontro di neuroscienziati al mondo. Lì, una coppia di neuroscienziati ha organizzato un simposio sulle funzioni recentemente scoperte del cervelletto non correlate al controllo motorio. Nuove tecniche sperimentali stanno dimostrando che oltre a controllare il movimento, il cervelletto regola comportamenti complessi, interazioni sociali, aggressività, memoria di lavoro, apprendimento, emozioni e altro ancora.

Una crepa nella saggezza dominante

La connessione tra cervelletto e movimento è nota fin dal 19° secolo. I pazienti che avevano subito un trauma alla regione del cervello avevano evidenti difficoltà con l'equilibrio e il movimento, senza lasciare dubbi sul fatto che fosse fondamentale per la coordinazione del movimento. Nel corso dei decenni, i neuroscienziati hanno sviluppato una comprensione dettagliata di come i circuiti neurali unici del cervelletto controllano la funzione motoria. La spiegazione di come funzionava il cervelletto sembrava inconfutabile.

Poi, nel 1998, sulla rivista Cervello, hanno riferito i neurologi disabilità emotive e cognitive di vasta portata in pazienti con danno al cervelletto. Ad esempio, nel 1991, una studentessa universitaria di 22 anni era caduta mentre pattinava sul ghiaccio; una TAC ha rivelato un tumore nel cervelletto. Dopo che fu rimosso chirurgicamente, era una persona completamente diversa. La brillante studentessa universitaria aveva perso la capacità di scrivere con competenza, di fare calcoli mentali, di nominare oggetti comuni o di copiare un semplice diagramma. Il suo umore si appiattì. Si nascondeva sotto le coperte e si comportava in modo inappropriato, spogliandosi nei corridoi e parlando in tono infantile. Anche le sue interazioni sociali, compreso il riconoscimento di volti familiari, erano compromesse.

Questo e altri casi simili hanno lasciato perplessi gli autori. Si pensava che queste funzioni cognitive ed emotive di alto livello risiedessero nella corteccia cerebrale e nel sistema limbico. "Quale sia esattamente il ruolo cerebellare e come il cervelletto lo svolge, deve ancora essere stabilito", hanno concluso.

Nonostante questi indizi provenienti da studi clinici indicassero che la saggezza convenzionale era sulla strada sbagliata, le principali autorità insistevano ancora sul fatto che la funzione del cervelletto fosse quella di controllare il movimento e niente più. "È un po' triste perché sono passati 20 anni [da quando questi casi sono stati segnalati]", ha detto Diasynou Fioravante, un neurofisiologo dell'Università della California, Davis, che ha co-organizzato il simposio della conferenza.

Altri neurologi hanno sempre notato deficit neuropsichiatrici nei loro pazienti, ha detto il neuroscienziato Stefania Rodolfo dell'Albert Einstein College of Medicine, che ha co-organizzato il simposio con Fioravante. Tuttavia, non c'erano prove anatomiche concrete su come i circuiti neurali unici del cervelletto potessero regolare le funzioni psicologiche ed emotive segnalate, quindi i rapporti clinici furono trascurati.

Ora, una migliore comprensione dei circuiti del cervelletto sta dimostrando che questi casi di studio erano giusti e la saggezza dominante sbagliata.

Cablaggio di precisione

Il schema di cablaggio nel cervelletto è organizzato e compattato con precisione per concentrare tre quarti dei neuroni del cervello in un lobo di 4 pollici. Il principale tipo di neurone nel cervelletto, chiamato cellula di Purkinje, è ampiamente ramificato come un corallo a ventaglio, ma appiattito e quasi bidimensionale. Le pale del ventilatore sono i dendriti del neurone, che ricevono i segnali in arrivo. Questi neuroni piatti sono disposti in parallelo, come se milioni di coralli a ventaglio fossero impilati uno sopra l’altro in un fascio stretto. Migliaia di minuscoli neuroni fanno passare gli assoni – i cavi di trasmissione del cervello per gli impulsi elettrici – perpendicolarmente attraverso la pila di dendriti, come fili in un telaio. Ogni assone si connette ai dendriti di decine di migliaia di cellule di Purkinje.

Questo livello di interconnettività conferisce ai 50 miliardi di neuroni del cervelletto una sorprendente capacità di integrazione. Questo circuito, unico nel cervelletto, può elaborare enormi quantità di dati in arrivo dai sensi per regolare il movimento del corpo. Il movimento fluido di una ballerina che salta sul palco richiede che il cervelletto elabori rapidamente le informazioni provenienti da tutti i sensi mentre segue le mutevoli posizioni degli arti, mantiene l'equilibrio e mappa lo spazio attraverso il quale il corpo si muove. Il cervelletto utilizza queste informazioni dinamiche per controllare i muscoli con un tempismo preciso e per farlo nel giusto contesto sociale, guidato dall’emozione e dalla motivazione.

Fioravante e Rudolph mi hanno detto che i neuroscienziati stanno ora realizzando che i potenti circuiti neurali del cervelletto che integrano le informazioni per il movimento del corpo lo rendono anche in grado di gestire processi e comportamenti mentali complessi.

“Ad esempio, proprio ora”, ha spiegato Rudolph mentre parlavamo prima dell’inizio del simposio, “tu fai domande e noi diamo risposte. Questo è un comportamento complesso”. Aveva bisogno di comprendere il mio discorso, formulare una risposta e quindi usare i muscoli per produrre parole. Doveva anche assorbire il mio linguaggio del corpo e altri segnali sottili. "Ad esempio, stai annuendo in questo momento, quindi da questo posso concludere che stai ascoltando e sei interessato", ha detto.

Prima non avevo pienamente apprezzato la complessità del controllo motorio richiesto per parlare. La fisicità include non solo l’intricata ginnastica della lingua e delle labbra – per produrre suoni e regolare tono e volume – ma anche la gesticolazione. Le nostre parole sono sincronizzate in modo da non parlare sopra l'altra persona e sono regolate per il contesto sociale: intrise della giusta emozione e guidate dalla motivazione, dal pensiero, dall'anticipazione e dall'umore.

Per coordinare queste diverse funzioni è necessario attingere a quasi tutto ciò che fa il cervello: dalla regolazione della frequenza cardiaca e della pressione sanguigna, eseguita nelle regioni profonde del cervello, all’elaborazione delle informazioni sensoriali ed emotive, eseguita dal sistema limbico. Richiede inoltre il coinvolgimento delle funzioni cognitive di più alto livello di comprensione, inibizione e processo decisionale nella corteccia cerebrale prefrontale.

Affinché il cervelletto possa fare ciò, dovrebbe avere connessioni che abbracciano l’intero cervello. Fino ad ora mancavano prove a riguardo, ma nuove tecniche stanno scoprendo questi percorsi.

Un hub di input sensoriali

Solo decenni fa, quando i neuroanatomisti mapparono il cervello, non riuscirono a trovare alcuna connessione diretta tra il cervelletto e le regioni cerebrali che controllano le emozioni e la cognizione, come il sistema limbico e la corteccia prefrontale. Ciò li ha portati a credere che il cervelletto fosse in qualche modo isolato e non coinvolto in queste funzioni cognitive superiori. Ma proprio come i banditi potrebbero sfuggire a un localizzatore cambiando veicolo, i segnali neurali possono saltare da un neurone all’altro. Questa azione sotto copertura ha allontanato i neuroanatomisti dalle tracce del cervelletto.

Nuovi metodi hanno consentito ai neuroanatomisti di tracciare questi percorsi dal cervelletto attraverso i punti di trasmissione, seguendoli attraverso l’intero cervello. I ricercatori possono, ad esempio, impiantare virus della rabbia nei neuroni per vedere con precisione quali altri neuroni entrano in contatto. Hanno ingegnerizzato geneticamente le proteine ​​fluorescenti in modo che lampeggino quando viene attivato un impulso neurale in modo che possano vedere il flusso del traffico nei circuiti neurali. Possono anche tenere traccia delle impronte lasciate dal traffico neuronale: la comparsa di proteine ​​prodotte quando un neurone si attiva può aiutare a identificare tutte le cellule che comunicano in una rete neurale quando viene eseguito un comportamento specifico.

Al simposio, i ricercatori hanno condiviso una raffica di nuove affascinanti scoperte rivelate da questi nuovi metodi che dimostrano la loro comprensione in evoluzione del cervelletto.

Jessica Verpeut dell’Arizona State University hanno riportato dati che descrivono l’intricata ed estesa rete di connessioni cerebellari che si attivano in tutto il cervello nei topi quando socializzano o imparano a superare un labirinto.

Rudolph ha condiviso esperimenti che dimostrano che il comportamento materno, studiato nelle femmine di topo che si prendevano cura dei loro cuccioli, era influenzato dagli ormoni che agiscono sul cervelletto, in particolare dall'ormone ossitocina, che promuove il legame materno. Quando questo meccanismo venne interrotto sperimentalmente, la madre non si prese più cura dei suoi cuccioli.

Yi-Mei Yang dell'Università del Minnesota ha dimostrato che quando interrompeva alcuni neuroni cerebellari, i topi perdevano interesse a interagire con topi non familiari introdotti nella loro gabbia. Tuttavia, non hanno avuto difficoltà a interagire e a ricordare nuovi oggetti inanimati. Ciò indicava un deficit nella complessa memoria di riconoscimento sociale, simile a ciò che sperimentano le persone autistiche.

Infatti, il cervelletto è spesso più piccolo nelle persone autistiche Alessandra Badura dell'Erasmus University Medical Center di Rotterdam ha presentato nuovi dati che suggeriscono che il cervelletto è coinvolto nell'autismo perché è un centro di input sensoriali, soprattutto per i segnali legati ai contesti sociali.

Questa nuova ricerca va oltre gli studi sui topi. Andrea Thieme dell'Ospedale Universitario di Essen in Germania ha presentato un nuovo test clinico utilizzato per diagnosticare con precisione i disturbi emotivi e cognitivi causati dal danno cerebellare.

Questi nuovi e rivoluzionari studi dimostrano che oltre a controllare il movimento, il cervelletto regola comportamenti sociali ed emotivi complessi. Per ottenere questa influenza globale, il cervelletto deve essere un centro di elaborazione dati con connessioni in tutto il cervello. Non c'è da stupirsi che abbia così tanti neuroni. Per realizzare da solo questo comando e controllo di alto livello, deve essere, in effetti, un piccolo cervello.