Relația minte-creier: perspectivă istorică PDF

# MODULUL I ## Relația minte-creier: perspectivă istorică - Neuroștiințele sunt un domeniu de cercetare care studiază structura și funcțiile sistemului nervos, atât la om, cât și alte specii. - Se disting de neurologie, un domeniu clinic, prin faptul că sunt interesate de studierea sistemului nervo...

# MODULUL I ## Relația minte-creier: perspectivă istorică - Neuroștiințele sunt un domeniu de cercetare care studiază structura și funcțiile sistemului nervos, atât la om, cât și alte specii. - Se disting de neurologie, un domeniu clinic, prin faptul că sunt interesate de studierea sistemului nervos, și nu de diagnosticarea sau tratarea tulburărilor. - Sistemul nervos poate fi analizat la mai multe niveluri, de la cel mai elementar (neuroștiințe moleculare) până la cel mai apropiat de comportamentul observabil (neuroștiințe cognitive). - Prin faptul că aduc împreună cercetători de formații diverse, neuroștiințele cognitive folosesc o abordare interdisciplinară pentru a studia bazele neurofiziologice ale cogniției (gândire, memorie, atenție, etc). - De obicei, metodele folosite pentru a măsura activitatea creierului în neuroștiințele cognitive sunt neinvazive (EEG, RMNf, etc.). - Deși denumirea datează din a doua jumătate a secolului XX, eforturile de a clarifica cauzele comportamentelor, gândurilor și emoțiilor sunt mult mai vechi. - În acest capitol introductiv, veți afla principalele teorii și descoperiri care au contribuit la dezvoltarea cunoașterii sistemului nervos. ## 1.1. Perspective istorice - Ce anume ne face să fim noi înșine, indiferent că numim acel lucru suflet (pneuma) sau psihic (psyche)? - Ce anume ne face să gândim, să acționăm și să simțim? - Aceste întrebări si-au găsit, de-a lungul timpului, răspunsuri diverse și, câteodată, contradictorii. - Putem doar intui, pe baza dovezilor arheologice, ce credeau strămoșii noștri despre minte și corp. - Pe de-o parte, urmele găsite la nivelul craniilor, rezultate fie în urma loviturilor accidentale, fie în urma trepanațiilor, ne sugerează că importanța vitală a creierului a fost binecunoscută încă din preistorie. - Pe de altă parte, din ritualurile de mumificare egiptene putem deduce că sufletul a fost considerat pentru o foarte lungă perioadă de timp ca fiind strâns legat de inimă, după greutatea căreia s-ar fi decis soarta lui în viața de apoi. - În același timp, izvoare din perioada Greciei Antice, precum Iliada lui Homer, evocă alte credințe populare, pentru care sinele era compus din mai mulți agenți. - Psyche, de exemplu, era numele forței vitale care părăsește trupul după moarte. - Ideea unui suflet imaterial va persista de-a lungul istoriei, în mare parte datorită influenței lui Aristotel (sec. IV î.Hr) asupra filosofiei europene. - Va fi un punct de pornire pentru teoriile dualiste, precum cea a lui René Descartes, care argumentează că sufletul este distinct și separabil de trup. - În paralel, însă, teoriile moniste vor încerca în continuare să localizeze sufletul în inimă sau în creier, considerând că acesta trebuie să fie reductibil la ceea ce se întâmplă în corp. ## Perspectiva cardiocentristă - Până în perioada Antichității târzii, inima a fost considerată centrul de control al comportamentului uman. - Empedocle (sec. V î.Hr), de pildă, consideră că inima este sursa rațiunii și, implicit, a inteligenței umane. - Perspectivă cardiocentristă adoptată de filosofii greci își are, parțial, originea în credințele populare despre suflet, însă primește justificări diverse, cum ar fi faptul că inima ocupă o poziție centrală în corp. ## Perspectiva cefalocentristă - Deşi o figură acum obscură prin comparație cu alți filosofi antici, lui Alcmaeon (sec. V î.Hr) îi este atribuită prima afirmație cefalocentristă, și anume aceea că simțurile depind de creier. - Speculația lui Alcmaeon se baza pe observații anatomice: el identifică, în disecții pe animale, nervul optic, care se extinde dinspre globul ocular spre creier. - De departe cea mai puternică influență asupra istoriei științelor rămâne, însă, cea a lui Galen din Pergamon (sec. II d.Hr.). - În calitate de medic al gladiatorilor, Galen tratează leziuni diverse de la nivelul craniului și coloanei vertebrale, observă care sunt consecințele lor asupra comportamentului și se folosește de experimente cu animale vii pentru a-și testa ipotezele. - El respinge vehement ideea, popularizată de Aristotel, că rolul creierului ar fi de a răci sângele, asemenea unui radiator. - Afirmă, în schimb, că inteligența este localizată în creier și că acesta, la rândul său, este legat de mușchi și de organe de simț prin nervi. - Disecțiile făcute asupra animalelor scot în evidență două părți distincte ale creierului, creierul mare (cerebrum) și creierul mic (cerebellum), dar și existenţa unor cavități interioare umplute cu lichid, numite ventriculi. - Galen le privește pe cele din urmă ca o dovadă clară în sprijinul teoriei umorilor, care încerca să explice activitatea corpului în funcție de echilibrul dintre patru lichide: flegma, bila neagră, bila galbenă şi sângele. - Mai precis, Galen propune că senzațiile și mișcările iau naștere datorită lichidelor care circulă prin ventriculi și nervi, considerându-i pe cei din urmă tuburi goale pe dinăuntru. ## Dualismul cartezian și teoria lichidelor - Timp de aproape 1500 ani, perspectiva lui Galen asupra creierului rămâne dominantă în Europa. - Mecanismele hidraulice, expresie a unei fascinații mai largi a secolul XVII pentru dispozitive automate, demonstrează că circulația fluidelor poate produce mișcare. - René Descartes este puternic influențat de ele și le consideră dovezi în sprijinul ideilor lui Galen. - Cu toate acestea, perspectiva propusă de Descartes este una dualistă, nu monistă. - Mintea, consideră el, nu poate fi localizată în creier, deoarece este imaterială. - Cele două, însă, ar comunica prin glanda epifiză: o structură mică, ce atrage atenția lui Descartes deoarece, spre deosebire de alte structuri, nu este formată din două părți simetrice. - Atât senzațiile, cât și mişcările, afirmă Descartes, ar fi rezultatul dialogului dintre creier și minte. ## Sistemul nervos și electricitatea - Odată cu experimentele lui Benjamin Franklin, fenomenele electrice încep să fie înțelese mai bine și trezesc interesul biologilor. - Luigi Galvani și Emil du Bois-Reymond arată, pe de-o parte, că muşchii reacţionează atunci când nervii care îi controlează sunt stimulați electric și, pe de altă parte, că electricitatea poate fi generată de creier. ## Localizaționism - Prima carte de neuroanatomie, Cerebri Anatome, este publicată în 1664 de Thomas Willis, urmând ca până la sfârșitul secolului XVIII sistemul nervos să fie descris în detaliu, iar subdiviziunile sale majore identificate: sistemul nervos central (creierul și măduva) și sistemul nervos periferic (nervii). - Se observă că suprafața creierului este brăzdată de şanţuri și poate fi parcelată, în funcție de acestea, în girusuri și lobi. - Deoarece este cunoscut faptul că leziunile de la nivelul creierului pot produce tulburări ale senzației, mișcării sau cogniției, se speculează că părți distincte ale creierului trebuie să îndeplinească funcții diferite. - Franz Joseph Gall propune pentru prima dată că procesele psihice au o localizare precisă în creier, nu în ventriculi, astfel punând bazele unui nou curent, localizaționismul. - Principiile localizaționiste sunt, însă, aplicate în frenologie, o pseudoștiință care își propune să coreleze forma craniului cu personalitatea. Gall colecționează și măsoară craniile a sute de indivizi, propunându-și să creeze o hartă a trăsăturilor de caracter, precum generozitatea sau tendința de a păstra secrete, în funcție de ridicăturile observate. - O premisă incorectă, deoarece ridicăturile craniului nu sunt determinate de cele ale creierului. Aceste idei nu sunt acceptate de comunitatea științifică, însă devin populare destul de repede pentru publicul larg. ## Echipotențialism - La sesizările Academiei Franceze, Jean Pierre Flourens își propune să testeze experimental ideile localizaționiste. - El realizează ablații sistematice în cortexul unor animale, măsurându-le comportamentul înainte și după aceste leziuni. - Deoarece găsește că ablațiile compromit mai multe funcții, nu una singură, Flourens concluzionează că nu există dovezi pentru a susține teoria localizaționistă. - Propune, în schimb, perspectiva echipotențialistă, considerând că toate părțile creierului sunt responsabile în mod egal pentru toate funcțiile cerebrale. - De exemplu, din moment ce toate leziunile par să interfereze cu memoria, Flourens afirmă că memoria este susținută de orice parte din creier. - Deși acest punct de vedere pare, la prima vedere, să fie sprijinit de dovezi empirice, în realitate metodele de măsurare a comportamentului folosite de Flourens erau nestandardizate, iar leziunile făcute mult prea mari. ## Localizaționism distribuit - Revigorarea localizaționismului și tranziţia spre localizaționismul distribuit nu ar fi fost posibilă fără studierea pacienților ale căror leziuni accidentale erau însoțite de deficite de limbaj, deficite numite afazii. - Un principiu fundamental al neuropsihologiei este acela că funcția deficitară este susținută de structura lezată (engl., loss of function). - Folosindu-se de această abordare, Paul Broca și Carl Wernicke descriu pentru prima dată ariile și, mai târziu, circuitele implicate în limbaj. - Puține studii de neuropsihologie au fost realizate până la jumătatea secolului XIX, cazurile fiind rare și leziunile identificate grosier. - Deși existau unele indicii că limbajul ar putea fi localizat, nu exista nicio descriere sistematică a regiunilor implicate. - Paul Broca este primul care identifică un centru al vorbirii. - Concluziile sale se bazează pe studierea indivizilor al căror limbaj fusese afectat într-un mod foarte specific: nu puteau vorbi, deși puteau înțelege limbajul (afazie motorie). - Primul dintre aceștia, pacientul Tan (pe numele lui real, Louis Victor Leborgne), nu putea rosti decât o singură silabă (,,tan”), însă putea răspunde corect la întrebările care i se puneau. - După moartea pacientului, autopsia confirmă existența unei leziuni la nivelul creierului, în lobul frontal stâng. Aceasta cuprinde partea posterioară a girusului frontal inferior și este denumită, ulterior, aria Broca. - Carl Wernicke descoperă existenţa unor deficite complementare celor observate în cazul Tan: pacienți pentru care înțelegerea, nu producerea limbajului este deficitară (afazie senzorială). - Acești pacienți prezintă leziuni într-o arie corticală diferită, denumită mai târziu aria Wernicke, localizată în girusul temporal superior stâng. - Pentru a putea face saltul de la o corelație la o relație cauzală este nevoie de o dublă disociere: o leziune afectează domeniul A (producerea limbajului), dar nu și domeniul B (înțelegerea limbajului), pe când o altă leziune afectează domeniul B (înțelegerea limbajului), dar nu și domeniul A (producerea limbajului). - Într-adevăr, faptul că leziunile în aria Broca afectează producerea, dar nu și înțelegerea limbajului, pe când cele în aria Wernicke afectează înțelegerea, dar nu și producerea limbajului, sugerează că prima arie susține limbajul expresiv (producția), pe când cea de-a doua susține limbajul receptiv (înțelegerea). - Descoperirea că ariile Broca și Wernicke sunt legate printr-un tract numit fascicul arcuat, și că distrugerea tractului determină un al treilea tip de afazie (de conducere), arată în mod definitiv că limbajul nu este susținut de o singură regiune din creier, ci de mai multe regiuni care comunică între ele prin tracturi. - Această perspectivă poartă numele de localizaționism distribuit și va fi susținută, mai departe, de dovezi empirice diverse, inclusiv de date neuroimagistice ## 1.2. Structura țesutului nervos - Obstacole în studierea țesutului nervos. Majoritatea descoperirilor fundamentale despre țesutul nervos le datorăm histologiei, studiul la nivel microscopic al țesutului. - Istoria lor este, însă, strâns legată de limitele sau de progresele tehnologiei disponibile. - Pentru o lungă perioadă de timp, densitatea foarte mare și dimensiunea foarte mică a celulelor din țesutul nervos a constituit o problemă pentru histologi, neuronii neputând fi clar delimitați în imagini decât după apariția și îmbunătățirea microscopului optic și dezvoltarea unor metode de colorație histologică selectivă. - De asemenea, consistența moale a țesutului nervos face dificilă secționarea sa (un procedeu necesar pentru a pregăti țesutul pentru studierea sub microscop). - Această problemă își găsește o rezolvare odată cu apariția substanțelor capabile să întărească țesutul, precum formaldehida, și a microtomului, un aparat cu care probele de țesut pot fi tăiate în felii fine, de ordinul micrometrilor (1 mm = 1000 µm). - Nu în ultimul rând, feliile de țesut nervos au o culoare uniformă, celule individuale fiind greu de distins chiar și atunci când imaginea este mărită. - O soluție a fost introducerea pigmenților care colorează selectiv doar anumite părți ale celulei. - Colorația Nissl, de pildă, pune în evidență nucleul și materialul care înconjoară nucleul (corpusculii Nissl) din neuroni. - Cu ajutorul său, neuronii pot fi diferențiați de celulele gliale și se poate observa dispunerea sau organizarea lor în țesut. - O altă metodă, numită colorație Golgi sau colorație argentică, pune în evidență doar un procent mic din neuroni, însă are avantajul de a colora neuronul în întregime și nu doar organitele sale. - Datorită acestei metode, devine clar că porţiunile identificate anterior prin colorația Nissl nu reprezentau un neuron întreg, ci doar o parte dintr-un neuron. - Se mai pot observa, pornind din corpul celular, o proiecție lungă (axoni) și mai multe proiecții mici și scurte (dendrite). ## Teoria reticulară și ipoteza neuronului - În mod paradoxal, Santiago Ramón y Cajal și Camillo Golgi folosesc același pigment pentru a justifica două perspective complet opuse. - Camillo Golgi susține teoria reticulară (1873), considerând că prelungirile pe care le observă la microscop sunt continue. - Acest lucru ar face țesutul nervos să fie, însă, o rețea continuă. - Prin urmare, ar face excepție de la teoria celulară formulată de Schleiden (1838) și Schwann (1839), care afirma că toate țesuturile trebuie să fie formate din celule distincte. - Santiago Ramón y Cajal adoptă o poziție opusă și susține ipoteza neuronului (1887), considerând că neuronii nu comunică prin continuitate, ci prin contact. - El susține această ipoteză cu un număr uriaș de observaţii microscopice pe secțiuni de țesut nervos colorate cu metoda Golgi, de la om și alte specii și din diferite perioade de dezvoltare. - Și dovezile ulterioare au confirmat ipoteza neuronului. - De pildă, în imaginile obținute cu ajutorul microscopului electronic, în anii 1950, se observă că procesele neuronale se apropie foarte tare, dar nu se ating. - Neuronul este, în mod clar, unitatea funcțională a creierului. ## 1.3. Activitatea sistemului nervos ### 1.3.1 Semnalul electric - Așa cum ați aflat în secțiunea precedentă, fenomenul electricității începe să atragă, în secolul XVIII, interesul biologilor. - Luigi Galvani arată că, la broască, stimularea electrică a unui nerv determină contracții musculare. - Un secol mai târziu, Gustav Fritsch și Eduard Hitzig demonstrează că stimularea electrică a cortexului frontal determină contracția musculară. - Aşadar, la sfârșitul secolului XIX, cunoaștem nu doar că prin nervi se transmit semnale electrice, dar și că stratul superficial al creierului, cortexul, este excitabil. - Bazându-se doar pe observațiile obținute cu ajutorul microscopului, Cajal formulează legea polarizării dinamice, prin care intuiește o proprietate importantă a semnalului nervos: informația circulă dinspre dendrite înspre capătul axonului, de acolo fiind transmisă altor neuroni. - Mecanismele care fac posibilă această transmitere unidirecțională, însă, nu vor fi descrise decât mult mai târziu. ### 1.3.2. Semnalul chimic - Completând experimente anterioare ale lui Hermann von Helmholtz, Charles Sherrington compară latența reflexului motor cu viteza de conducere a nervului și observă un decalaj între cele două. - Concluzionează că acest decalaj se datorează unor „întreruperi” în nervi, discontinuitățile întârziind comunicarea dintre celule. - Deși Charles Sherrington denumește, în 1897, regiunea de contact dintre neuroni „sinapsă”, dovezi clare pentru existența sa nu vor putea fi găsite decât o jumătate de secol mai târziu, cu ajutorul microscopiei electronice. - Primele observații ale sinapsei sunt făcute de George Emil Palade și Simon Palay (1954), în paralel cu Eduardo De Robertis și Stanley Bennett (1955). - În imaginile obținute, observă existenţa unor vezicule în regiunea presinaptică și presupun, în mod corect, că acestea conțin substanțe chimice importante pentru transmiterea semnalului nervos. - În 1921, experimentele lui Otto Loewi confirmă pentru prima dată ipoteza chimică: substanțe chimice sunt implicate în transmiterea semnalului nervos. - Loewi studiază comunicarea între nervul vag și inimă, la broască, și observă că atunci când nervul vag este stimulat electric, frecvența cardiacă scade. - Loewi consideră că această schimbare se datorează unor substanțe chimice eliberate de către nervul vag. - Pentru a testa ipoteza, se folosește de o inimă pe care se lăsase nervul vag care o inervează și de o inimă de pe care se îndepărtase nervul vag. - Într-un prim pas, stimulează nervul intact, ceea ce reduce frecvența cardiacă a primei inimi. - Cu o pipetă, colectează lichidul din jurul ei, unde se așteaptă să fi rămas substanța eliberată de nerv. - În al doilea pas, lichidul pipetat este pus în cea de-a doua inimă, cea denervată. - Acest lucru este suficient pentru a-i reduce frecvența cardiacă. - Experimente ulterioare vor clarifica faptul că neurotransmiţătorul al cărui efect a fost descoperit de Loewi este, de fapt, acetilcolina. ## 1.4. Dezvoltarea sistemului nervos - În ce fel se dezvoltă procesele neuronilor? - Ipoteza dominantă a fost, inițial, cea a ghidării mecanice. - Paul Weiss presupune că prelungirile urmează pasiv trasee deschise. - Din moment ce unii neuroni se dezvoltă înaintea celorlalți, procesele celulelor noi s-ar dezvolta, pur și simplu, în direcţia în care au destul loc. - Cajal, însă, identifică niște formațiuni conice la capătul axonilor în dezvoltare, ce primesc numele de conuri de creștere. - El propune ipoteza chemotaxiei, și anume că acest con de creștere este ghidat de o substanță chimică, eliberată de un alt neuron. - Dezvoltarea prelungirilor ar fi, astfel, ghidată activ de substanțe chimice, atrăgându-le sau respingându-le. - Roger Sperry investighează, în 1963, ipoteza chemoafinității, bazată pe principiul chemotaxiei, propus de Cajal. - El speculează că procesele ar putea fi atrase de semnalele unor neuroni și respinse de semnalele altora. - În experimentele sale, Sperry alege un model animal al cărui nerv optic se poate regenera, pentru a putea observa regenerarea acestuia în două condiții. - El compară comportamentele a două broaște după rotirea globilor oculari la 180°. - În cazul uneia dintre broaște, nervul optic este păstrat intact. - Atunci când i se arată o insectă, broasca se mișcă în direcția opusă, deoarece imaginea insectei este procesată răsturnat. - Pentru cea de-a doua broască, globii oculari sunt rotiți și nervul optic este secționat, așteptându-se regenerarea acestuia. - Dacă ipoteza ghidării mecanice ar fi adevărată, nervul secționat s-ar regenera pe traseul cel mai direct și apropiat, iar comportamentul broaștei ar fi corectat. - Dacă, în schimb, ipoteza chemoafinității ar fi adevărată, nervul s-ar regenera nu pe traseul cel mai scurt, ci păstrând topografia inițială. - Într-adevăr, comportamentul observat este identic cu cel al broaștei al cărei nerv rămăsese intact. - Odată clarificat faptul că dezvoltarea sistemului nervos presupune căi marcate chimic, încep să fie investigate substanțele responsabile pentru aceste marcaje. - La jumătatea secolului XX, Rita Levi-Montalcini arată că transplantarea unor porțiuni de țesut canceros într-un embrion de pasăre induce creșteri rapide ale ţesutului nervos. - Identifică, apoi, substanța care promovează dezvoltarea celulelor: factorul de creștere al nervilor (engl., nerve growth factor, NGF)², care trimite semnale de expansiune proceselor neuronale. - NGF este o proteină a cărei structură este împărtășită, parțial, cu alți factori de creștere (e.g., factorul de creștere derivat din creier sau brain- derived neurotrophic factor, BDNF). - Aceștia sunt importanți nu doar pentru dezvoltarea sistemului nervos, ci și pentru neuroplasticitate. ## 1.5. Neuroplasticitatea - Dezvoltarea sistemului nervos este definită ca perioada în care acesta se organizează la scara mare. - După cum veți afla în capitolul dedicat acestui subiect, dezvoltarea presupune mai multe procese, precum apariția neuronilor (neurogeneza) sau a sinapselor (sinaptogeneza). - Acestea au loc masiv în perioada prenatală și postnatală, și magnitudinea lor se reduce în timp. - Învățarea, însă, implică și ea modificări în sistemul nervos. - Lucrând împreună cu Gheorghe Marinescu, Ion Minea descrie în anul 1909 schimbările morfologice ale neuronilor senzoriali după compresie sau transplantare în diferite organe, și numește aceste schimbări „neuroplasticitate”. - Termenul este preluat de către Cajal (1913) și ajunge să desemneze capacitatea circuitelor neuronale de a se modifica. - Complexitatea sistemului nervos la mamifere face imposibil de urmărit schimbările sinaptice între toți neuronii implicați în învăţare. - Din acest motiv, Eric Kandel alege să studieze organisme simple, precum Aplysia Californica, o specie de melc marin. - Acesta are un singur ganglion abdominal, cu aproximativ 100 de neuroni cu corp neuronal mare, făcându-i ușor de cartografiat. - Când Aplysia învață, prin condiţionare clasică³, că urmează un stimul electric, se observă modificări la nivelul sinapselor (engl., long-term potentiation, LTP), producându-se o întărire pe termen lung a sinapselor active în timpul condiționării. - LTP este prima formă de neuroplasticitate descoperită, însă nu este singura.