Fisiologia II, Lezione 18, 8/11/2024 PDF

Fisiologia II, lezione 18, 8/11/2024 Prof. Koch CERVELLETTO La scorsa lezione si era iniziato descrivere la struttura macroscopica e la divisione in po...

Fisiologia II, lezione 18, 8/11/2024 Prof. Koch CERVELLETTO La scorsa lezione si era iniziato descrivere la struttura macroscopica e la divisione in porzioni anatomo- funzionali del cervelletto, adesso si parlerà più in dettaglio dell’organizzazione microstrutturale, è importante conoscerla perché il cervelletto ha la caratteristica di avere una struttura colonnare stereotipata, in tutte le diverse porzioni si osserva sempre lo stesso schema organizzativo: i neuroni, gli interneuroni, le cellule di sostegno, e gli strati che sono disposti nello stesso identico modo. Organizzazione anatomo-funzionale del cervelletto La corteccia cerebellare contiene diversi tipi di neuroni con una disposizione molto regolare e ordinata, in cui si riscontrano cellule neuronali peculiari solo del cervelletto. Abbiamo un sottilissimo strato corticale che contiene delle fibre di sostanza bianca dette parallele, al di sotto del quale è presente lo strato molecolare, dove si trovano degli elementi cellulari come le cellule stellate e le cellule a canestro, che sono degli interneuroni, e soprattutto le grandi ramificazioni delle cellule del Purkinje. Le cellule del Purkinje sono l'elemento principale del funzionamento dell’unità colonnare cerebellare, e sono caratterizzate da un’arborizzazione molto pronunciata. Le cellule del Purkinje sono anche state tra le prime cellule che Golgi ha identificato con le colorazioni da lui sviluppate 1 nell’Ottocento, e quindi sono stati i primi neuroni che sono stati poi studiati in dettaglio. Questa ricca arborizzazione fa già capire che ruolo hanno queste cellule del Purkinje nel ricevere tantissimi segnali prevalentemente dalle fibre parallele, che derivano dalle fibre muscoidi, ma li ricevono anche dalle fibre rampicanti, che originano dall’oliva inferiore. Le cellule di Purkinje hanno il loro soma in uno strato sottostante quello molecolare, che prende il nome di strato delle cellule del Purkinje. Nell’immagine si può osservare una ricostruzione tridimensionale dove si può vedere come queste cellule sono disposte in maniera ordinata e regolare lungo il decorso delle varie scissure. Al di sotto dello strato delle cellule del Purkinje c'è un altro strato che prende il nome di strato dei granuli, prevalentemente perché sono presenti le cellule dei granuli e le cellule di Golgi, che sono degli interneuroni, che hanno il ruolo di operare una regolazione locale dell’attivazione delle cellule del Purkinje all’interno delle diverse colonne. Cellule del Purkinje La prima considerazione da fare è che ci sono delle cellule che costituiscono l’unità funzionale principale che sono le cellule del Purkinje, che hanno estrema ramificazione, poi hanno un lungo assone che si diparte e che rappresenta il segnale di output dell’unità cerebellare. Quindi, ci sono tante afferenze da parte prevalentemente dalle fibre muscoidi, poi interneuroni che lavorano a diversi livelli sia nello strato molecolare che nello strato dei granuli, e poi il segnale di uscita della cellula del Purkinje. La complessità di questa organizzazione colonnare ordinata dà origine a una massiccia elaborazione del segnale perché ci sono tantissimi contatti sinaptici che avvengono tra le cellule del Purkinje e gli altri elementi, soprattutto per quanto riguarda le fibre parallele e questo, quindi, fa sì che vi sia la possibilità di elaborare tantissime informazioni per poi trasmettere un segnale di uscita. Questo segnale raggiunge i nuclei cerebellari profondi ed è già stato menzionato come vi sia un'organizzazione analoga a quella dei nuclei della base, con un segnale di uscita che raggiunge poi una zona di ritrasmissione. In questo sistema sono i nuclei cerebellari profondi a fungere da importante centro di ritrasmissione del segnale. Questi nuclei a loro volta hanno un output sul talamo, soprattutto attraverso il peduncolo cerebellare superiore, e poi raggiungono le diverse porzioni della 2 corteccia. In questo caso (immagine) le proiezioni raggiungono la corteccia motoria, l’area supplementare motoria e l’area premotoria. La corteccia cerebellare ha una struttura semplice e uniforme costituita da tre strati (strato molecolare, strato delle cellule del Purkinje e strato dei granuli) che contengono solamente cinque tipi di cellule: le cellule stellate, le cellule a canestro, cellule del Purkinje, cellule del Golgi e cellule dei granuli. Nello strato molecolare esterno sono presenti i diversi interneuroni inibitori che sono le cellule stellate e le cellule a canestro e poi ci sono i dendriti della ricca arborizzazione delle cellule del Purkinje. La cosa importante è distinguere il fatto che i granuli che mandano delle proiezioni anche a livello dello strato molecolare esterno hanno una trasmissione prevalentemente glutammatergica eccitatoria, mentre le cellule del Purkinje hanno un forte output GABAergico inibitorio. Quindi l’output del circuito cerebellare è un output GABAergico, che dalle cellule del Purkinje raggiunge i nuclei cerebellari profondi. Tutti questi altri interneuroni che includono i granuli, cellule stellate e a canestro, prevalentemente sono inibitori, mentre le cellule dei granuli sono tra le poche che hanno delle trasmissioni eccitatorie glutammatergiche. Le due principali afferenze che raggiungono il cervelletto che sono le fibre muscoidi e le fibre rampicanti. Entrambe alla fine vanno a contrarre sinapsi con le cellule del Purkinje. Fibre Muscoidi Le fibre muscoidi raggiungono il cervelletto prevalentemente tramite il peduncolo inferiore, portano importanti informazioni dalla periferia e stabiliscono delle sinapsi non solo a livello delle cellule del Purkinje ma anche con gli interneuroni a livello dei dendriti dei granuli nello strato granulare, a loro volta gli assoni dei granuli si proiettano a lunga distanza, con quella disposizione ordinata delle fibre parallele, eccitando quindi un gran numero di cellule del Purkinje. Questo significa che il lavoro delle cellule dei granuli è quello di ritrasmettere l’informazione che arriva dalla periferia attraverso le fibre muscoidi, e quindi informare le cellule del Purkinje in relazione allo stato somatosensitivo del corpo; quindi, di come sono posizionati gli arti, qual è l'orientamento del corpo nello spazio e via dicendo. Questo è importante però dal punto di vista funzionale del circuito è altrettanto importante sottolineare questa dispersione del segnale che operano le cellule dei granuli attraverso le fibre parallele, che vanno a raggiungere moltissime colonne e quindi moltissime cellule del Purkinje. 3 Fibre rampicanti Le fibre rampicanti invece sono un sistema completamente diverso, originano dal nucleo olivare inferiore e trasmettono informazioni che arrivano dal midollo e dalla corteccia. Si avvolgono attorno al soma ed ai dendriti delle cellule del Purkinje, stabilendo numerosi contatti sinaptici. La grande differenza, quindi, è quella del diverso sistema di trasmissione, in questo caso ogni cellula del Purkinje riceve l'input da una sola fibra rampicante, esattamente l'opposto per quanto riguarda le fibre muscoidi e le fibre parallele. Ogni fibra rampicante prende contatto con al massimo dieci cellule del Purkinje. Vi è una forte topografia che caratterizza questo sistema delle fibre rampicanti all'interno delle unità colonnari, contrariamente a quanto osservato per le fibre muscoidi. Dunque, il sistema delle fibre rampicanti permette una connettività altamente specifica, mentre il sistema delle fibre muscoidi e delle fibre parallele permette una massiccia divergenza. Organizzazione spaziale delle fibre L’immagine a lato mostra più in dettaglio il sistema delle fibre muscoidi e delle fibre parallele. Le fibre muscoidi contraggono sinapsi nello stato dei granuli con le cellule dei granuli, queste trasmettono degli assoni che sono molto lunghi che attraversano tutte le diverse colonne fino a 2/3 dell'intera estensione del cervelletto. Questo vuol dire che trasmettono informazioni divergenti su milioni di cellule del Purkinje. In ogni colonna sono rappresentate le fibre del Purkinje che contraggono sinapsi attraverso l’ampia ramificazione dendritica vista in precedenza. Il sistema delle fibre rampicanti è completamente differente e ha l'obiettivo di raggiungere sicuramente una o poche colonne vicine, e ha una organizzazione topografica che mira a fenomeni di convergenza. La cosa interessante di questo costrutto anatomico è che vi è una vera e propria organizzazione ortogonale; quindi, le fibre parallele raggiungono tantissime colonne una a fianco all'altra, le fibre rampicanti raggiungono poche unità impilate una sopra all'altra, e quindi viene una vera e propria organizzazione ortogonale. Da qui poi si dipartono le proiezioni delle cellule del Purkinje che vanno a nuclei cerebellari profondi. 4 Circuito di base cerebellare Quest'altra immagine mette in risalto all'interno di una colonna i diversi elementi che entrano in gioco nel circuito di base cerebellare. Le fibre muscoidi e quelle rampicanti agiscono sull’output, andando a modulare i neuroni dei nuclei cerebellari, che hanno una proiezione eccitatoria. Da qui si diparte poi l’output finale verso il talamo, o altri centri di ritrasmissione. Quello che si vede in analogia con i nuclei della base, è che anche qui prevalentemente il sistema lavora alternando sinapsi inibitorie ed eccitatorie, ma comunque l’output prevalentemente è un output inibitorio. Quindi i meccanismi di disinibizione sono molto importanti. La fibra muscoide raggiunge i granuli, che hanno tante proiezioni eccitatorie attraverso le fibre parallele, queste ultime contraggono sinapsi anche con interneuroni che sono molto importanti perché a livello locale permettono di interrompere in maniera molto puntuale una determinata afferenza eccitatoria. Bisogna ricordare che il cervelletto è importantissimo nel garantire la corretta esecuzione temporale delle azioni, e quindi fare in modo che il segnale arrivi e immediatamente sia bloccato rende possibile l'elevata codifica temporale degli stimoli e delle informazioni. L’interruzione del flusso dell'informazione è operata principalmente dalle cellule del Golgi e dalle cellule a canestro che sono interneuroni inibitori. L’altra proiezione afferente che arriva attraverso le fibre rampicanti determina anch'essa un effetto eccitatorio così come quello delle fibre muscoidi. La complessità del sistema è incrementata dal fatto che i neuroni che arrivano attraverso le fibre muscoidi hanno anche una possibilità di modulare poi l'output dei nuclei cerebellari profondi; quindi, esercitano un controllo a diversi livelli. 5  Quest’altra immagine sottolinea il ruolo delle cellule a canestro, che fanno un’azione a livello delle cellule del Purkinje, impedendo che l’attivazione di una determinata microcolonna cerebellare si protragga oltremodo. Andando ad estendere il circuito includendo quelli che sono i segnali che arrivano dalla corteccia cerebrale, il circuito si avvale di segnali di entrata che vanno a mettere a confronto il programma motorio che arriva dalla corteccia cerebrale tramite il peduncolo cerebellare superiore e il quadro sensoriale che proviene dai propriocettori e dagli esterocettori tramite il peduncolo cerebellare inferiore. Queste informazioni vengono processate nelle diverse colonne dagli interneuroni inibitori, raggiungono poi i neuroni del Purkinje per esercitare poi un controllo inibitorio sui neuroni che sono localizzati nei nuclei cerebellari profondi. Quindi l’idea è simile a quella dei nuclei della base, per cui questo intervento dei neuroni del Purkinje esercita una disinibizione sul comando motorio appropriato che viene selezionato o comunque continuamente riaggiornato da questo costante confronto tra quello che è il piano motorio o cognitivo operato dalla corteccia celebrale in relazione alla situazione ambientale. Questo sistema è assolutamente importante per l’adattamento, per cogliere improvvisi cambiamenti che possono richiedere da parte del nostro sistema nervoso centrale delle rapide correzioni e modificazioni del piano motorio, ciò è possibile grazie a questo continuo monitoraggio esercitato da tutti questi circuiti cerebellari che lavorano in maniera incessante a questo fine. La comparazione tra il movimento pianificato e quello che effettivamente sta succedendo in relazione alla situazione vigente è centrale nel descrivere la funzione del circuito di base cerebellare. I nuclei cerebellari profondi trasmettono le informazioni necessarie per correggere le deviazioni del movimento pianificato, questo può essere una prima sintesi di quello che è il ruolo del cervelletto, ma si vedrà più avanti che il cervelletto è importante anche per altri aspetti, non solo del movimento ma anche per la cognizione e per alcune componenti affettive. 6 Azione delle fibre rampicanti e fibre parallele Le fibre rampicanti e le fibre parallele modificano l’eccitabilità dei neuroni del Purkinje. L'azione operata da questi due diversi sistemi, che sono funzionalmente opposti, uno estremamente divergente (quello delle fibre parallele) e uno convergente (quello delle fibre rampicanti), consiste in modificazioni degli Spike dell'attività elettrica dei potenziali d’azione del neurone delle cellule del Purkinje molto diversi in termini elettrofisiologici. Quindi per fare una prima classificazione si può dire che gli input che arrivano dal nucleo olivare inferiore, dalle fibre rampicanti, sono dei segnali molto intensi che generano direttamente un potenziale d'azione, anzi si vedrà più avanti che questo potenziale d'azione è abbastanza unico nell'ambito del panorama del sistema nervoso centrale, perché è un potenziale che prende il nome di Spike complesso. Si tratta di un potenziale d’azione a cui segue una seconda ondata eccitatoria, e questo è abbastanza peculiare perché è sempre stato detto che il potenziale d'azione è la conseguenza di una sommazione spaziale e temporale di potenziali post- sinaptici eccitatori e inibitori, che a un certo punto riescono a superare una soglia tale da superare il potenziale a riposo, e quindi aprire i canali che generano il potenziale d'azione. Questo è esattamente ciò che avviene anche per le fibre parallele, queste ultime poi hanno tantissimi contatti sinaptici, questi contatti sinaptici determinano perlopiù piccoli EPSP, quindi per generare un potenziale d'azione è necessario che vi sia una forte convergenza, che vi siano tanti stimoli che originano dalle fibre parallele e tutti insieme raggiungano dei diversi punti dell'arborizzazione in un ambito temporale ristretto, in modo da rispettare i due principi fondamentali sommazione spaziale e sommazione temporale. Se si va a vedere più in dettaglio come avvengono i contatti sinaptici fra la fibra rampicante e quella del Purkinje, si capisce perché questa è in grado di generare una risposta così forte nella cellula del Purkinje, perché da sola in realtà questa fibra rampicante si sfiocca all'interno dell'arborizzazione dendritica e ha tantissimi punti di contatto, quindi simultaneamente attiva la cellula del Purkinje nella sua ricca arborizzazione, quindi è in grado di soddisfare i criteri di sommazione spaziale e temporali tramite una solo assone, che proviene dalla fibra rampicante. Invece il sistema delle fibre parallele è molto più diffuso e ha diversi contatti sinaptici che sono più sfilacciati all'interno delle cellule del Purkinje perché poi devono raggiungere tantissime cellule del Purkinje, quindi hanno un'azione più diffusa. Spike semplici e complessi Dal punto di vista elettrofisiologico si parla di spike complesso, perché effettivamente quello che si osserva è una risposta unica con un potenziale d'azione che ha una sorta di aspetto di bifasico, e quindi come se venisse attivato in maniera rapida per un paio di volte, al contrario dello Spike semplice, che 7 è quello osservato in corso di attivazione delle fibre muscoidi, si vede questa punta poi una rapidissima riduzione del potenziale nazione, molto diverso dallo spike complesso che è un fenomeno più lungo. Questa immagine mostra proprio questo concetto. Lo Spike semplice ha la caratteristica del classico potenziale d'azione con un picco di depolarizzazione, che si raggiunge dopo un millisecondo\due millisecondi, e una rapida discesa e poi una parte di iperpolarizzazione refrattaria (classico potenziale d’azione che conosciamo). Nello spike complesso si vedono una serie di deflessioni, che oscillano a frequenze molto rapide, e che quindi in qualche modo rendono possibile una eccitazione prolungata, un mantenimento del potenziale d'azione prima che il potenziale d'azione possa arrivare nella sua fase inibitoria e raggiungere la sua fase di refrattarietà, che, invece, raggiunge solo dopo circa 20 millisecondi. Quindi un sistema di attivazione delle cellule del Purkinje molto potente. Nella figura a si vede come il termine rampicante è assolutamente pertinente, perché le fibre, che originano dall’oliva inferiore, grazie a questa peculiare organizzazione, si avviluppano attorno alle arborizzazioni dendritiche delle cellule del Purkinje. Funzionamento delle cellule del Purkinje Le cellule del Purkinje sono un’unità funzionale particolarmente interessante. Sono una classe di neuroni GABAergici, situati nella corteccia cerebellare, e sono tra i più grandi che conosciamo. Dal punto di vista neurofisiologico, le registrazioni dell’attività elettrica di queste cellule ha evidenziato che queste si attivano addirittura in anticipo rispetto alla corteccia motoria; il che rappresenta una differenza importante con i nuclei della base, indicando un ruolo chiave nella previsione del movimento. Questo è un concetto fondamentale di tutta la funzione cerebellare. In assenza di movimento le cellule dei nuclei profondi che sono controllate dalle cellule del Purkinje sono attive con un'elevata frequenza di scarica a circa 50 Hz. Le cellule del Purkinje operano una forte modulazione della frequenza di scarica di questi neuroni in prossimità dell’inizio del movimento. Per fare un confronto, nei nuclei della base i neuroni fondamentalmente sono silenti e vengono attivati solamente quando la proiezione cortico-striatale manda il segnale; qui il sistema è più pronto e più 8 operante continuamente, e la caratteristica principale è quella di fornire un’attività computazionale che addirittura avviene prima di quella che possiamo riscontrare nella corteccia motoria. Questo significa che il cervelletto è in grado quindi di fornire un modello cosiddetto a feedforward, una previsione di quello che potrà essere l’atto motorio più appropriato in quel momento perché è in grado di matchare la situazione del compito motorio con quella della periferia grazie a questo sistema di integrazione continua. La diapositiva fa vedere che cosa succede in termini di frequenza di scarica a livello delle cellule del Purkinje e dell’interneurone. Non entriamo nei dettagli, ma l’importante sottolineare come questa sia un’attività molto sostenuta. Nel cervelletto possiamo avere frequenze di scarica di alcuni neuroni che vanno oltre i 150Hz, fino a 300Hz, e altre frequenze che oscillano intorno ai 50Hz. Le cellule del Purkinje lavorano prevalentemente a 30 Hz, hanno però anche delle ridondanze a 100/150 Hz, gli interneuroni lavorano a frequenze più basse. Grazie a esperimenti operati con degli elettrodi che hanno tanti contatti in diversi elementi della profondità è stato possibile vedere come questa intensa attività sinaptica o di potenziali d’azione all'interno del cervelletto avesse diverse bande di frequenza, la cosa interessante è che mostra come questa attività oscillatoria molto elevata mantiene una distribuzione colonnare. Tutte le cellule che sono all'interno della colonna in diversi strati lavorano in quel momento a quella frequenza. Questo pattern può essere cambiato e modulato nel corso di modificazione del piano motorio, si vede come può essere un blocco di questa attività oscillatoria, che rappresenta in qualche modo la ricezione del segnale di errore o della modificazione del piano motorio, che viene codificato dalle cellule del Purkinje in maniera molto repentina. 9 Differenze funzionali La caratteristica funzionale di questi due sistemi delle fibre muscoidi e delle fibre rampicanti è diversa. Si ritiene che l'attività delle fibre muscoidi sia prevalentemente operata da stimoli sensoriali che forniscono un continuo monitoraggio di quello che avviene nel nostro corpo quando si stanno svolgendo determinate azioni; invece, l’attività delle fibre rampicanti viene chiamata in causa solamente in condizione di eventi inaspettati molto forti che necessitano quindi di una risposta immediata da parte del sistema, e quindi segnalano errori molto evidenti o condizioni assolutamente inaspettate. Divergenza e convergenza Nel cervelletto umano le informazioni provenienti da 200 milioni di input di fibre muscoidi vengono espanse a 40 miliardi di cellule granulari; quindi, già qui si è vicini all'infinito, è molto difficile riuscire a capire, a quantificare questo carico di lavoro che svolgono queste cellule, quanti contatti sinaptici ci sono. Questa divergenza neurale a sua volta lavora in uscita su 15 milioni di cellule del Purkinje; quindi, qui i numeri di convergenza sono molto elevati, da una divergenza estrema arriviamo a una convergenza molto significativa. A causa del loro allineamento longitudinale si può dire che 1000 cellule di Purkinje appartenenti a una microzona cerebellare (che è la microstruttura) possono ricevere input da ben 100 milioni di fibre parallele e a loro volta questi output delle cellule del Purkinje raggiungono meno di 50 cellule nucleari profonde, e quindi questo fenomeno facilita un’estrema convergenza, similmente a quanto descritto nei nuclei della base, solamente che qui l'amplificazione e la divergenza rendono il numero di contatti sinaptici molto 10 molto più elevato. Il microcircuito cerebellare lavora come unità funzionale e tutti questi microcircuiti cerebellari possono essere attivati diversamente a seconda del peso delle afferenze che ricevono dalle fibre parallele, essendo le fibre parallele distribuite in maniera estesa lungo la corteccia cerebellare, queste fibre parallele attiveranno tantissime unità e ci sarà un continuo bilancio tra EPSP e IPSP che arrivano da tutti questi miliardi di contatti sinaptici, per cui alla fine alcuni canali verranno attivati meno di altri e la cellula del Purkinje funge da integratore di tutto questo complesso di contatti sinaptici, per poi alla fine determinare un output singolo che va a convergere a livello dei nuclei cerebellari profondi. Modularità Un'altra caratteristica che aiuta a comprendere come funziona il cervelletto è quella della modularità. Tutte queste microzone sono dei moduli indipendenti, hanno una struttura simile con ingressi e uscite differenti; quindi, si può dire che il modulo è costituito da un piccolo gruppo di neuroni del nucleo olivare inferiore che proietta a tutte le rampicanti, un sistema di lunghe ed estese cellule di Purkinje nella corteccia cerebellare che formano queste microzone, ortogonali alla distribuzione delle fibre parallele e poi un piccolo gruppo di neuroni nei nuclei cerebellari profondi. La chiave del funzionamento del cervelletto è quello del lavorare in parallelo, tutti questi moduli lavorano molto rapidamente indipendentemente da quello che fanno gli altri e quindi è vero che diversi moduli condividono l’input, ma sono in grado di funzionare in maniera indipendente, soprattutto l'output di un modulo non è in grado di influenzare in maniera significativa l'output degli altri. Tutto questo perchè, il flusso enorme di informazioni deve essere elaborato nel modo più veloce e funzionale possibile, ed effettivamente lavorare in parallelo è la chiave per una maggiore efficienza di calcolo, l’attivazione in parallelo è molto più efficacie di quella in serie. Plasticità del circuito cerebellare Un altro concetto molto importante è la plasticità del circuito cerebellare. Il cervelletto serve da sistema che è in grado di fornire una predizione di un determinato piano motorio con meccanismo a feedforward rispetto alla contingenza ambientale, in più il cervelletto è una macchina deputata alla costruzione di plasticità. 11 In un singolo modulo cerebellare vi è la possibilità di raggiungere tantissimi contatti sinaptici, e quindi vengono generate delle risposte in termini di potenziale d’azione molto forti. Se questi circuiti vengono attivati in maniera ripetuta, le risposte di questi neuroni delle cellule del Purkinje, o anche delle altre cellule situate a diversi livelli chiave, come nei nuclei cerebellari profondi o a livello più superiore, a livello delle cellule dei granuli, mostreranno nel tempo un incremento di attività persistente, dando vita a fenomeni di long term potentation (LTP), oppure una refrattarietà che dura nel tempo chiamata long term depression (LTD). LTD e LTP sono gli analoghi neurofisiologici dell'apprendimento, della memoria da una parte e della rimozione delle informazioni dall'altra. Quindi questi aspetti neurofisiologici, questi meccanismi di plasticità sono molto importanti anche per l'apprendimento soprattutto per quello motorio. In altre parole, alcune tracce vengono amplificate oppure depresse in maniera così importante da lasciare all'interno dei circuiti dei vari moduli un flusso di informazioni che poi viene consolidato e che verrà richiamato in causa ogni volta che vi sia una necessità. Il fatto che coesistano questi meccanismi di LTP e LTD dà anche ragione del fatto che il cervelletto è importante per risistemare, riadattare continuamente la nostra capacità di apprendimento, e allo stesso tempo però di eliminarla quando non è più utile. Il controllo cerebellare sull'adattamento motorio avviene grazie alla combinazione di questi aspetti di apprendimento, di previsione di piani motori, e nel tempismo (controllo dell’azione al millisecondo). Quest’altra immagine introduce nel sistema quali sono i contatti sinaptici inibitori ed eccitatori ma anche le misurazioni a lungo termine che sono importanti per la generazione della plasticità. I fenomeni di LTP e LTD, che sono stati inizialmente descritti a livello delle cellule del Purkinje sono presenti sia nello strato molecolare ma anche a livello delle cellule dei granuli e poi più in profondità a livello del nucleo cerebellare profondo, in questo caso il nucleo dentato. Continuamente c'è una persistenza di un certo segnale che viene amplificato o inibito, non solo transitoriamente, ma può esserlo anche in maniera più continua, persistente, qualora vi sia la necessità di apprendere un nuovo compito motorio, una nuova azione cognitiva, e, allo stesso tempo, vi sia la necessità invece di rimuovere quell’apprendimento se cambiano i sistemi di riferimento. Questo sistema anche di consistente eccitazione di diverse strade, ma anche di diversi moduli, garantisce efficienza degli aspetti di predizione, azione di timing, e apprendimento. La plasticità cerebellare è un tema di ricerca molto interessante, e questa diapositiva fa capire la complessità anche di poi indagare questi aspetti nonostante il cervelletto si presta molto perché la sua unità è nota, tre strati e cinque tipi cellulari, però poi dopo i numeri sono mostruosi, quindi riuscire a immaginare e a calcolare come tutte queste forze di attivazione e inibizione, transitoria e persistente, a diversi livelli, funzionano insieme è estremamente complesso, e questa positiva rende l'idea della complessità. Però, l’importante è cominciare a capire il meccanismo di fondo e il ruolo funzionale 12  che possono avere le diverse cellule nei diversi strati. Quest'altra diapositiva aiuta a mettere in pratica quanto detto finora con il contesto sperimentale, si tratta di un apprendimento motorio. Nell'esperimento era richiesto a questo soggetto sperimentale di modificare la propria azione perché durante un compito che lui faceva ripetutamente che consisteva nel raggiungimento di un oggetto, veniva modificato il carico che doveva sostenere. Il soggetto era abituato, aveva imparato a eseguire quel compito con quelle determinate caratteristiche. Immaginiamo di dover trasportare semplicemente un oggetto, un peso di 200g da un tavolo fino a un recipiente che è posto mezzo metro più avanti, inizialmente bisogna aggiustare quel movimento, una volta però che sappiamo che il peso dell'oggetto è 200g, le ripetizioni successive saranno molto più fluide, più rapide, e con meno sforzo, verrà quasi automatico. Se improvvisamente nell’esperimento o nella vita quotidiana questo peso non è più 200g ma diventa 2kg cambia tutto, la prima volta non saremo in grado di svolgere lo stesso compito perché ci troveremo di fronte a una situazione inaspettata, è qui che entra in gioco il cervelletto, che piano piano corregge tutti i parametri necessari per la corretta esecuzione dello stimolo, nel corso delle ripetizioni, perché fornisce un nuovo schema di adattamento, di apprendimento. Questo adattamento al nuovo carico, dal punto di vista sinaptico, si vede bene se andiamo a misurare gli spike delle cellule del Purkinje. Questo è un esperimento un po’ semplificato, però si vede che la frequenza di scarica della cellula del Purkinje è piuttosto bassa, ma, una volta che viene introdotto un nuovo carico, questa frequenza aumenta in maniera molto consistente e mantiene comunque una persistenza di questi incrementi di scarica anche dopo l'adattamento. Perché questo? Perché questo segnale amplificato, in qualche modo, manifesta e codifica la memoria dell’adattamento a questa nuova situazione. Questi apprendimenti possono avvenire a diversi livelli, sia a livello della corteccia cerebellare che a livello dei nuclei cerebellari profondi. 13 Il cervelletto non è coinvolto solo nei compiti motori Il cervelletto ha delle connessioni bidirezionali con quasi tutta la corteccia cerebrale; quindi, vuol dire che la sua azione non è esclusivamente volta al controllo dei compiti motori (seppure questo sia l’aspetto predominante, che noi notiamo di più), ma ha anche un ruolo di monitoraggio, controllo e predizione del piano cerebrale che coinvolge altri sistemi. I sistemi coinvolti sono quelli: cognitivi, affettivi, legati alla pianificazione, all’ emozione, etc... Ciò avviene perché c’è una diversa rappresentazione topografica; e, se noi andiamo a vedere nell’animale sperimentale, ad esempio nel macaco, che ha un cervello filogeneticamente meno evoluto rispetto al nostro, la rappresentazione dei movimenti del piede, della mano e del volto (ben localizzati a livello della corteccia motoria primaria) trovano un loro corrispettivo solamente in una piccola porzione del cervelletto, in particolare nella porzione mediale degli emisferi cerebellari. Quindi nella visione classica il cervelletto svolge una funziona relativa ai compiti motori, ma se quantifichiamo la parte del cervelletto che fa questo, vediamo che è una parte relativamente piccola e quasi marginale. Tutto il resto del cervelletto fa altre cose. La linea del verme si ritiene essere importante per il controllo delle emozioni, quella intermedia degli emisferi mediali per il controllo motorio (piccola banderella), tutto il resto controlla aspetti cognitivi e, soprattutto, di apprendimento associativo. Il compito che il cervelletto compie nell’assistere la corteccia cerebrale è diverso nell’emisfero di destro rispetto a quello sinistro, perché il cervelletto ha una forte connessione crociata con l’emisfero cerebrale controlaterale. Quindi, andando a vedere più dettagliatamente, l’emisfero cerebellare destro è importante per coadiuvare la corteccia cerebrale nelle funzioni del linguaggio (a carico 14 dell’emisfero cerebrale sx) e nelle funzioni di pianificazione esecutive, mentre l’emisfero cerebellare sinistro è importante per il controllo dell’attenzione, delle funzioni viso spaziali e di come orientiamo la nostra attenzione nello spazio. Questo sistema topografico è stato dimostrato da esperimenti eseguiti con dei virus neurotropi marcati con dei traccianti, in grado di viaggiare all’interno degli assoni e di attraversare le sinapsi. Se marchiamo questi virus possiamo descrivere in maniera molto precisa il viaggio di una connessione transdinamica in diverse stazioni di ritrasmissione. C’è una rappresentazione topografica molto chiara: se facciamo un esperimento e mettiamo uno di questi traccianti in uno dei loculi cerebellari, specificatamente nel “crus 2”, avremo una proiezione a livello del nucleo di ritrasmissione talamico molto precisa e segregata e poi raggiungerà la corteccia cerebrale a livello dell’area 46 (regione prefrontale importante per le funzioni cognitive). Quindi, questo circuito si localizza con il cervelletto nella “crus2”, nel talamo in posizione ventro-mediale, e poi raggiunge la corteccia prefrontale. Per quanto riguarda invece l’area motoria, vedremo un’organizzazione completamente diversa con dei folia più mediali. Nel talamo questi hanno un’organizzazione topografica più superiore ed anteriore, e raggiungono solo questa parte della corteccia. Se estendiamo il livello di osservazione ed andiamo a vedere l’intero cervello, usando la risonanza magnetica funzionale, possiamo vedere un analogo rispetto a quello che abbiamo visto precedentemente con il modello animale; per cui coloriamo l’attivazione motoria di giallo e quella cognitiva di rosso, corteccia prefrontale, temporale e giunzione temporo-parieto-occipitale. Vediamo lo stesso schema magnificato ed amplificato nell’uomo rispetto alla scimmia. Il giallo è minoritario e localmente distribuito rispetto alla proiezione che raggiunge la corteccia dorso-laterale prefrontale, la corteccia mediale, o la corteccia anteriore. Il verde, il rosso e l’arancione sono predominanti e ci spiegano quanto siano forti le connessioni di 15 queste parti del cervelletto con altre regioni del cervello che non hanno nulla a che fare con il controllo del movimento, ma che sono importanti per tante funzioni cognitive. Elaborazione in feed-forward e in feed-back Ora è bene sottolineare il concetto di elaborazione a feedforward di predizione che svolge il cervelletto, e che ha uno schema di funzionamento che è lo stesso sia per quanto riguarda i comandi motori, che per i compiti cognitivi e del linguaggio. Infatti, quando ci troviamo di fronte ad una persona che ha un disturbo nel cervelletto questo svilupperà, non solo problemi motori, non solo la dismetria, ma avrà anche disturbi dell’emotività e un calo dell’efficienza cognitiva, del linguaggio e dell’orientamento spaziale. Questo perché il modo di lavorare del cervelletto permette un’efficienza massima della nostra intenzione correlata ad un outcome motorio o ad un processo cognitivo. Il sistema è sempre quello di un mappaggio di quello che è il sistema ambientale rispetto al piano motorio cognitivo elaborato dalla corteccia cerebrale. Quindi, il modello di funzionamento prevede che un piano motorio (prendiamo in considerazione un piano motorio, ma può essere anche un piano cognitivo) viene simultaneamente elaborato, da una parte nella corteccia cerebrale, nella classica proiezione cortico-spinale, e dall’altra dai nuclei della base (ricordiamoci l’analogo con i nuclei della base, la proiezione cortico-striatale e il ritorno). Questi sistemi operano in parallelo, quindi cerchiamo di non scinderli. Quindi, il comando motorio da una parte va ai nuclei della base, per tutto quel discorso di fine tuning, scalaggio dell’ampiezza, selezione del movimento, e dall’altra manda una copia afferente attraverso il peduncolo cerebellare superiore, e la proiezione cortico-pontina, che raggiunge questi nuclei pontini, che poi ritrasmettono le informazioni al cervelletto, dalla corteccia. Che cosa vuol dire questa informazione? Manda una copia efferente di quella che dovrebbe essere la sua intenzione al cervelletto, il quale prende questa copia e vede se è il modo o il momento giusto (secondo il piano cognitivo) matchandolo con l’afferenza che arriva dalla periferia. Per rapidità il cervelletto lavora anche in maniera probabilistica e sa che in quelle determinate condizioni, grazie all’esperienza passata e ai sistemi di apprendimento (ad esempio il “long term potentiation”), è già pronto a correggere lo sterzo, se stiamo andando in bici, se vede qualcosa che intralcia il suo percorso, e lo fa in maniera molto rapida. Il cervelletto riesce a svolgere questo compito così bene perché ha già imparato che, se arriva un segnale d’allarme, deve correggere in quel modo. Il cervelletto mette già in campo quel piano d’azione, quel modello a feedforward, e, se quella è la situazione, predice che sarà necessario operare delle determinate correzioni. Questo meccanismo di controllo è continuamente adattato e modificato a seconda dei segnali di controllo che arrivano, perché, se il segnale che arriva dalla periferia è diverso dal meccanismo predetto, questo genera un segnale di 16 errore molto forte tramite le fibre rampicanti; per cui, viene stoppato il piano predetto e ne viene introdotto un altro più appropriato. Tutto questo viene fatto con tempi rapidissimi e consente ai meccanismi di correzione di cui abbiamo esperienza quotidiana, ma di cui non ci rendiamo conto, che ci permettono di compiere compiti motori con estrema precisione e coordinazione. Lo stesso avviene per quanto riguarda l’efficienza cognitiva, il linguaggio ed i meccanismi cognitivi. Da solo il cervelletto non è in grado di far muovere nulla, né di generare pensieri cognitivi o quant’ altro, però fa in modo che tutto quello che viene prodotto inizialmente a livello della corteccia cerebrale venga eseguito nel modo più ordinato, preciso e rapido possibile. Per fare questo attua delle predizioni e dei calcoli probabilistici che rendono possibili azioni eseguite in tempi inferiori a pochi millisecondi. Ora possiamo capire meglio perché ci sono tutti quei moduli che lavorano in parallelo, perché tutti quanti sono pronti a far uscire la propria soluzione. Se riceve un segnale d’errore, il piano che è stato portato avanti finora con un meccanismo a feedforward non funziona, viene cambiato e ne entra in gioco un altro che viene elaborato in parallelo da unità modulari che lavorano in maniera indipendente. Per riassumere, il cervelletto differisce dalle altre parti del cervello anche perché ha un’elaborazione a feedforward. Finora abbiamo sempre visto schemi di funzionamento a feedback: le cellule (i neuroni) mandano un segnale e questo segnale riceve un’afferenza dalla periferia. Se quest’afferenza 17 è positiva o negativa, determina un aggiustamento dell’attività neuronale che può essere positivo, negativo, inibitorio o eccitatorio (quello che avviene nei riflessi). In questo caso l’elemento computazionale è completamente diverso perché genera un anello detto a feedforward, probabilistico. Quindi, possiamo dire che i segnali si muovono in modo unidirezionale, attraverso sistemi dall’ingresso all’uscita, con trasmissione del segnale molto ridotta. I segnali che entrano dal circuito vengono elaborati in ogni fase in ordine sequenziale; quindi, escono e poi andranno ad eseguire un ultimo confronto tra quello che è il piano motorio che sta uscendo e la predizione generata dal cervelletto stesso. Tutto questo permette una rapida e coincisa risposta a qualsiasi combinazione di input, proprio perché abbiamo detto che questi calcoli vengono eseguiti continuamente in parallelo. Questo (figura a lato) è un esempio della differenza a controllo a feedforward e controllo a feedback. Nel controllo a feedforward già sappiamo che, se dobbiamo eseguire un certo movimento con un certo peso, avremo necessità di muovere l’arto in un determinato modo. Se utilizziamo un controllo a feedback avremo una correzione del movimento basato sulla conseguenza dell’azione che facciamo, e quindi avremo necessità di aggiustare il movimento a seconda del peso che stiamo sollevando. Se utilizziamo una sfera di un peso che non conosciamo il cervelletto farà una predizione sulla sfera considerando la sua forma ed il materiale di cui è composta. Se la sfera fosse piena d’aria, e quindi più leggera rispetto alla nostra predizione, avremo un movimento eccessivo, perché il peso sarà inferiore rispetto a quello stimato. Questo è il modo in cui lavora il cervelletto. Il cervelletto avrà un mismatch rispetto a quella che era la sua predizione e quello che era l’effettivo compito motorio da eseguire in quel momento e nel momento successivo tirerà fuori la combinazione vincente. Per quanto riguarda il controllo a feedback è un meccanismo molto più lento, che prevede una rilevazione di quella che è la situazione in periferia con un’elaborazione del segnale molto più lento. 18 Manifestazioni cliniche dei danni al cervelletto Ritornando alla clinica, il cervelletto è importante per le funzioni della coordinazione: infatti i pazienti cerebellari hanno difficoltà a seguire con gli occhi un oggetto che si muove, hanno difficoltà nel controllare il tono e la velocità nel movimento, spesso c’è un’ipotonia. L’ipotonia cerebellare è opposta all’ipertonia che abbiamo nella disfunzione dei nuclei della base. Se visitiamo un paziente con il Parkinson e proviamo a muovergli un arto, questo presenterà una forte rigidità, mentre se visitiamo nello stesso modo un paziente cerebellare, questo opporrà poca resistenza. Questo giustifica il fatto che, quando i pazienti cerebellari muovono gli arti, hanno meno resistenza, e li lanciano oltremodo e non sono in grado di raggiungere il bersaglio. Capacità di adattamento del cervelletto Questo esempio sperimentale ci fa capire quanto è rapida la capacità di adattamento, e di quanto il cervelletto è in grado di resettare tutto quanto. Se banalmente facciamo un esperimento e tiriamo delle freccette riuscendo a raggiungere il bersaglio, se poi indossiamo degli occhiali prismatici che deviano in maniera automatica le referenze sulla rete (nel sistema visivo) di un determinato numero di gradi, trasferendo il focus di 30° o 50°, allora, all’inizio, continueremo a mirare al bersaglio pensando che questo sia nella stessa posizione e sbaglieremo di parecchi centimetri. Però, dopo circa otto tiri il sistema si 19 riadatta e saremo in grado di raggiungere l’obiettivo in maniera assolutamente precisa, come facevamo prima di mettere gli occhiali prismatici, nonostante ci sia stata una distorsione di circa 50 cm della mira adoperata artificialmente da questi occhiali prismatici. Per cui, se togliamo queste lenti prismatiche, inizialmente continueremo a mirare deviando rispetto all’obiettivo visivo perché prima avevamo appreso quest’informazione. Di nuovo avviene un adattamento e riadattamento ed automaticamente correggeremo questo errore fino a tornare alla situazione iniziale. Questo è quindi un esempio sperimentale della rapidità della plasticità cerebellare. Caratteristiche dei pazienti cerebellari Finiamo con le caratteristiche dei pazienti cerebellari. I pazienti cerebellari hanno difficoltà anche nel tracciare una semplice spirale; hanno disturbi dell’equilibrio, che nel caso dei pazienti cerebellari fanno riferimento all’atassia. L’atassia coinvolge un disturbo della coordinazione, un disturbo dei movimenti oculari, del linguaggio, della deglutizione, tremore, deficit della coordinazione e delle importanti alterazioni dell’equilibrio. I pazienti camminano come ubriachi (l’alcol ha uno specifico tropismo per il verme cerebellare, per cui la camminata da ubriaco e da paziente cerebellare sono simili), con una base estremamente allargata, sono estremamente incerti, e non sono in grado di eseguire comandi motori fini. I pazienti avranno inoltre una parola detta “parola scandita cerebellare” che impareremo a riconoscere, utile per fare diagnosi immediate. Casi di atassia possono essere traumatici, vascolari o ereditari. Vediamo da questa risonanza che il cervelletto può essere drammaticamente atrofico; qui è quasi assente, scomparso, mentre tutta la restante parte del cervello è normale. Esistono varie famiglie di atassia, anche atassie spinocerebellari genetiche, con caratteristiche diverse. 20