Psicologia fisiologica (2/13): I metodi delle neuroscienze cognitive

La psicologia cognitiva si occupa dello studio dell'attività mentale in termini di eleborazione di informazioni, essa si basa sull'assunto che la percezione, il pensiero e l'azione non sono funzioni dirette, ma dipendono da elaborazioni o funzioni interne.
La psicologia cognitiva sostiene che l'elaborazione delle informazioni dipende da rappresentazioni mentali, e che esse sono soggette a trasformazioni.
La psicologia cognitiva ha dunque come oggetto di indagine il modo in cui manipoliamo le rappresentazioni.
La psicologia cognitiva sostiene inoltre che ogni compito comporta una serie di operazioni mentali, le quali comportano che le rappresentazioni siano trattate come dati in ingresso (input), i quali subiscono dei processi, producendo nuove rappresentazioni che costituiscono il risultato finale (output).
Tra i cognitivisti importanti c'è Posner con i suoi studi sui tempi di reazione, Strenberg con i suoi studi sulla memoria, che nei suoi esperimenti dimostra che il confronto con item in memoria sembra implicare un processo seriale, mentre altri compiti sembrano rilevare operazioni cognitive in parallelo.
L'effetto di superiorità della parola consiste nel fatto che la performance migliore in un compito di riconoscimento di vocali si hanno su stimoli che sono parole esistenti (es: mac > xax).
Nei vari esperimenti sui tempi di reazioni sono stati usati diversi metodi, come stimoli bersaglio, stimoli distraenti, item sonda, ed uno dei più famosi esperimenti è quello dell'effetto di stroop, dove bisogna dire il colore con cui è scritta una certa parola, e dove nonostante i numerosi allenamenti, i tempi di reazione rimangono lenti se la parola scritta è un colore diverso dal suo reale colore.
L'effetto di stroop risulta attenuato se si utilizza un compito doppio, ossia un compito da eseguire contemporaneamente a quello primario, che agisce come disturbatore, e nel caso specifico dell'effetto di stroop, il dover riconoscere una parola sentita interferisce sulla lettura del nome del primo compito, togliendo l'effetto disturbante nel riconoscimento del colore.
E' stato inoltre dimostrato che dopo un'intensa pratica, le persone riescono a compiere in maniera più rapida, compiti inizialmente poco compatibili.

Modellizzazione al computer

La simulazione al computer consente di imitare determinati comportamenti, ed i processi cognitivi imitati vengono denominati come intelligenza artificiale.
Nella teoria delle reti neurali l'elaborazione è distribuita tra molte unità in cui input ed output possono rappresentare caratteristiche specifiche.
Queste unità di ingresso ed uscita sono collegate con delle unità nascoste che sono passaggi di elaborazione intermedi, che fungono da feedback per ridimensionare i pesi delle connessioni tra le varie unità.
Il programmatore di questo sistema deve dunque creare delle regole di apprendimento, e quando il sistema funziona male, ci saranno grossi cambiamenti, contrariamente no.
Come nel cervello, in questi sistemi l'elaborazione è distribuita tra molte unità (che corrispondono ai neuroni), e quindi una lesione specifica può simulare il malfunzionamento che si avrebbe nel cervello.
Dai modelli possono scaturire nuove previsioni, che poi possono essere verificate sui cervelli veri, ad esempio, il modello di Desmond e Moore sulla risposta condizionata ed incondizionata dei conigli al soffio negli occhi abbinato ad un suono, ha portato allo studio dell'apprendimento di traccia, ovvero alla traccia mnemistica del soffio d'aria che precede il suono, la quale deve essere ricordata per poter far funzionare lo stimolo condizionato.
I due studiosi crearono un modello artificiale col quale scoprirono che nella fase di passaggio (transfert), il modello produce 2 risposte condizionate, una regolata sull'inizio e una sulla fine del suono, e quando testarono la cosa con i veri conigli, questa ipotesi venne confermata.
I modelli al computer hanno cmq dei limiti: sono spesso troppo semplicistici, hanno una portata limitata e non sempre è chiaro se simulano singoli neuroni o gruppi, c'è una perdita di vecchie informazioni quando c'è del nuovo materiale, si riferiscono a problemi limitati, sono utili per verificare ipotesi ma poco utili per proporne delle nuove, servono cmq per sviluppare nuove teorie e per la progettazione di nuovi esperimenti.

Esperimenti su animali

Gli animali vengono usati in diversi modi per la ricerca scientifica, di recente si è scoperto come fare la registrazione dell'attività delle singole cellule, tramite l'inserimento di microelettrodi nel cervello degli animali, facendo una registrazione a livello extracellulare per evitare di lesionare i neuroni, registrando però gruppi di neuroni e dovendo ricavare il singolo neurone con metodi sottrattivi (da notare che il neurone ha attività elettrica anche quando è a riposo).
Con questo metodo si è scoperto ad esempio che tutte le cellule sensibili a stimoli visivi rispondono solo a stimoli che appaiono in una limitata regione dello spazio, detta campo recettivo di quella cellula, inoltre cellule adiacenti hanno campi recettivi almeno in parte sovrapposti.
Le cellule danno quindi origine a rappresentazioni topografiche, mappe ordinate tra una dimensione esterna come la posizione nello spazio, e la rappresentazione neurale di quella dimensione (nella visione queste rappresentazioni sono dette retinotopiche).
Nel caso delle aree uditive, esse sono organizzate in mappe tonotopiche (cocleotopiche) divise per frequenza di suono.
Il metodo per la registrazione dell'attività delle singole cellule è cmq soggetto a limiti, non si riesce sempre a distinguere tra causa ed effetto, inoltre come la Gestalt insegna, il comportamento collettivo dei neuroni può essere qualcosa di più che la somma delle singole cellule.
Un altro metodo di studio usato sugli animali è quello delle lesioni, dove però non è certo che una lesione elimini il contributo di un'unica struttura.
I metodi neurochimici sono molto utili per distruggere selettivamente delle cellule, avendo un risultato più preciso che con una lesione materiale, inoltre in alcuni casi esistono farmaci che creano lesioni reversibili, che consentono di analizzare l'animale sano e malato.
Anche la manipolazione genetica è un buon metodo per produrre deficit neurali, con la tecnica del knock-out genetico.
La genetica è inoltre utile per lo studio dell'ereditarietà delle malattie, ma anche del carattere e delle funzioni cognitive, che spesso sono ereditari.
Un tempo non c'erano problemi d'etica e si faceva qualsiasi tipo d'esperimento sugli animali (ad esempio quello di Sherrington sulla lesione per lo studio del movimento delle zampe dei cani), oggi invece ci sono apposite commissioni che approvano gli esperimenti solo se: gli obbiettivi della ricerca sono chiaramente specifici, sono utili per la conoscienza del sistema nervoso, causano il minor danno possibile agli animali.
Inoltre, se gli animali soffron troppo devono essere soppressi, si devono sempre prendere in considerazione eventuali metodi alternativi.

Neurologia

La neurologia ha l'intento di chiarire gli aspetti normali e non delle funzioni cognitive, ed il modo migliore per mettere in relazione i processi cognitivi e le strutture neurali, è quello di esaminare un singolo disturbo neurologico, con patologia circoscritta.
I danni cerebrali possono essere causati da tumori, traumi, malattie, e il compito del neurologo è quello di trarre una diagnosi corretta.
La tomografia assiale computerizzata (TAC) è uno strumento che consente di ottenere immagini strutturali di danni neurologici in vivo, permettendo la ricostruzione tridimensionale a partire da immagini bidimensionali, usando i raggi X e dei sensori, e grazie all'utilizzo di sofisticato software.
L'assorbimento delle radiazioni dipende dalla densità del tessuto biologico, ad esempio il materiale ad alta densità come l'osso assorbirà una grande quantità di radiazioni, e il software restituirà un'immagine dove le parti più chiare saranno quelle ad alta densità.
Purtroppo con la TAC non è possibile distinguere oggetti che si trovano ad una distanza inferiore a 5mm, ed è difficile distinguere il confine tra sostanza bianca e grigia, perchè hanno densità simile.
Un altro strumento è la risonanza magnetica (MRI), che sfrutta le proprietà magnetiche dei tessuti organici, dato che a seconda del numero di protoni e di neutroni, certi atomi sono particolarmente sensibili alle forze magnetiche, e quando la MRI è in funzione i protoni di idrogeno si dispongono in parallelo al campo generato, e quando vengono lanciate onde radio, i protoni cambiano nuovamente posizione e quando queste cessano e i protoni si riassestano, dei sensori registrano i segnali emessi da questi, consentendo di individuarne la posizione e di disegnarne una mappa.
La MRI è molto più nitida della TAC grazie al fatto che la densità dei protoni è molto maggiore nella sostanza grigia che nella bianca.
Un'altra tecnica usata in neurologia è l'angiografia, che permette di visualizzare la distribuzione della rete vascolare evidenziando i principali vasi arteriosi e venosi, grazie all'iniziezione nel soggetto di una sostanza tracciante che poi viene rilevata da un esame radiografico.
Grazie a questa tecnica si possono individuare i disturbi legati ad anomalie vascolari.

Esistono diversi tipi di disturbi neurologici:

• Disturbi vascolari: Il cervello utilizza circa il 20% dell'ossigeno che respiriamo, e i neuroni per poter funzionare correttamente necessitano di un afflusso costante di ossigeno e glucosio, distribuiti ai tessuti cerebrali da 4 arterie principali: le 2 carotidi interne e le 2 arterie vertebrali.
  Gravi disturbi circolatori cerebrali, o ictus, si verificano dopo un'improvvisa interruzione del flusso sanguinio, ad esempio a causa di un'ostruzione, che può essere causata dall'arteriosclerosi, che avviene quando un embolo ostruisce il flusso sanguigno e se questo non viene ristabilito rapidamente, le cellule possono morire, facendo morire anche in pochi minuti una persona.
  Quando un infarto colpisce il cervello, di solito i sintomi sono subito evidenti, e possono insorgere diversi deficit, e ad esempio l'ischemia può essere causata dall'occlusione di un'arteria, inoltre un aumento improvviso della pressione arteriosa può portare ad un'emorragia cerebrale.
  L'arteriosclerosi cerebrale è una condizione cronica dove i vasi si restringono in seguito all'ispessimento e all'indurimento delle pareti arteriose, e ciò può provocare un'ischemia permanente.
  Per risolvere questi problemi spesso si usa la chirurgia, in altri casi alcuni medicinali possono servire per far coagulare il sangue sciogliendo le sostanze ostruenti prima che il tessuto subisca dei danni permanenti.
• Tumori: i tumori possono danneggiare il cervello, e se sono maligni possono ripresentarsi anche dopo la rimozione.
  Il problema più grande dei tumori al cervello è che non sempre sono operabili, dipende dalla loro posizione, e i più comuni tumori cerebrali sono i gliomi, che derivano dalla crescita anomala delle cellule glia, i meningiomi, che si formano nelle meningi e possono creare problemi a causa della forte pressione intracranica, i tumori secondari o metastatici, si formano in una struttura diversa dal cervello per poi infiltrarcisi.
• Malattie degenerative e malattie infettive: sono legate sia a mutazioni genetiche che ad agenti ambientali, sono ad esempio: il morbo di parkinson, il morbo di alzheimer, la corea di huntington, l'encefalopatia, l'erpes simplex, la sindrome di korsakoff, l'AIDS dementia complex, la sclerosi multipla, la malattia di pick, la paralisi progressiva sopranucleare (PSP).
  Ogni malattia ha dei sintomi diversi non sempre evidenti da subito, e non tutte le malattie sono individuabili con TAC o MRI.
• Traumi: il trauma può causare ferita aperta o contusione (cranio intatto, cervello danneggiato a causa del contraccolpo), e nel caso alcuni oggetti penetrino nel cervello, possono insorgere anche gravi infezioni.
• Epilessia: si ha quando c'è un'eccessiva ed anomala attività cerebrale, la crisi epilettica può essere leggera o violenta e può essere analizzata con l'EEG, una procedura che registra le onde celebrali dei soggetti.
  Una crisi epilettica può succedere ad 1 persona su 20 almeno una volta nella vita, e la crisi può generarsi a causa di un evento acuto (es: trauma), inoltre chi soffre di epilessia può curarsi con appositi farmaci o nei casi più gravi, ricorrere ad un intervento chirurgico.

L'operazione chirurgica può essere un buon metodo per risolvere alcuni di questi problemi, e anche per capire la relazione tra cervello e comportamento, come ad esempio della divisione dei 2 emisferi tramite scissione del corpo calloso per curare gli epilettici gravi, o come accadeva in passato, quando veniva usata la lobotomia frontale per eliminare il carattere violento (rendendo quasi vegetali i pazienti).

Approcci convergenti

Per poter associare strutture neurali ad operazioni specifiche è necessario fare degli appositi esperimenti dove si analizza il singolo caso o un gruppo di pazienti cerebrolesi, confrontandoli poi con pazienti sani.
Il neuroscienziato cognitivo deve inoltre capire se il problema comportamentale osservato deriva dal deterioramento di una particolare operazione mentale o se è dovuto ad un'alterazione più generale.
Gli esperimenti tipici di neuropsicologia sono fatti in modo che i soggetti svolgano 2 compiti, uno sperimentale ed uno di controllo.
Si ha una dissociazione semplice quando 2 gruppi di soggetti sono esaminati rispetto a 2 compiti, dove solo uno dei quali rileva una differenza tra i 2 gruppi (dove ad esempio il gruppo dei malati ha una prestazione inferiore rispetto ai sani).
La dissociazione doppia è un metodo ancora più sicuro della singola, perchè consente di ridurre la possibilità che problemi generalizzati vengano associati a deficit specifici, ed è un metodo che ha 2 gruppi di soggetti malati e 2 compiti dove entrambi i gruppi hanno un deficit in un compito diverso, e possono quindi essere confrontati tra di loro o con un gruppo di sani, e ciò aiuta ad individuare il deficit selettivo in una determinata operazione cognitiva.
Gli studi di gruppo sono spesso criticati data la variabilità di ogni individuo e dato che ogni ictus o tumore non è esattamente uguale, tuttavia, negli studi di singoli è più difficile capire quale area colpita sia correlata ad un certo deficit, mentre con gli studi di gruppo ci sono più possibilità (tramite analisi computerizzata).
Quindi gli studi di gruppo sono utili per cercare somiglianze tra pazienti con lesioni simili, ma possono essere inadatti per individuare la specificità del problema.

La stimolazione magnetica transcranica (TMS) consente di interrompere la funzione neurale in un'unica regione scelta della corteccia.
La TMS è una tecnica non invasiva che consente di generare lesioni virtuali e temporanee, ed è costituita da una bobina (coil) dove della corrente genera un campo magnetico che se applicato al capo fa generare corrente fisiologica che fa generare impulsi ai neuroni, e ad esempio se è posato su un'area della corteccia motoria, il coil fa muovere le dita della mano, oppure posizionato sulla corteccia visiva può non far riuscire a leggere una lettera.
La TMS ha notevoli limiti, ha effetti di breve durata, non è sicuro che riesca ad influire sui compiti complessi, non è adatta per lo studio delle aree corticali non in superficie.

I danni ad una particolare area possono avere conseguenze molto estese, e non è sempre facile capire la funzione della parte mancante di un sistema osservando le parti restanti come si comportano.
La registrazione dell'attività elettrochimica interna del cervello può essere fatta anche in superficie tramite l'elettroencefalogramma (EEG), uno strumento che serve a rilevare le anomalie delle funzioni cerebrali.
Purtroppo però le crisi focali hanno inizio in un'area limitata, per poi diffondersi in tutto il cervello, così che l'EEG di superficie ne permette una grossolana localizzazione, e per ovviare a questo problema si usa il metodo della media (averaging) che consente di valutare i risultati di più compiti di prova svolti dal soggetto, e il potenziale evento-correlato (ERP) o potenziale evocato (PE) è un segnale molto piccolo dell'EEG che riflette l'attività neurale specificatamente collegata ad un particolare evento sensoriale, motorio o cognitivo, fornendo una rappresentazione di come varia nel tempo l'attività neurale mentre il cervello è impegnato nell'elaborazione di informazioni, permettendo così di identificare a che livello è localizzato il deficit funzionale.
Gli ERP sono dunque utili soprattutto per descrivere il corso temporale dei processi cognitivi, piuttosto che per identificare le strutture cerebrali da cui hanno origine gli eventi elettrici.
Helmholtz con i suoi studi individuò il problema in avanti e il problema inverso, nella distribuzione delle cariche elettriche nelle sfere, 2 problemi da risolvere dato che il cervello ha quella forma, soprattutto il secondo ha un impatto negativo nell'ERP.
La magnetoencefalografia (MEG) è un metodo correlato all'ERP che sfrutta i campi magnetici generati dai neuroni e che oltre alle funzioni dell'ERP consente di localizzare la fonte del segnale, sfruttando gli ERF prodotti ed il metodo della modellizzazione inversa.
La MEG è un metodo non invasivo che però ha degli svantaggi, consente solo di rilevare i flussi di corrente paralleli alla superficie del cranio ed ha un costo davvero elevato se paragonato all'apparecchio per l'ERP.

La tomografia ad emissione di positroni (PET) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI), sono 2 tecniche che rivelano le variazioni nel metabolismo o nel flusso sanguigno cerebrale che si verificano mentre il soggetto svolge dei compiti cognitivi, 2 tecniche che non misurano direttamente l'attività neuronale, ma la variazione metabolica legata alla loro attività, e consentono ai ricercatori di individuare le regioni del cervello che si attivano durante certi compiti.
Per studiare le variazioni di flusso sanguigno locale è necessario mettere in circolo una sostanza tracciante, e nel caso della PET si usano degli elementi radioattivi che verranno rilevati maggiormente dove l'afflusso del sangue è maggiore.

I risultati sono riportati cmq in termini di differenze di flusso sanguigno cerebrale regionale (rCBF) fra 2 condizioni (fermo e durante lo svolgimento di un compito specifico).
La fMRI invece utilizza onde radio che causano l'oscillazione dei protoni degli atomi di idrogeno, e i sensori della fMRI misurano il rapporto tra l'emoglobina e la desossiemoglobina, in un rapporto chiamato effetto dipendente dal livello di ossigenazione del sangue o effetto BOLD.
La fMRI è più funzionale della PET, non è dannosa a causa delle radiazioni, ha una risoluzione maggiore (3mm³), può essere effettuata più volte sullo stesso paziente in poco tempo in modo da avere un'analisi statistica completa, a differenza della PET dove il paziente al massimo può ricevere circa 12 iniezioni radioattive, ed anche la risoluzione temporale è migliore nella fMRI, è insomma più veloce della PET.

Il metodo fMRI evento-correlata è un metodo che funziona con la stessa logica degli ERP e consiste nell'utilizzo dell'effetto BOLD abbinato temporaneamente ad eventi specifici, così da ottenere una rappresentazione temporale dell'attività neurale, inoltre applicando un metodo random di presentazione dei compiti si ha una maggiore sicurezza sul livello di attenzione prestato indipendentemente dal compito.
L'esistenza di una correlazione tuttavia non implica sempre una relazione di casualità, può anche essere che un'area sia attivata durante un compito pur non avendo un ruolo critico nella sua esecuzione.
Gli studi sulle neuroimmagini possono cmq essere usati per generare ipotesi poi verificabili tramite altri metodologie, e ad esempio si è scoperto che durante il riconoscimento tattile, anche se il soggetto tiene gli occhi chiusi, si attiva l'area visiva, quindi si è ipotizzato che cmq si generi una mappa visiva mentale necessaria per poter riconoscere un oggetto anche solo col tatto.
I limiti della PET e della fMRI, è che hanno una bassa risoluzione temporale rispetto agli ERP, quindi non sono in grado di fornire una rappresentazione temporale in-linea con il funzionamento delle operazioni mentali, perchè possono avere problemi di sincronia e possono non essere adatte per la misurazione di compiti di una certa durata.

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