Neuroştiinţe - Curs ID PDF

Neuroștiințe, ID NEUROȘTIINȚE, an III, ID Suport de curs Scopul principal al cursului de Neuroștiințe este dezvoltarea unei înțelegeri de bază a felului în care creierul uman funcționează, dublată de dezvoltarea entuziasmu...

Neuroștiințe, ID NEUROȘTIINȚE, an III, ID Suport de curs Scopul principal al cursului de Neuroștiințe este dezvoltarea unei înțelegeri de bază a felului în care creierul uman funcționează, dublată de dezvoltarea entuziasmului pentru disciplina neuroștiinței. În cadrul cursului, vom explora fundamentele funcției creierului, pentru o pregătire temeinică pentru viitoare studii mai în detaliu în neuroștiințe, și/sau pentru a deveni un consumator informat al cercetării și informațiilor despre creierul uman. Prima parte a cursului introduce disciplina din punct de vedere istoric și subliniază dezvoltările tehnologice ale timpului care au contribuit la dezvoltarea disciplinei neuroștiințelor. Introducerea este urmată de două capitole care introduc concepte de bază pentru înțelegerea și cunoașterea creierului, atât la nivel celular, cât și la nivel structural. În continuare, suportul de curs prezintă principalele metode neuroștiințifice, printre acestea metoda comportamentală, electroencefalografia, sau rezonanța magnetică funcțională. Acestea sunt urmate de o serie de teme dedicate modalităților senzoriale umane, cu o temă care introduce atenția și un capitol dedicat acțiunii, controlului motric și învățării motrice. Partea a doua a suportului de curs acoperă funcțiile înalte umane: memoria și limbajul, un capitol dedicat procesării numerelor și funcțiilor executive și unul pentru neuroștiințele afective. 1 Neuroștiințe, ID Cuprins – Activități de autoinstruire AI1: INTRODUCERE ÎN NEUROPSIHOLOGIE AI2: NEUROANATOMIE CELULARĂ AI3: NEUROANATOMIE STRUCTURALĂ AI4: METODE NEUROȘTIINȚIFICE I AI5: METODE NEUROȘTIINȚIFICE II AI6: MODALITĂȚI SENZORIALE I AI7: MODALITĂȚI SENZORIALE II AI8: MODALITĂȚI SENZORIALE III AI9:ACȚIUNE.CONTROLMOTRIC.ÎNVĂȚARE AI10: MEMORIE AI11: LIMBAJ AI12: FUNCȚII EXECUTIVE AI13: AFECTIVITATE 2 Neuroștiințe, ID AI1: INTRODUCERE ÎN NEUROPSIHOLOGIE DEFINIȚIE A DISCIPLINEI Cum bine știm, psihologia este interesată să descrie, să explice și să prezică comportamentul uman. Neuropsihologia este o subdisciplină a psihologiei, cu două domenii principale: unul clinic și unul experimental. În acest curs vom urmări neuropsihologia experimentală, cu toate că vom utiliza exemple și concepte din clinică. Neuropsihologia experimentală mai este cunoscută și sub numele de Neuropsihologie cognitivă sau Neuroștiințe cognitive. Neuropsihologia este interesată de asemenea de comportamentul uman, ideea de bază fiind o legătură strânsă între activitatea din creierul uman și comportamentul observat. Astfel, premisa de pornire a disciplinei este că cel puțin o parte a comportamentului observat al unui individ este rezultatul activității din creier. PRIMII PAȘI ÎN NEUROPSIHOLOGIE Creierul nu a fost dintotdeauna considerat sediul principal al cogniției. De altfel, în antichitate inima era considerată organul cel mai potrivit pentru a ține sufletul. Astfel, avem o ipoteză cardiocentrică (Empedocles, 495-435 î.Hr.; Aristotel, 384-322 î.Hr.), construită în jurul inimii, cu mari gânditori antici, precum Aristotel, care considerau creierul important doar pentru a răci sângele care călătorește către inimă. Opusul acestei ipoteze este ipoteza cefalocentrică, sau ipoteza creier, cu mari medici ai antichității precum Hipocrate (430-350 î. Hr.) și Galen (129-199), ca și susținători. PROBLEMA MINTE-CORP Problema minte-corp, sau dualismul, este strâns legată de numele lui René Descartes (1596- 1650). Descartes a fost preocupat să explice două lumi separate – cea materială, a corpului, și cea mentală, a sufletului. Specific, el a fost preocupat să descrie cum poate un organ material – creierul – să controleze sufletul fără materialitate. Luând inspirație din tehnologia timpului lui – mecanica și hidraulica, Descartes a imaginat comunicarea între creier și suflet ca fiind intermediată de glanda pineală, o structură unitară (fără pereche) din creier. Opusul teoriei duale este monismul, care susține că mintea și corpul sunt unul și același lucru. DEZVOLTĂRI RECENTE ÎN NEUROPSIHOLOGIE Ultimele secole au văzut o dezvoltare accelerată a neuroștiințelor și prin consecință, a înțelegerii și cunoștințelor noastre despre creier, așa cum ele rezultă din studii ale leziunilor 3 Neuroștiințe, ID cerebrale, studii anatomice, precum și din neurochirurgia funcțională. Este important să considerăm descoperirile și dezvoltările științifice în contextul dezvoltării tehnologice desfășurate în același timp. Leziuni Primele studii care au folosit leziuni ale creierului au fost făcute pe animale. Jean-Cesar Legallois (1770-1840) a feliat în mod repetat bulbul rahidian al iepurelui și astfel numele lui este legat de una dintre primele localizări funcționale: nodul vital sau centrul respirației din bulbul rahidian (medulla oblongata). Atunci când nodul vital este lezionat, animalul nu mai poate respira, rezultând moartea. Pentru teoria lui, astăzi discreditată, a localizării funcționale, tot aici îl menționăm și pe Franz Joseph Gall (1758-1828), părintele frenologiei. Acesta a promovat o legătură directă între forma craniului și personalitate, sugerând că, cortexul ar funcționa precum mușchii, iar o suprafață mai voluminoasă ar indica o funcție specializată. Cu toate că unele funcții au fost intuite corect (precum arii separate specializate pentru limbajul vorbit, sau abilități matematice, de exemplu), unele dintre funcțiile enumerate includeau iubirea pentru prieteni, idealismul, sau avariția, pe care astăzi știm că nu le putem localiza într-o anumită regiune cerebrală. De altfel, unul dintre cei mai mari critici ai frenologiei, Marie-Jean- Pierre Flourens (1794-1867) a susținut că odată ce știm despre o abilitate extraordinară a unui individ (de exemplu, că este un muzician talentat), putem să îi examinăm craniul și să găsim cu ușurință o „crescătură” pe care să o atribuim abilității muzicale. Flourens a fost un susținător al echipotențialității, conform căreia nu există specializare funcțională în creier. Probabil cea mai importantă „contribuție” a lui Flourens este mitul lui 10% folosit din creier: Prin lezionarea unor părți importante de creier ale animalelor de studiu, Flourens a observat că acestea pot executa funcții de bază chiar și atunci când până la 90% din creier era distrus. Această observație a dus la mitul și exagerarea că noi am folosi doar 10% din creier. Mai mult, s-a demonstrat că până și studenții la psihologie perpetuează acest mit – Chiar dacă ei învață despre mit în anii de facultate, când sunt testați doi ani mai târziu, după terminarea facultății, ei tind să susțină veridicitatea mitului (Sleek, 2018)! Totuși, echipotențialitatea a fost ușor dovedită greșită, odată cu primele studii care au arătat localizarea clară a funcției motrice și senzoriale (David Ferrier, 1843-1928). Probabil cele mai clare progrese neuroștiințifice ale timpului au fost făcute de către oameni de știință care au lucrat cu aceste funcții senzorimotrice. De exemplu, Friedrich Goltz (1834-1902), nesurprinzător de altfel, a demonstrat că este importantă 4 Neuroștiințe, ID mărimea leziunii – cu cât tai mai mult, cu atât mai multă funcție este pierdută. Gustav Fritsch (1838-1927) și Eduard Hitzig (1838-1907) au lucrat pe cortexul frontal al câinelui și au demonstrat că acesta este clar implicat în transmiterea comenzii motrice, deoarece lezionarea lui a rezultat în mișcări necorespunzătoare ale animalului, în timp ce era păstrată senzația. Evidență empirică pentru localizare funcțională a fost obținută și de la pacienți. Primul pacient celebru al lui Paul Broca (1824-1880) este Monsieur Tan, care avea o afecțiune în producerea limbajului, localizată în lobul temporal, afazia lui Broca. Odată ce l-am menționat pe Broca, trebuie să îl amintim pe Carl Wernicke (1848 – 1904) și afazia lui Wernicke, dată de inabilitatea înțelegerii limbajului. Povestea leziunilor nu poate fi încheiată fără a aminti și lobotomiile infame efectuate pe pacienți umani la începutul secolului trecut. Studii anatomice – Focus pe neuron Pentru a face studii anatomice și a studia neuronul cu o metodologie adecvată, a fost necesar să fie trecute o serie de neajunsuri structurale: Mărimea celulelor: pentru că neuronii sunt minusculi (aproximativ 0.02 mm diametru), a fost necesară magnificarea celulelor pentru a fi observate. Acest neajuns a fost rezolvat prin inventarea microscopului. Textura creierului: creierul „locuiește” suspendat într-un mediu lichid (lichidul cefalorahidian), iar textura lui în stare naturală este foarte delicată, ca și pasta de dinți. Acest neajuns structural a fost abordat prin întărirea creierului, ca urmare a înmuierii prelungite în formaldehidă. Lipsa pigmentării: pentru că în stare naturală creierul nu are nici o culoare clară, este necesară colorarea lui. Acest neajuns structural a dus la stabilirea disciplinei histologice (de exemplu, colorarea Nissl, Golgi, sau Cajal). Proprietăți electrice și chimice ale neuronului În aceeași perioadă în care Benjamin Franklin își expunea teza electricității (1751), progrese importante au fost făcute în ceea ce privește proprietățile electrice ale neuronului. Astfel, Luigi Galvani (1737-1798) și Emil du Bois-Reymond (1818-1896) au dezvoltat și utilizat galvanometrul pentru a măsura mișcarea potențialului electric în mușchi. Tot în domeniul motric a activat și Charles Sherrington (1857-1952), cu muncă foarte elegantă pe partea reflexelor. Sherrington este, de altfel, cel care a denumit sinapsa. Julius Bernstein (1839-1917) a măsurat viteza de conducere de-a lungul axonului și a introdus potențialul de acțiune, cu 5 Neuroștiințe, ID munca asupra potențialului de acțiune și a permeabilității membranei neuronale continuată de Alan Hodgkin (1914-1998) și Andrew Huxley (1917-1912). În ceea ce privește proprietățile chimice ale neuronului, unul din primele și cele mai importante progrese a fost făcut de Otto Loewi (1873-1961) care a lucrat pe inima de broască, descoperind neurotransmițătorul vagusstoff, astăzi numit acetilcolină. Munca lui a fost continuată de Henry Dale (1875-1968) și Julius Axelrod (1912-2004). Cartografierea creierului și Neurochirurgia funcțională Pionierii cartografi sunt Korbinian Broadmann (1868 – 1916) și Wilder Penfield (1891-1976). Broadman a împărțit creierul în zone funcționale pe baza tipului de celulă nervoasă predominant prezentă într-o anumită regiune, metodă cunoscută sub numele de citoarhitectonică. Zonele lui Broadmann sunt intens folosite și în ziua de astăzi, mai ales în domeniul rezonanței magnetice nucleare. Penfield este cel mai cunoscut pentru „micul om”, homunculus, localizarea funcțională a cortexului somatosenzorial (Penfield & Boldrey, 1937; Penfield & Jasper, 1954). De asemenea, Penfield a utilizat neurochirurgia funcțională împreună cu stimularea electrică de intensitate scăzută pe pacienții cu epilepsie treji, a căror afecțiune nu putea fi localizată. În tema Introducerii în neuropsihologie am prezentat câteva dezvoltări istorice cruciale pentru disciplină, punctând tehnologia timpului ca motor al dezvoltării neuroștiințelor. Deși multe dintre metodele inițiale au decăzut, citoarhitectonica lui Broadmann și cartografierea motrică și senzorială a lui Penfield sunt încă folosite și în zilele noastre. 6 Neuroștiințe, ID AI2: NEUROANATOMIE CELULARĂ NEURONUL Neuronul este celula nervoasă de bază; vezi Figura 1. Axonul este întâlnit doar la neuroni și este foarte specializat pentru transmiterea informației. Poate avea ramuri colaterale și se termină în câteva terminații (ca niște butoni terminali) care fac sinapsă cu alți neuroni. Dendritele sunt cele care primesc în transmisia sinaptică, sunt ramificate și acoperite de receptori, molecule care detectează și atrag neurotransmițătorii. Transmisia sinaptică se realizează în fanta sinaptică cu eliberare de neurotransmițători. GLIA Celulele gliale sunt parte a sistemului nervos. Astrocitele sunt celule gliale cu o formă stelată, găsite de obicei în jurul sinapselor, a nodurilor Ranvier. Ele contribuie la bariera creier-sânge. Printre rolurile lor clasice se numără absorbția și inactivarea neurotransmițătorilor, precum și detoxifierea/curățarea sistemului nervos. Glia mielinizantă, formată din celule oligodendrogliale în sistemul nervos central (SNC) și celule Schwann în sistemul nervos periferic (SNP). Aceastea au rolul de a izola axonii, prin crearea tecii de mielină. Mielina mărește viteza cu care semnalele călătoresc de-a lungul axonului. Figura 1. Exemplu al unui neuron, cu diferitele părți constituente. Figură adaptată după Ward, 2015. 7 Neuroștiințe, ID CUM COMUNICĂ NEURONII ? Câteva noțiuni de bază Neuronii conduc informația nervoasă prin semnale electrice care călătoresc de-a lungul axonului. Informația este codată în frecvența potențialelor de acțiune si distribuția și numărul de neuroni activi. Potențialele de acțiune au loc la nivelul membranei celulare. Spunem că aceasta se află în repaus atunci când nu generează un potențial de acțiune. Starea de repaus a membranei este crucială în pregătirea pentru potențialul de acțiune. Sarcina electrică care se deplasează de-a lungul axonului este purtată de ioni, atomi încărcați electric (pozitivi sau negativi, de exemplu Na+ = ion de sodiu încărcat pozitiv). Sarcina electrică este influențată de diferența dintre numărul de protoni și electroni. Din punct de vedere chimic, citoplasma și lichidul extracelular conțin o combinație de apă și ioni, membrana celulară este un strat dublu lipidic, iar proteinele, pot fi considerate ca și pompe ionice. Avem două forțe active la nivel celular: Forța de difuzie sau transport pasiv: ionii vor să se extindă, deci trec de la o concentrație crescută la o concentrație scăzută. Forța electrostatică: ionii sunt particule încărcate și astfel sunt natural atrași de medii Potențial de m em brană de repaus cu sarcini opuse. Ca o petrecere Este asta cum este el fără alcool Exemplu al potențialului deNeuroștiințe, Figura 2.05/10/2021 membrană în repaus, Psihologie IF an III cu distribuția ionilor diferită 23 înăuntrul și în afara celulei. Figură preluată din Bear et al., 2007. Potențialul de membrană în repaus Este tensiunea de-a lungul membranei neuronale în repaus (de exemplu, atunci când forțele s- au echilibrat reciproc și nu există o mișcare netă a ionilor). Aceasta poate fi măsurată prin introducerea unui microelectrod foarte fin în membrană, este negativă, de obicei în jurul valorii 8 Neuroștiințe, ID de -65 mV. Potențialul de membrană în repaus poate fi descris ca o dinamică între doi actori/ioni principali: Na+ și K+; vezi Figura 2. Aceasta înseamnă ca Na+ se grăbește să intre în celulă ori de câte ori prinde ocazia, iar K+ „picură” măsurat din celulă. Potențialul de acțiune Membrana celulară în repaus este încărcată (-65mV). Pentru a comunica, trebuie schimbat potențialul membranei. Fluxul de ioni care trece peste membrană determină o schimbare temporară a potențialului membranei, iar mișcarea sarcinii (adică ionii) determină semnalul. Putem vizualiza potențialul de acțiune ca pe o undă de sarcină modificată care „curge” de-a lungul axonului. Vezi Figura 3. Figura 3. Exemplu de generare și înregistrare a unui potențial de acțiune, de-a lungul membranei axonale. Figură preluată din Pinel, 2001. Pentru a genera un potențial de acțiune, un stimul trebuie să ajungă la membrana celulară. Odată ajuns, se deschid canale permeabile Na+, iar Na+ intră în celulă. Rezultatul direct este depolarizarea membranei (membrana devine mai puțin negativă). Odată ce este atins un anumit prag, potențialul de acțiune este generat. Gândiți-vă la potențialul de acțiune ca la un proces „totul sau nimic”, ca și cum ai aprinde o artificie – Odată ce aceasta a început să arunce scântei, nu mai este cale de întoarcere, arde până la capăt. Același principiu se aplică și în cazul potențialului de acțiune, odată pragul atins și potențialul generat, acesta călătorește de-a lungul celulei nervoase cu următorii pași: Potențial membrană în repaus 9 Neuroștiințe, ID Fază de urcare Overshoot (depășirea negativității, pentru un scurt timp, potențialul devine pozitiv) Faza de coborâre Undershoot (depășirea, în negativitate, a punctului de plecare). Strâns legate de generarea potențialelor de acțiune sunt procesele de depolarizare și repolarizare. Depolarizarea celulei în timpul potențialului de acțiune este cauzată de influxul ionilor de sodiu din membrană. Repolarizarea celulei este cauzată de ‘scurgerea în afară’ a ionilor de potasiu. Multe potențiale de acțiune pot fi create succesiv. Rata generării potențialului de acțiune (frecvența apariției) este oglindită în magnitudinea curentului de depolarizare. Frecvența potențialelor de acțiune este determinată de intensitatea stimulului primit, frecvența maximă fiind aproximativ 1000Hz. Putem genera potențiale de acțiune: Pe cale artificială – folosim un microelectrod pentru a ‘injecta’ curent într-un neuron; potențialul generat poate fi și măsurat cu un alt electrod care înregistrează, conectat la un amplificator și împământat. Pe cale naturală, cum se întâmplă de fapt – informația de la neuronii presinaptici schimbă potențialul de membrană al celulei postsinaptice. Un potențial de acțiune durează aproximativ 2 milisecunde. Acesta se propagă de-a lungul axonului până la butonii terminali, cu o viteză tipică de conducere de 10 m/s. Se poate deplasa într-o singură direcție (ortodromic), sau se poate propaga înapoi (antidromic, experimental). Mielina asigură insulația care facilitează trecerea curentului electric, transmisia în salturi. Sinapsa și Transmisia sinaptică Sinapsele sunt locuri specializate de contact între doi neuroni. Acestea pot fi: Sinapse electrice, rapide și fiabile, bidirecționale, cu rolul de a sincroniza activitatea neuronală. Celulele sunt “cuplate electric”, iar trecerea ionilor de la citoplasmă la citoplasmă dă naștere potențialului postsinaptic. Sinapse chimice, care apar la fantele sinaptice. Sunt cele mai comune tipuri de sinapsă din sistemul nervos central (SNC). Membranele pre- și postsinaptice au proteine care facilitează eliberarea (zonele active) și primirea (densitățile postsinaptice) neurotransmițătorilor. o Sinapsele chimice sunt de mai multe tipuri: ▪ Axodendritice – axon către dendrită 10 Neuroștiințe, ID ▪ Axosomatice – axon către corpul celulei ▪ Axoaxonice – axon către axon ▪ Dendrodendritice – dendrite către dendrite ▪ Joncțiuni neuromusculare: locuri specializate pentru sinapsele chimice din afara SNC. Axonii neuronilor motrici ai măduvei spinării sinapsează pe mușchii scheletici. Neurotransmițători Există trei categorii chimice clasice de neurotransmițători: Aminoacizi (acidul gamma-aminobutiric, GABA; glutamat; glicină) Amine (acetilcolină; dopamină; epinefrină; histamină; norepinefrină; serotonină) Peptide (colecistochinină; dinorfină; enkefalină; neropeptidul Y; substanța P (pain, durere); somatostatină; peptidul vasoactiv intestinal, VIP) Lipirea neurotransmițătorilor e ca inserția unei chei într-un lacăt. Această ‘lipire’ modifică conformația proteinelor neuronului receptor, schimbându-i astfel funcția. Sunt două tipuri principale de receptori (receptorii sunt întotdeauna localizați pe neuronal postsinaptic): canale de ioni cu transmițător și receptorii cuplați cu proteine G. În această temă: Am introdus neuronul cu părțile componente. Am exemplificat procesul care contribuie la comunicarea neuronilor între ei, transmisia sinaptică. Am clasificat substanțele chimice care fac posibilă comunicarea, neurotransmițătorii. În capitolul următor începem explorarea organizării structurale a creierului, pregătind terenul pentru funcție, acoperită în temele următoare. 11 Neuroștiințe, ID AI3: NEUROANATOMIE STRUCTURALĂ SISTEMUL NERVOS – REFERINȚE POZIȚIONALE DE BAZĂ Toate informațiile și terminologia din această temă sunt necesare pentru procesul de învățare ale temelor viitoare. De aceea, recomand cât mai multe exerciții individuale, împreună și cu atlasele și link-urile online pentru exerciții și vizualizarea creierului; vezi fișa disciplinei. Pentru examen trebuie să fiți pregătiți să recunoașteți vizual aceste structuri de bază ale creierului, să le vizualizați în spațiu (deci cât mai multe exerciții ajută!), precum și să faceți, cu ușurință, legături între ele. Imaginați-vă o linie trasată de-a lungul sistemului nervos, extinzându-se de la partea cea mai de jos a măduvei spinării, până la partea cea mai de sus a creierului. Aceasta este neuroaxa, o axă imaginară care ne permite să delimităm referințele poziționale de bază ale sistemului nervos; vezi Figura 4. Figura 4. stânga – Neuroaxa exemplificată pentru sistemul nervos central, cu creierul și măduva spinării. Figură adaptată după Purves, 2004; dreapta – Planuri de feliere pentru creier și măduva spinării. Figură adaptată după Pinel, 2001. Important de reținut și de acomodat cu vederea a câtor mai multe „felii” ale creierului sunt planurile de feliere. Mai exact, atunci când învațăm creierul, îi putem vedea structurile pe „felii’ orizontale (axiale, transversale), frontale (coronale), sau sagitale (longitudinale); vezi Figura 4. Dacă ne uităm la două structuri ale creierului care se găsesc pe în aceeași emisferă, spunem că sunt ipsilaterale; atunci când ele sunt în emisfere diferite, sunt contralaterale. DIVIZIUNI ALE SISTEMULUI NERVOS 12 Neuroștiințe, ID Sistemul nervos este împărțit în sistemul nervos central (SNC) și sistemul nervos periferic (SNP). SNC include creierul și măduva spinării, structuri protejate de os. În această temă ne concentrăm pe creier, revenim la măduva spinării atunci când studiem motricitatea. Cu toate că nu avem o temă rezervată pentru SNP, ne referim la el de câte ori este necesar pe parcursul întregului curs. SNP este format din sistemul nervos somatic și sistemul nervos autonom. Sistemul somatic are rolul de a asigura controlul voluntar al nervilor spinali care inervează pielea, articulațiile și mușchii. Astfel, cu referire la sistemul somatic, vorbim despre nervi eferenți, care merg către periferie, ventral, precum și despre nervi aferenți, care transportă informația senzorială către creier, dorsal. Sistemul nervos autonom (visceral) asigură controlul automatic al organelor, vaselor sanguine și al glandelor. Și sistemul nervos autonom cuprinde nervi aferenți si eferenți (cunoscuți sub numele de sistemul nervos simpatic și sistemul nervos parasimpatic). Vezi Figura 5 pentru diviziuni. Sistemul nervos Sistemul nervos Sistemul nervos central periferic Creier Sistemul nervos Sistemul nervos Măduva spinării somatic autonom Nervi Nervi Nervi Nervi aferenți eferenți aferenți eferenți Sistemul nervos Sistemul nervos simpatic parasimpatic Figura 5. Diviziuni ale sistemului nervos. CREIERUL Diviziuni poziționale: creier posterior, creier mijlociu, & creier anterior Creierul anterior (prozencefalul) este sediul conștiinței, senzației și percepției. El este format din telencefal și diencefal. Telencefalul cuprinde cele două emisfere cerebrale, unde găsim: Cortexul, format din materia cenușie din corpurile celulelor nervoase, organizată ca o „pătură ridată” în gyri și sulci. Gyrii sunt ca niște ridicături, iar sulcii (sau scizurile, fisurile) sunt șanțurile care le delimitează. Tot aici găsim si substanța albă, formată din 13 Neuroștiințe, ID axonii celulelor nervoase: substanța albă corticală (axoni care merg de la și către neuroni în cortex), corpul calos (substanța albă care unește cele două emisfere), precum și capsula internă (substanța albă care unește cortexul cu trunchiul cerebral). Cei patru lobi: frontal (implicat în planificarea și controlul activității motrice, memorie, inhibiție, comportament social complex), parietal (senzorimotor, percepția spațiului, atenție), temporal (procesarea limbajului, memorie, recunoașterea obiectelor, emoție) și occipital (procesarea informației vizuale), împreună cu fisurile foarte importante care le divizează lobii: longitudinală, laterală (Sylviană), centrală. Ganglionii bazali (inițierea mișcării și menținerea tonusului muscular), incluzând nucleul caudat, putamen, globul palid. Nucleul caudat formează o structură striată împreună cu putamenul, striatum. De asemenea, putamenul și globul palid formează nucleul lentiform. Sistemul limbic, format din structuri care încercuiesc atât ganglionii bazali, cât și thalamus din diencefal: amygdala (implicată în emoție, învățare afectivă), hippocampus (memorie), fornix, corpuri mamilare (memorie), precum și cortexul limbic. Diencefalul este „creierul dinăuntru”, unde găsim: Thalamus-ul, o structură ovoidală, care acționează ca o poartă internă/releu pentru informația senzorială și motricitate; asigură legătura, prin capsula internă, către cortex. Hypothalamus-ul, un cluster de nuclei cruciali pentru controlul sistemelor autonom și endocrin; glanda hipofiză pentru eliberarea hormonilor. Efectuează toate acele funcții primitive, cum e de exemplu, „fight or flight”. Creierul mijlociu (mezencefalul) face conexiunea între măduva spinării și creierul anterior și este important pentru senzație și control motric. El este format din tectum (deasupra, acoperiș), incluzând coliculul superior (esențial pentru văz) și coliculul inferior (auz) și tegmentum (dedesubt, podea), incluzând structuri esențiale pentru controlul motric, de exemplu, nucleul roșu, substanța neagră. Creierul posterior (rombencefalul) este format din: Cerebellum, creierul mic, cu funcție de control motric, timing, printre altele Puntea transmite informația de la cortexul cerebral la cerebel Bulbul rahidian (medulla oblongata) efectuează funcțiile de bază, vegetative, care susțin viața. Două emisfere și conexiunile dintre ele 14 Neuroștiințe, ID Cele două emisfere comunică printr-o serie de comisuri, fiind vizibile în tăieturi sagitale ale creierului: Comisura anterioară Comisura posterioară Corpul calos Nervi cranieni Cum se poate observa în Figura 6, creierul uman dispune de 12 nervi cranieni, specializați pentru funcții specifice. Îi vom aborda pe măsură ce studiem funcțiile de interes, în temele viitoare. Figura 6. Nervii cranieni; figură preluată din Pinel, 2001. Teritoriu vascular Cel puțin câteva noțiuni vis-a-vis de sistemul circulator al creierului sunt necesare pentru înțelegerea facilă a temelor viitoare. Vizibile pe partea ventrală a creierului, sunt arterele care intră în creier: două artere vertebrale, prin partea posterioară a creierului și două artere carotide interne, prin partea anterioară a creierului. Acestea se întâlnesc în artera basilară. Importante pentru teritoriul vascular, pe care îl definesc și îl irigă, sunt arterele care se deprind de aici: arterele anterioare cerebrale, arterele cerebrale din mijloc și arterele cerebrale posterioare. 15 Neuroștiințe, ID CUM ESTE ASIGURATĂ PROTECȚIA SISTEMULUI NERVOS ? Există patru moduri în care este asigurată protecția creierului: Os Meningele protejează SNC de os. Este format din trei membrane: o Dura mater, membrana dură, sau „mamă dură”, un înveliș de piele exterior. o Arachnoid mater, memebrana arahnoidă, care este ca o pânză de păianjen; aceasta include și spațiul sub-arachnoid. o Pia mater, membrană primă, sau „mamă blândă”. Aceasta este o membrană subțire strâns lipită de suprafața creierului, separată de membrana arahnoidă printr-un spațiu lichid de lichid cefalorahidian. Sistem ventricular o Lichidul cefalorahidian o 2 ventricole laterale o Ventricolul 3 & 4 o Apeductul cerebral Bariera sânge-creier, demonstrată prin experimente făcute în secolul trecut de Edwin Goldmann (1862-1913), Paul Ehrlich (1854-1915): o separare între lichidul cefalorahidian din creier și vasculatura din restul corpului. Cu această temă am acoperit structural creierul uman: am introdus componentele sistemului nervos, am localizat și descris diviziunile principale ale creierului, am identificat nervii cranieni și am introdus conceptul de teritoriul vascular, precum am descris și felul în care este protejat creierul. Începem acum studiul metodelor neuroștiințifice cu metodologia științifică, prin introducerea analizei leziunilor reale și virtuale. 16 Neuroștiințe, ID AI4: METODE NEUROȘTIINȚIFICE I DE LA COMPORTAMENT LA CREIER Revenind la definiția disciplinei neuroștiințifică/neuropsihologică, aceasta este axată pe relația dintre comportamentul observat și activitatea din creier. Această relație poate fi descrisă la mai multe nivele de o complexitate și întindere temporală/spațială diferită. Este crucial ca nivelul de explicație să fie ales în funcție de întrebarea experimentală. Astfel, oricare ar fi întrebarea experimentală supusă studiului, avem câteva principii comune ale metodei științifice, pe care neuropsihologii experimentali le respectă: obiectivitate, o metodă empirică, replicabilitate, una/mai multe condiții de control pentru studiul efectuat, precum și considerarea oricăror variabile parazite care ar putea interfera cu rezultatele. Cercetarea neuropsihologică pornește cu o predicție, o ipoteză care este oglindită în literatură. Cercetătorii definesc variabilele de interes pe care le manipulează (variabile independente) și cele pe care le măsoară (variabilele dependente). Din acest capitol, trebuie reținut că cea mai bună metodologie pentru a explora o anumită întrebare experimentală este de cele mai multe ori o metodologie/abordare multidisciplinară. LEZIUNI – STUDIUL CREIERULUI CARE A SUFERIT DISTRUGERE Pentru a studia creierul care a suferit distrugere/deteriorare, clasificăm principalele cauze ale apariției leziunilor creierului: Tumorile cerebrale reprezintă o grupare de țesut nou (neoplasm) și anormal care nu ajută din punct de vedere fiziologic țesutul adiacent. Tumorile pot fi clasificate în funcție de tipul de celulă din care se dezvoltă, de timpul lor de creștere, de tipul de creștere (încapsulate vs. infiltrate în țesut sănătos), precum și în funcție de recidivă: benigne, care tind să nu mai recidiveze si maligne, care de obicei recidivează. Tumorile cerebrale sunt de 4 tipuri: o Tumorile din celule gliale (gliom) sunt cele mai comune tumori. Astrocitomul are o creștere moderată în timp, tinde să fie încapsulat și este rar malign. Glioblastomul este foarte malign, cu o creștere foarte rapidă. De obicei tinde să se infiltreze în țesutul sănătos și depinde foarte mult de locație (de exemplu, pacienții cu medulloblastom, care crește în preajma centrilor vitali din bulbul rahidian, au o prognoză foarte scăzută de supraviețuire). 17 Neuroștiințe, ID o Tumori din meninge (meningiom) cresc încapsulate și rămân atașate de meninge, în afara sistemului nervos central. Acestea sunt de obicei benigne, cea mai mare problemă cu ele fiind presiunea intra-craniană pe care o exercită. o Tumori din țesut nervos o Tumori metastatice sau tumori secundare, care se formează din țesut tumoral care migrează, de obicei din afara SNC (de exemplu, din plămân, sau din uter); pot fi simple sau multiple. Este important de reținut că pentru toate tipurile de tumori vom observa la un moment dat un efect la nivel comportamental. Tulburările cerebrovasculare sunt considerate cea mai importantă cauză de deteriorare neurologică și se definesc prin întreruperea aportului de sânge la creier. VIP-ul tulburărilor cerebrovasculare este accidentul vascular cerebral (AVC) – acesta poate fi provocat de o întrerupere bruscă a aportului de sânge la creier, sau de o întrerupere graduală, pe parcursul mai multor ani chiar. AVC rezultă în ischemie cerebrală, lipsa aportului de sânge la creier; când aceasta este severă și de lungă durată, vorbim de un infarct. Rănirea/lezionarea capului (în engleză, traumatic brain injury) afectează mai mult populația tânără și de asemenea, mai mult populația masculină, decât cea feminină. Dacă acestea apar la populația adultă, tind să aibă consecințe mai severe decât la tineri. Consecințele sunt reprezentate de tulburări cognitive. Rănirea capului poate fi deschisă sau închisă. Deși contra-intuitiv, rana închisă este mai periculoasă decât rana deschisă (de altfel și operația pe creier este o deschizătură!). Foarte des o rană închisă implică pierderea conștiinței. Rana închisă mai este descrisă prin intermediul termenilor coup vs. contre-coup: Deoarece creierul plutește înăuntrul meningelui în lichid cefalorahidian, o lovitură foarte puternică într-o parte a creierului va determina împingerea cu putere a creierului în peretele opus. Citiți în manualul vostru povestea pacientului celebru Phineas Gage, care a suferit o rană severă, dar deschisă. Infecțiile cerebrale sunt determinate de bacterii, viruși, diverși paraziți, din afara SNC. În funcție de proveniență, tratamentul poate ajuta sau nu: De exemplu, meningita, o boală caracterizată prin febră crescută, durere intensă de cap, gât rigid, are șanse de vindecare cu tratament antibiotic, atunci când cauza este bacteriană, pe când meningita virală este mult mai greu de tratat. 18 Neuroștiințe, ID Neurotoxinele pot fi găsite în solvenți, pesticide, metale grele, combustibili, printre altele. În cazul lor, dozajul contează, sau la cât de mult ai fost expus. De exemplu, pălărierii englezi din secolul XVIII obișnuiau să folosească mercur la confecționarea pălăriilor. Credința vremii era că acest obicei îi otrăvește pe pălărieri. Astfel, un pălărier faimos care ilustrează această realitate și pe care cel mai probabil îl cunoașteți cu toții este Pălărierul nebun (The Mad Hatter din Alice în țara minunilor, Lewis Carroll). LEZIUNI VIRTUALE PRIN STIMULAREA CREIERULUI & CUM PUTEM ÎMBUNĂTĂȚI FUNCȚIA PSIHICĂ În scop de cercetare, putem provoca leziuni de o durată foarte scurtă care sunt numite leziuni virtuale, prin intermediul metodei stimulării magnetice transcraniene (TMS). Această este o metodă neinvazivă care presupune introducerea unor câmpuri electromagnetice în creier cu ajutorul unei bobine electromagnetice în formă de opt, cu scopul de a modula activitatea electrică deja-existentă în creier. În funcție de întrebarea experimentală, TMS-ul poate fi folosit cu o stimulare unică (de exemplu, un puls per trial), sau repetată (un grup de pulsuri distribuite de-a lungul unui trial sau al unui bloc de trials experimentale). Pentru fiecare participant, înainte de experiment, trebuie stabilită o limită motrică: Aceasta este dată de intensitatea unui stimul de intensitate minimă care produce un potențial motric evocat. Cel mai des aceasta înseamnă căutarea cortexului motric (anterior sulcusului central), și aplicarea, conform distribuției homunculus-ului motor, a unui puls TMS pe cortexul care corespunde degetului arătător. Intensitatea TMS care produce un potențial evocat este diferită de la un participant la altul. Ca și condiții de control în experimentele TMS se folosesc condiții fără TMS, sau condiții sham TMS (bobina este aplicată pe o altă regiune, care nu are legătură cu funcția studiată, sau pur și simplu, deși ținută în același loc spațial, este întoarsă invers, astfel că zgomotul stimulării este auzit, dar stimularea electromagnetică nu este transmisă în creier). TMS este o metodă intens folosită împreună cu alte metode, mai ales metoda comportamentală și/sau imagistica cerebrală. În funcție de unde este aplicat, putem avea diferite efecte direct observabile: tresărirea mușchilor peste cortexul motric, apariția și vederea unor fosfene peste cortexul vizual, sau un efect destul de serios de altfel, vorbire neclară, atunci când TMS-ul este aplicat peste centrii vorbirii în lobul temporal. Din metoda TMS-ul s-a dezvoltat o altă metodă, de stimulare transcraniană prin curent continuu (tDCS). Aceasta este un TMS cu alte specificații. Mai exact, tDCS folosește doi electrozi (anod – hiperpolarizare și catod - depolarizare) și presupune o amplitudine scăzută, constantă (1-2mA), pentru o durată mai lungă de timp (5-30 minute). În funcție de scopul 19 Neuroștiințe, ID urmărit, se decide mărimea, forma, sau aranjarea electrozilor, precum și polaritatea, amplitudinea și durata curentului continuu folosit. Stimularea repetată din tDCS este utilizată cu succes în ameliorarea simptomelor depresiei, printre altele. În această primă temă metodologică am subliniat importanța metodei științifice și necesitatea unei abordări multidisciplinare, am descris cauzele potențiale ale leziunilor cerebrale și am exemplificat cum putem da naștere unor leziuni virtuale. Continuăm metodologia neuroștiințifică prin introducerea metodelor VIP: electroencefalografia (EEG) și rezonanța magnetică nucleară (RMN). 20 Neuroștiințe, ID AI5: METODE NEUROȘTIINȚIFICE II ELECTROENCEFALOGRAFIE Electroencefalografia (EEG) a luat naștere la începutul secolului XX, odată cu primele experimente ale lui Hans Berger; acesta a măsurat activitatea neuronală, remarcând activitatea electrică prin aplicarea unui singur electrod pe scalp. Odată ce am considerat metodologia invazivă a înregistrării intra-celulare, împreună cu potențialul de membrană în repaus și generarea potențialului de acțiune, pentru înțelegerea EEG-ului vom avea nevoie de aceste principii bine înțelese, pentru a le folosi/aplica unor grupuri de neuroni. Astfel, electroencefalografia poate fi definită ca o metodă care înregistrează semnalele electrice din creier, prin intermediul unor electrozi poziționați pe scalp. Mai exact, participanții poartă o cască cu electrozi așezați în conformitate cu standarde acceptate în comunitatea științifică, cum ar fi, de exemplu, sistemul 10-20. Acesta ia referințele fiziologice ale craniului uman (inion și nasion, precum și cei doi mastoizi), pentru a poziționa casca EEG, astfel încât, chiar dacă participanții într-un experiment au măsura circumferinței capului diferită, electrozii sunt așezați în aceeași locație pentru toți participanții. Denumirea electrozilor este în funcție de cei patru lobi cerebrali, iar numerotarea lor urmărește convenția de numere impare pentru emisfera stângă și numere pare pentru emisfera dreaptă. Căștile pot utiliza electrozi pasivi (Ag/AgCl) sau electrozi activi, care au circuite integrate pentru a minimiza impedanța. În funcție de tipul de electrozi, atașarea tuturor electrozilor dintr-o cască pe scalp și obținerea unui semnal EEG poate dura de la câteva minute (cu electrozii de ultima generație) sau câteva ore (cu electrozii pasivi)! Semnalul înregistrat de la electrozii poziționați pe scalp trece printr-un amplificator de semnal și poate fi vizualizat pe computerul experimental. Odată ce am atașat electrozii, ne asigurăm că semnalul pe care îl primim este de calitate optimă. Pentru fiecare electrod atașat, citim, pentru întreaga durată a înregistrării, o linie de semnal care arată ca o „mâzgălitură”, vezi Figura 7. Pe parcursul înregistrării trebuie să urmărim semnalul pentru orice fel de artefacte care l-ar face nefolositor: De exemplu, le spunem participanților să nu miște capul/corpul, să nu miște ochii și să nu clipească, să nu mestece, etc, deoarece mișcarea are ca rezultat o deteriorare accentuată a semnalului EEG, ducând la imposibilitatea folosirii datelor înregistrate. 21 Neuroștiințe, ID Figura 7. Un exemplu de înregistrare EEG și pre-procesare a datelor; figură adaptată după Luck, 2005. Folosind EEG-ul, putem ușor distinge între un om sănătos și o patologie serioasă. De altfel EEG este folosit pentru a diagnostica epilepsia, dar și coma, sau moartea cerebrală. EEG-ul ne permite să distingem între un om sănătos implicat în activitate intelectuală și diverse alte stări mentale (de exemplu, un om somnoros sau un om relaxat). Diverse frecvențe pot fi măsurate în creierul uman, în funcție de sarcina cognitivă efectuată, sau lipsa unei astfel de sarcini. În cadru experimental, cel mai adesea măsurăm potențiale în răspuns la un eveniment de interes. Pentru aceasta, prezentăm evenimentul pe parcursul mai multor trials (de exemplu, un sunet de frecvență înaltă vs. un sunet de frecvență joasă) și înregistrăm EEG-ul. Când procesăm datele colectate, eliminăm artefactele și aliniem datele colectate în trials individuale întotdeauna la timpul 0 al stimulării. Astfel, atunci când descriem un răspuns al creierului la un stimul de interes, întotdeauna îl caracterizăm în funcție de polaritate (negativ vs. pozitiv) și timp de apariție (in milisecunde, de la timpul 0 al stimulării, de exemplu, pentru a folosi exemplul de mai sus, timpul la care a fost prezentat sunetul cu frecvență joasă/înaltă în experimentul ipotetic de mai sus). Aceste potențiale de răspuns la un eveniment de interes, sau potențiale evocate (Event-Related Potentials în engleză, ERPs) pot fi împărțite în două mari categorii: potențiale exogene (care apar devreme pe EEG și reflectă caracteristicile perceptuale ale stimulului; de exemplu, N1 vizual, sau N140 pentru procesarea stimulilor tactili, sau N170 care apare în legătură cu fețele umane) și potențiale endogene (care apar mai târziu după livrarea stimului de interes și sunt legate de funcțiile înalte; de exemplu, LPP, late positive potential, care reflectă procesarea informației afective conținute într-un stimul prezentat). Cu toate că atunci când măsurăm EEG-ul nu cunoaștem sursa spațială exactă a semnalului, avantajul de necontestat al EEG-ului este rezoluția temporală excelentă. În funcție de rata de 22 Neuroștiințe, ID eșantionare a înregistrării EEG, putem să monitorizăm, ne-invaziv, funcția psihică de care suntem interesați până la una/câteva milisecunde. IMAGISTICĂ O altă metodă neuroștiințifică importantă este imagistica cerebrală, așa cum aceasta rezultă din rezonanța magnetică nucleară, RMN. Aceasta poate fi imagistică structurală, folosită de obicei pentru diagnostic (prin hărți statice ale creierului cu o rezoluție foarte înaltă), sau imagistică funcțională, folosită adeseori în cadru experimental (prin hărți dinamice ale creierului, cu o rezoluție moderată). Imagistica structurală este bazată pe faptul că variatele tipuri de țesut din creier (craniu, materie cenușie, materie albă, lichid cefalorahidian) au proprietăți fizice diferite. Astfel, așa cum poate fi văzut în Figura 8, diverse metode de imagistică prezintă imagini diferite ale creierului. CT T1 T2 Figura 8. Exemple de imagistică cerebrală; figură adaptatăfMRI fMRI după Huettel et al., 2008. RMN-ul presupune ‚intrarea’ în câmpul magnetic al unui mare magnet, scanner-ul RMN. Puterea scanner-ului este dată de puterea câmpului magnetic, cele folosite pentru diagnostic/cercetare umană sunt de obicei de 1.5 T sau 3 T, cu toate că recent imagistica umană de mare precizie este făcută și în scannere de 7 T. Câmpul magnetic al scannerului este extrem de puternic, reguli foarte precise de precauție existând pentru orice apropiere/interacțiune în camera magnetului. De obicei, nu este permisă intrarea cu obiecte metalice, nu este permisă intrarea persoanelor cu diferite implanturi (e.g., stimulatoare cardiace), cerneala din tatuaje tinde să se supra-încălzească, la fel ca și diferite substanțe prezente în machiaj. Orice pacient/participant într-un experiment RMN are nevoie de avizul unui medic specializat pentru participare. Metoda RMN-ului și a RMN-ului funcțional presupune prelucrarea foarte minuțioasă a unor imagini foarte detaliate ale creierului. Mai exact, cum măsurăm RMN-ul? Avem nevoie de câteva noțiuni de bază pentru a descrie, foarte succint, măsurarea RMN-ului. 23 Neuroștiințe, ID Prima noțiune este cea de proton – Apa (H2O) se găsește din abundență în corpul uman, iar protonii sunt nucleii de hidrogen din apă; aceștia au câmpuri magnetice foarte slabe. De altfel, un proton este foarte similar unui magnet (gândiți-vă la magneții de pe frigider), ambii au momentum angular și magnetic. Precesie – mișcarea giroscopică a unui obiect care se rotește, unde axa de rotire se rotește în jurul unei axe centrale, așa cum se întâmplă în cazul unui titirez. De exemplu, mișcarea unui proton care se rotește într-un câmp magnetic este foarte similară cu mișcarea unui titirez în câmpul gravitațional al Pământului, se clatină în jurul unei axe verticale. Altfel spus, atunci când introducem un proton într-un câmp magnetic, acesta se aliniază câmpului. Când introducem corpul uman în scanner, protonii din corp – care sunt orientați la nimereală, dezordonat, se aliniază paralel/anti-paralel câmpului magnetic principal al scannerului, numit câmp magnetic static. Pentru a măsura, trimitem gradiente magnetice. Aceste gradiente sunt unde radio sau pulsuri de excitare la 90°. Undele radio schimbă alinierea protonilor la 90°, ceea ce permite măsurarea semnalului de rezonanță magnetică. Altfel spus, atunci când introducem participantul în câmpul magnetic al scannerului, acest stadiu se numește magnetizare longitudinală. Odată ce unda radio de excitare este trimisă, magnetizarea longitudinală se întoarce la valoarea zero. Cu timpul, magnetizarea longitudinală revine la valoarea inițială, iar timpul pe care aceasta îl ia pentru a reveni la valoarea maximă de la care a plecat fiind T1 (în secunde), o constantă de timp care guvernează procesul de revenire. Odată ce magnetizarea longitudinală revine la valoarea maximă inițială, o nouă undă radio (pentru scanarea unei noi „felii” de creier) este trimisă. Desigur, la fel de importantă ca întrebarea cu privire la cum măsurăm RMN-ul, este și întrebarea referitoare la ce măsurăm în RMN și RMN-ul funcțional. Timpul T1 de revenire/relaxare poate fi folosit pentru a distinge între diferite tipuri de țesut. Imaginile T1 arată materia cenușie gri și materia albă; au o rezoluție înaltă și sunt de obicei folosite în imagistica structurală, pentru diagnostic. Odată ce magnetizarea longitudinală atinge valoarea zero, ca urmare a trimiterii undei radio, o altă consecință măsurabilă este decăderea semnalului de rezonanță magnetică, datorită interacțiunii moleculare, la nivel fiziologic. Aceasta se numește magnetizare transversală și este evidentă în timpul T2 (în milisecunde) necesar pentru a reveni la 0; vezi Figura 9. 24 Neuroștiințe, ID Figura 9. Grafice care arată magnetizarea longitudinală (stânga) și magnetizarea transversală (dreapta), în funcție de timp; figură adaptată după Huettel et al., 2008. Magnetizarea transversală stă la baza imaginilor T2* utilizate în RMN-ul funcțional. Semnalul BOLD (blood-oxygen-level-dependent, Ogawa et al., 1990): hemoglobina are proprietăți diferite dacă este sau dacă nu este legată de oxigen: o Oxihemoglobină este diamagnetică; determină repulsie o Deoxihemoglobină este paramagnetică; determină atracție Pentru semnalul BOLD și mai ales în RMN-ul funcțional, ceea ce ne interesează este cantitatea de deoxihemoglobină din sânge. Hemoglobina deoxigenată determină susceptibilitatea magnetică. Când neuronii consumă oxigen (pentru că sunt implicați într-un proces cognitiv), ei transformă oxihemoglobina în deoxihemoglobină. Cu cât este mai multă hemoglobină deoxigenată în sânge, cu atât mai scurt este timpul T2. BOLD-contrast: diferența în semnal RMN pe imaginile T2*, ca funcție a prezenței hemoglobinei deoxigenate – răspunsul hemodinamic (HDR). RMN-ul este foarte susceptibil la diverse distorsiuni care pot afecta semnificativ calitatea semnalului înregistrat. Printre acestea: poluarea termală a semnalului, poluarea sistemului, e.g., scanner drift; mișcare a capului și “zgomot” fiziologic, variabilitate în semnal fără legătură cu sarcina cognitivă și variabilitate comportamentală și cognitivă. Aceste surse de zgomot pot fi rezolvate prin alegerea unui design experimental potrivit, creșterea puterii câmpului magnetic și realizarea de măsurători repetate. Odată ce datele au fost colectate, efectuăm pre-procesarea datelor pentru a reduce variabilitatea neinteresantă din date și pentru a pregăti datele pentru analiza statistică, astfel: inspecție vizuală, corectarea timpului de achiziție a ‘feliilor’: e.g., întretăiată (o felie înregistrată, una nu) vs. achiziția feliilor în ordine crescătoare/descrescătoare, corectarea mișcării capului, corectarea oricăror distorsiuni, co- înregistrarea imaginilor structurale și funcționale, normalizarea în spațiu pentru a corecta 25 Neuroștiințe, ID variații în măsura/forma creierului (e.g., spațiul Talairach sau matrița de creier MNI, Montreal Neurological Institute), aplicarea unui filtru temporal, și/sau a unui filtru spațial, e.g., imagini încețoșate. Avantajul principal al RMN-ului funcțional este rezoluția spațială excelentă, care ne permite să identificăm regiuni milimetrice din creier. Rezoluția spațială este dată de mărimea voxelului: field of view (cum am feliat creierul la achiziție), dimensiunea matricei alese și cât de groasă este stabilită ’felia’ de creier care este înregistrată. Rezoluția temporală a RMN-ului funcțional nu este așa de strălucită. Aceasta este dată de ‘time to repeat’, timpul de repetare, sau la cât timp putem să înregistrăm o nouă ‘felie’ de creier. De obicei, în funcție de tipul design-ului experimental, putem înregistra o nouă felie la o distanță temporală de cel puțin câteva sute de milisecunde. În aceste două teme dedicate metodelor, am introdus metodele VIP ale neuroștiințelor, am subliniat rezoluția temporală a EEG-ului, am explicat ce măsurăm în RMN-ul funcțional și cum măsurăm RMN-ul funcțional, precum am subliniat și rezoluția spațială excelentă a RMN-ului funcțional. Începem studiul modalităților senzoriale cu simțurile chimice, gust și miros, după care continuăm cu cel mai important/folosit simț, văzul. 26 Neuroștiințe, ID AI6: MODALITĂȚI SENZORIALE I Pentru a aborda modalitățile senzoriale, trebuie să știm felul în care creierul trimite semnale, electrice și chimice. Așadar, pentru fiecare dintre simțuri, întrebarea principală la care vom răspunde este: „Cum se transformă energia din mediul înconjurător (de exemplu, lumina, undele sonore) în energie pe care creierul o poate procesa/interpreta?” De asemenea, vom trata și două întrebări adiționale: „Cum călătorește această informație prin corp către regiunea corespunzătoare din creier care o procesează?” „Cum păstrează creierul bogăția informațiilor din mediul înconjurător?” GUST ȘI MIROS Gustul și mirosul formează cel mai vechi și mai comun sistem senzorial, organizat în jurul chemoreceptorilor, aceste celule care sunt sensibile la substanțe chimice, precum gusturi și mirosuri. Acest sistem senzorial este crucial pentru atracția către mâncare și atracția către parteneri, pentru evitarea otrăvurilor și evitarea pericolelor (ide exemplu, diferite substanțe chimice). Așa cum vom vedea mai jos, gustul și mirosul sunt procesate separat, dar sunt aduse împreună în centrii superiori din creier. Gust Gustul este necesar pentru a distinge între alimente și toxine. Distingem între 5 gusturi de bază: Sărat (săruri) Acru (acizi) Dulce (zaharuri și proteine) Amar (ioni, chinină, cofeină, etc) Umami (din japoneză, savuros); s-a crezut pentru ceva timp că este unul și același lucru cu monosodium glutamate, un aditiv alimentar, dar acum știm că acesta îi doar sporește aroma; umami este rezultat din aminoacizi. Gustul amar poate fi detectat în concentrații mult mai mici decât alte gusturi. Acest lucru are un avantaj evident de supraviețuire, deoarece majoritatea otrăvurilor sunt amare. Există o corespondență directă între substanțe chimice și gust: majoritatea acizilor sunt acri, sărurile 27 Neuroștiințe, ID sunt sărate, dar uneori chimia a două substanțe variază substanțial, dar au același gust, de exemplu, cum se întâmplă în cazul fructozei și zaharozei. Gustul nu este același lucru cu aroma. Ați observat deja că mâncarea rece nu este la fel de bună ca atunci când de abia a fost gătită. Aroma (sau savoarea) este o combinație de: Gusturi de bază Mirosuri Textură Temperatură Organe pentru gust, căi ale gustului și mirosului Organele pentru gust: cavitatea nazală, palatul, limba, faringele și epiglota. Desigur, limba este organul central al gustului. În ce privește anatomia de suprafață a limbii, papilele gustative sunt aceste ridicături pe limbă care conțin receptorii de gust. Fiecare papilă gustativă conține 50- 150 de celule receptoare ale gustului, plus celule bazale și axoni gustativi aferenți. Ciclul de viață al celulelor papilelor gustative este de 2 săptămâni. Partea sensibilă din punct de vedere chimic a celulei receptorului gustativ este capătul apical, o regiune mică a membranei, lângă suprafața limbii. Capetele apicale au extensii subțiri numite microvilli care se proiectează în porul gustului, o mică deschidere pe suprafața limbii unde celula gustativă este expusă la substanța chimică pe care am gustat-o. Celulele receptorilor gustativi formează sinapse cu terminațiile axonilor aferenți gustativi în apropierea capătului papilei gustative. Ei fac atât sinapse electrice, cât și chimice pe celulele bazale. Calea centrală a gustului începe de la papilele gustative, este continuată de axonii primari gustativi (prin intermediul nervilor cranieni facial, glosofaringian și vag) către nucleul medial posterior ventral din thalamus (VPM) , un nucleu crucial pentru senzație, care procesează informațiile senzoriale de la cap. Neuronii din VPM trimit axoni către cortexul gustativ primar. Trunchiul cerebral (mai exact, nucleul gustativ din bulbul rahidian) este de asemenea implicat pentru funcții precum înghițirea, salivarea, senzația de înecare, vărsăturile și funcții fiziologice de bază, cum ar fi digestia și respirația. Transducție și codificarea neuronală a gustului Procesul prin care un stimul de mediu (în acest caz un gust chimic) determină un răspuns electric într-o celulă senzorială receptor se numește transducție, „a conduce de cealaltă parte”. Aceasta este schimbarea unui tip de energie (din mediu) într-un alt tip de energie (electrică) pe care creierul îl poate procesa. Vom vorbi despre transducție la fiecare modalitate senzorială. 28 Neuroștiințe, ID Natura mecanismului de transducție determină sensibilitatea specifică a unui sistem senzorial. Vedem cu ochii noștri pentru că au fotoreceptori. Dacă limba noastră ar avea fotoreceptori, am putea spune că vedem cu gura. Codificarea unei populații: răspunsurile unui număr mare de neuroni fără specificitate sunt folosite pentru a determina proprietățile unui anumit stimul. Puteți vedea codificarea populației în Figura 10: fiecare celulă răspunde într-un ritm diferit la gusturi diferite. Atunci când o celulă receptor gustativă este activată de o substanță chimică adecvată, potențialul ei de membrană se modifică, de obicei prin depolarizare. Schimbarea tensiunii se numește potențial de receptor. Dacă potențialul receptorului este depolarizant și suficient de mare, mai multe celule ale receptorilor gustativi, cum ar fi neuronii, declanșează potențialul de acțiune. Figura arată că celulele se depolarizează la mai mult de un singur gust de bază (a) și că fiecare dintre axonii gustativi din (b) este influențat de patru dintre gusturile de bază, dar fiecare are este clar favorizat. Figura 10. Exemplu de codificare a unei populații în gust; figură adaptată după Bear et al., 2007. De reținut este că informațiile despre gust provin din mai mult decât din limbă. Receptorii celulelor gustative din papilele gustative se comportă similar neuronilor. Lipsa selectivității receptorilor celulelor gustative ne permite să codificăm arome infinite. 29 Neuroștiințe, ID Organe pentru miros și calea mirosului Organul principal al mirosului este dat de epiteliul olfactiv, o foaie mică și subțire de celule amplasate înalt în cavitatea nazală. Dimensiunea relativă a epiteliului olfactiv este la om, 10 cm2 vs. câine, 170 cm2 (+ de 100 ori mai mulți receptori pe cm2). Epiteliul olfactiv conține 3 tipuri de celule: Celulele receptorilor olfactivi: neuroni, locul de transducție; ciclul de viață: 4-8 săptămâni. Celulele de susținere: ajutoare, produc mucus și alte lucruri minunate Celulele bazale: sursa de noi celule receptori Odorantele se dizolvă în stratul de mucus și contactează cilii celulelor olfactive. Axonii celulelor olfactive pătrund în placa osoasă cribriformă în drum spre SNC. Bulbul olfactiv se așează pe placa cribriformă, care îl susține; vezi Figura 11. Mucii sunt dezgustători, dar importanți. Ei conțin anticorpi, enzime, proteine de legare a mirosurilor, săruri. Anticorpii sunt critici deoarece celulele olfactive pot fi o cale directă prin care unii viruși și bacterii pătrund în creier, de exemplu encefalita herpetică. Mai mult, odorantele se dizolvă în mucus înainte de a ajunge la celulele receptorilor. Figura 11. Organe pentru miros; figură adaptată după Bear et al., 2007. Axonii olfactivi se unesc și pătrund în folia subțire de os numită placă cribriformă, apoi se deplasează către bulbul olfactiv. Acesta este foarte fragil și poate fi lezat cu ușurință cu o lovitură în cap, care duce la anosmie. Neuronii receptori olfactivi au o singură dendrită subțire 30 Neuroștiințe, ID care se termină cu un mic buton pe suprafața epiteliului. Fluturând de la butonul din stratul de mucus sunt câțiva cili lungi și subțiri. Odorantele dizolvate în mucus se leagă de suprafața cililor și activează transducția. Pe cealaltă parte a receptorului olfactiv se află un axon nemielinizat. Axonii olfactivi formează împreună nervul olfactiv. Trebuie reținut că toate celelalte sisteme senzoriale, în afară de miros, trec mai întâi prin thalamus înainte de a se proiecta în cortexul cerebral. Informațiile obținute prin miros sunt importante din mai multe motive. Receptorii celulelor olfactive din epiteliu sunt neuroni. Ca și în cazul gustului, lipsa selectivității receptorilor celulelor olfactive ne permite să codificăm zeci de mii de mirosuri. 31 Neuroștiințe, ID AI7: MODALITĂȚI SENZORIALE II VĂZ Anatomia sistemului vizual Evoluția capacității de a vedea ne-a oferit noi moduri de a comunica, abilitatea de a prezice traiectoria obiectelor și evenimentelor în timp și spațiu, imagini mentale, abstracțiuni și artă. Vederea este atât de importantă și complicată încât implică aproximativ jumătate din cortex! Lumina este radiația electromagnetică care stimulează celulele fotoreceptoare ale retinei. Lumina are lungimi de undă diferite, iar noi putem vedea doar un mic spectru de energie luminoasă. Ochiul include: Pupila: deschidere care permite intrarea luminii Iris: disc colorat; conține mușchi care variază dimensiunea pupilei Sclera: albul ochiului Corneea: suprafata sticloasa transparenta a ochiului Umoarea apoasă: lichid din spatele corneei care o hrănește Lentila: permite ochiului să focalizeze lumina pe retină Mușchii ciliari: schimbă forma cristalinului Umoarea vitroasă: substanță vâscoasă (jeleu), care se află între cristalin și retină. Menține globul ocular sferic Retina: conține fotoreceptori care transformă lumina în activitate neuronală (transducție) Fovea: centru de înaltă rezoluție al retinei Nervul optic: transportă axonii de la retină Organizare laminară (în straturi) a retinei Primul strat conține fotoreceptorii: o Bastonașele asigură vederea nocturnă și au acuitate scăzută, pentru alb-negru: ▪ Mai ales la periferie ▪ Mai puțină acuitate ▪ Sensibili la lumină, permițând o vedere cu acuitate scăzută în întuneric o Conurile prezintă o acuitate mare, asigurând vederea culorilor ▪ 3 tipuri (rosu, verde, albastru) 32 Neuroștiințe, ID ▪ Responsabili pentru procesarea vizuală cu acuitate ridicată și detectarea culorilor ▪ Fovea are o densitate crescută de conuri, pentru o acuitate vizuală ridicată Al doilea strat conține: o Celule bipolare, care trimit semnal de la fotoreceptori o Celule amacrine și orizontale, care modifică răspunsurile celulelor bipolare și ganglionare Al treilea strat este format din: o Celulele ganglionare, care declanșează potențiale de acțiune ca răspuns la lumină; trimit informația de-a lungul nervului optic. Cum vedem culori Undele de lumină determină proprietățile culorii. Nuanța este ceea ce noi în mod obișnuit numim culoare, fiind determinată de lungimea de undă, în timp ce luminozitatea este determinată de amplitudinea undelor. Culoarea experimentată de un observator depinde de tiparele de activitate din cele trei tipuri de conuri. Procesarea informațiilor vizuale începe la retină. Receptorii din retină detectează nuanța/culoarea și luminanța și trimit informații către celulele ganglionare. Culoarea nu există în mediu - este percepția noastră asupra diferitelor lungimi de undă de lumină. Organizarea sistemului vizual. Striat vs. Extrastriat Pentru a ajunge de la ochi/retină către cortexul vizual primar, informația vizuală străbate calea retinofugă (calea care fuge de la retină). Informațiile merg din câmpul vizual drept la retina temporală de pe ochiul stâng și retina nazală pe ochiul drept. Informația nazală se încrucișează, în timp ce informația temporală merge direct înapoi. Astfel, informația vizuală care provine din câmpul vizual drept merge în emisfera stângă și cea care provine din câmpul vizual stâng merge în emisfera dreaptă, deși ambii ochi văd ambele câmpuri vizuale. Informația călătorește prin nucleul lateral geniculat (LGN al thalamusului, care este poarta senzorială sau stația releu), prin radiații optice, către cortexul vizual primar sau V1. V1 este denumit și cortex striat (în dungi, după specializarea celulară columnară din V1). Cortexul vizual primar este situat în partea din spate a creierului. Acesta cuprinde o hartă retinotopică: o hartă spațială a lumii vizuale pe cortexul vizual. Locațiile de pe retină nu sunt reprezentate în mod egal pe cortex: lucrurile care se află pe fovee ocupă mai mult cortex decât 33 Neuroștiințe, ID lucrurile de la periferie. Acest proces se numește magnificare corticală. Coloane de dominanță oculară sunt parcele alternate, la distanță egală în V1, ~ 0,5 mm lățime, fiecare reprezentând un ochi diferit. Informațiile de la cei doi ochi se amestecă pentru a procesa lumea în 3 dimensiuni. Cum avem doi ochi, se produce însumarea binoculară: performanța vizuală îmbunătățită a vederii binoculare, în comparație cu vederea monoculară. Coloanele de dominanță oculară sunt esențiale pentru integrarea informațiilor binoculare. Coloanele de orientare sunt esențiale pentru detectarea marginilor și percepția obiectelor. Fisura calcarină din V1 joacă un rol foarte important în procesarea informației vizuale, iar leziuni parțiale/totale ale acesteia într-una dintre cele doua emisfere rezultă în pierderea vederii pentru anumite porțiuni ale unui câmp vizual. Din V1, informația vizuală se proiectează înapoi în partea din față a creierului în fluxuri dorsale și ventrale. Cortexul vizual de după V1 se numește extrastriat. Adâncime și dimensiune Trei tipuri de indicii ne ajută să percepem adâncimea și dimensiunea: Oculomotrice: indicii bazate pe sensul poziției ochilor noștri și a tensiunii din mușchii oculari: o Convergența este mișcarea către interior a ochilor care are loc atunci când privim obiectele din apropiere o Acomodarea este schimbarea formei lentilei atunci când privim obiecte la distanțe diferite Monoculare: indicii care funcționează cu un singur ochi o Ocluzia: când un obiect ascunde sau doar parțial ascunde un altul, obiectul ascuns este perceput ca fiind mai departe o Înălțimea relativă: obiectele care sunt mai înalte în câmpul vizual sunt văzute ca fiind mai îndepărtate o Dimensiunea relativă: dacă două obiecte au dimensiuni egale, cel care este mai departe va ocupa mai puțin spațiu pe retină (astfel încât creierul îl percepe pe cel mai mic ca fiind mai departe) o Dimensiunea familiară: cunoașterea dimensiunii unui obiect va influența percepția noastră asupra distanței sale o Umbre proiectate: indică locul în care se află un obiect în spațiu o Perspectiva atmosferică: obiectele aflate la distanță par mai puțin clare 34 Neuroștiințe, ID o Perspectiva liniară: convergența perceptivă a liniilor care sunt paralele în scenă pe măsură ce distanța crește o Gradient de textură: elementele care sunt egal distanțate într-o scenă par a fi dense pe măsură ce distanța crește o Ștergerea și încorporarea: O suprafață din spate va fi ștearsă atunci când observatorul se mișcă într-o direcție și va fi încorporată atunci când observatorul se mișcă în cealaltă direcție o Paralaxa mișcării: obiectele aflate mai departe par să se miște mai încet Binoculare: indicii care depind de cei doi ochi o Disparitatea binoculară: diferența dintre imaginile de pe cei doi ochi. Obiectele apropiate creează o disparitate binoculară mai mare decât obiectele îndepărtate, permițând creierului să deducă adâncimea ATENȚIE Încep secțiunea despre atenție cu un citat celebru, care o sumarizează perfect: “Toată lumea știe ce e atenția. Este acapararea minții, în formă clară și aievea, a unuia singur dintre ceea ce par a fi câteva obiecte sau direcții de gândire posibile simultan…”, William James, 1890. Atenția este tocmai această stare a procesării selective a unor surse simultane de informație. Atenția poate fi directă (overt), de exemplu, atunci când te uiți unde îți îndrepți atenția, sau poate fi indirectă sau ascunsă (covert), ca și în acele cazuri când te uiți la un anumit lucru, dar atenția îți este îndreptată în altă parte. De asemenea, o putem defini ca având originea în caracteristicile perceptuale de bază ale obiectelor din mediul înconjurător, adică operează de jos în sus (bottom-up). Alternativ, atenția poate să fie dirijată de interesele și motivația noastră de moment, operând astfel într-o manieră de sus în jos (top-down). Desigur, ne putem orienta atenția către obiecte sau către spațiu. Atenția îmbunătățește detecția vizuală, atât în ceea ce privește acuratețea răspunsurilor, cât și timpii de reacție. Rețeaua implicită a creierului Atunci când ne îndreptăm atenția către un anumit obiect/locație, procesăm preferențial unele informații și ignorăm restul. Așadar, atenția are efecte semnificative asupra percepției. A fost demonstrat că atenția este însoțită de modificări ale sensibilității neuronilor în mai multe locații ale creierului. Întrebarea este ce se întâmplă în creier atunci când acesta este în repaus, sau când 35 Neuroștiințe, ID nu este implicat în activitate cognitivă. Activitatea creierului în repaus este fundamentală și semnificativă. În general, neuronii devin mai activi în zonele corticale care procesează informații perceptuale sau motorii în curs de desfășurare. Pentru activitatea de repaus, unele regiuni cerebrale sunt destul de liniștite, iar altele surprinzător de active, așa cum au fost dezvăluite de imagistica PET și RMN a întregului creier. Zonele active atunci când creierul este în repaus au fost descrise ca și rețeaua implicită a creierului, sau default mode network. Atunci când efectuăm o sarcină cognitivă, activitatea unor zone ale creierului scade, în timp ce zonele relevante pentru sarcină devin “mai” active. Este important de reținut că tiparele schimbării activității creierului uman sunt similare pentru majoritatea oamenilor. Astfel, rețeaua implicită a creierului include ca și zone active în stare de repaus cortexul prefrontal medial, cortexul cingulat posterior, cortexul parietal posterior, hippocampusul și lobul temporal lateral. Neglijarea și lobul parietal Neglect-ul vizual este o consecință comună a lezării cortexului parietal drept. Neglect/Neglijarea este tulburarea de atenție prin care pacienții prezintă un deficit în orientarea și identificarea obiectelor din câmpul vizual contralezional. Afectarea lobilor parietali poate duce la o tulburare profundă de neatenție care afectează percepția pacientului asupra lumii. Rezultatul clasic la asemenea teste este că pacienții cu neglect aproape întotdeauna neglijează partea stângă a câmpului vizual. Unele dintre testele cele mai folosite sunt sarcina de bisectare a liniilor, sau sarcina de copiere a unor desene model. Pacienții ignoră partea stângă a liniei/desenului. Mai mult, în viața de zi cu zi, ei nu aplică machiaj sau nu se bărbieresc pe partea stângă a feței, întrucât nu o recunosc ca fiind acolo! Desigur, putem întreba, ce este mai exact stânga? Studiile au demonstrat că pacienții procesează stânga în raport cu mediul înconjurător, sau propriul corp, dar nu neapărat relativ la un obiect din câmpul vizual. Dovezile experimentale/clinice sugerează că emisfera stângă se ocupă de câmpul vizual drept, în timp ce emisfera dreaptă se ocupă atât de câmpul vizual stâng, cât și de cel drept. Explorarea sistematică a comportamentului și a recuperării pacientului, combinată cu manipulări ale experienței vizuale a participanților din grupul de control sănătoși, duce la perspective importante despre mecanismele neuronale ale atenției. AUZ ȘI SISTEM VESTIBULAR Sistemele auditiv și vestibular folosesc mecanisme similare pentru a aduna informații despre mediu și a le transforma într-un semnal electric care poate fi interpretat de creier. 36 Neuroștiințe, ID Unități de bază pentru sunet Sunetul se manifestă ca și variații sonore ale presiunii aerului. Îl definim prin: Frecvență (Hz): numărul de “bucăți” de aer comprimate sau rarefiate (sau cicluri) pe secundă Intensitate: diferența de presiune între zonele de aer comprimate și rarefiate. „Rarefiat” reflectă o presiune scăzută. Acest lucru se întâmplă atunci când un obiect se îndepărtează; obiectele comprimă aerul când se mișcă într-o direcție și îl rarifică atunci când se mișcă în direcția opusă. Un ciclu de sunet este distanța dintre zonele succesive de aer comprimat. Frecvența (Hz) este numărul de cicluri pe secundă. De exemplu, 20 Hz este o tonalitate foarte joasă, iar 10.000 Hz este un scârțâit ridicat, supărător pentru ureche. Anatomia sistemului auditiv Sistemul auditiv este bazat pe trei urechi: Urechea externă, care se extinde de la pavilion până la membrana timpanică și cuprinde: o Pinna: ajută la colectarea sunetului o Canalul auditiv: intrarea în urechea internă Urechea medie, de la membrana timpanică la osicioare și mușchii atașați, incluzând: o Membrana timpanică: timpanul, se mișcă înăuntru și în afară ca răspuns la undele sonore o Osicioarele amplifică undele sonore. Acest lucru se întâmplă deoarece forța este mai mare asupra membranei ferestrei ovale și deoarece membrana ferestrei ovale este mai mică decât membrana timpanică (mai mică înseamnă că vibrațiile sunt mai puternice). Cele trei osicioare sunt: ▪ Malleus (ciocanul) ▪ Incus (nicovala) ▪ Stapes (scărița) o Trompa lui Eustachio, care leagă urechea de gât. Se deschide și închide pentru a ține sub control presiunea aerului Urechea internă, care este formată din: o Labirint vestibular: camere interconectate care conțin structuri vestibulare ▪ Organe otolitice: detectează forța gravitațională și înclinarea capului ▪ Canale semicirculare: detectează rotația capului 37 Neuroștiințe, ID o Cochlee ▪ Organul lui Corti care include stereocilli, acele organele mecanosensibile care se extind din celulele de păr superioare. Îndoirea acestor cili favorizează transducția în auz: ele formează sinapse pe neuronii din ganglionul spiral, care intră în nervul auditiv. Calea auzului Calea auzului pornește din ureche (stereocili, ganglion spiral) prin trunchiul cerebral, către mezencefal (inferior colliculus), către poarta senzorială din thalamus (prin nucleul medial geniculat, MGM). Informația auditivă este procesată în cortexul auditiv primar, A1. Acesta este situat în lobul temporal, chiar în spatele urechii. Aranjarea spațială a frecvențelor pe cortexul auditiv (și în membrana bazilară și nervul auditiv) formează harta tonotopică. Există, de asemenea, coloane de celule care răspund la sunete provenind de la o singură ureche, sau la ambele urechi. Dincolo de A1 sunt zone care răspund la sunete mai complexe, cum ar fi limbajul, pe care le vom acoperi atunci când discutăm despre limbaj. MUZICĂ Muzica presupune transformarea unui set discret de înălțimi într-un set finit de note muzicale, cum sunt, în notația vestică, notele de la A la G. Notele sunt combinate pentru a forma grupuri perceptibile și pattern-uri, conform regulilor segregării auditive. În acest sens, vorbim de compoziții caracterizate prin consonanță sau disonanță auditivă. Muzica este caracterizată prin organizarea temporală și organizarea înălțimilor. Din punct de vedere neuropsihologic, diverse studii au adus dovezi pentru dominanță emisferică, cum ar fi pentru timp și ritmul muzical în emisfera stângă, în timp ce înălțimea și melodia de obicei au fost descrise ca fiind procesate în emisfera dreaptă. După cum bine știm, muzica este puternic influențată de context. Anumite melodii sunt cântate în anumite situații și/sau locații. Mai mult, muzica are o legătură strânsă cu memoria si limbajul, așa cum este demonstrat de studiul pacienților cu deficite în aceste funcții de ordin superior. Muzica în creier Muzica schimbă creierul. Vom aborda plasticitatea cerebrală și în temele motrice din acest curs. Plasticitatea cerebrală reflectă această abilitate extraordinară de reorganizare a sinapselor și căilor cerebrale, ca răspuns la cerințele din mediu și la nevoile biologice ale persoanei. 38 Neuroștiințe, ID Totuși, pentru a schimba creierul pe cale muzicală, e necesar să avem antrenament muzical susținut, doar ascultarea ocazională muzicii nu provoacă schimbarea sinapselor. Unul dintre primii care a intuit o legătură între practicarea muzicii și potențiale schimbări în structura creierului este medicul german Siegmund Auerbach (1860 – 1923); acesta a investigat post-mortem creierele a câtorva muzicieni și a observat lărgirea porțiunilor mediale și posterioare ale girusului temporal superior (vezi localizarea cortexului primar auditiv, A1, precum și centrii primari ai limbajului). Un muzician este definit în literatură ca și având mai mult de zece ani de practică muzicală și este încă activ în producerea muzicii. Creierele muzicienilor sunt diferite de ale persoanelor non-muzicale în mai multe privințe: Structura creierului o corpul calos semnificativ mai mare și cu funcționalitate îmbunătățită; o fibrele de materie albă mai dense și mai puternice, deci conectivitate cerebrală mai puternică; o fasciculul arcuat dezvoltat, mai ales la cântăreți (vezi și importanța acestei structuri cerebrale în procesarea limbajului), în comparație cu muzicienii instrumentaliști; o diferențe măsurabile în motor homunculus: M1 comparabil dezvoltat între cele două emisfere pentru muzicieni (de exemplu, cei care cântă la pian), față de M1 mai dezvoltat pentru emisfera contralaterală mâinii dominante în cei care nu sunt muzicieni. Răspuns motric, sau fantomă motrică, fenomenul de reproducere involuntară a muzicii ascultate de către muzicieni; de aici și evitarea urmăririi altor performanțe înaintea intrării pe scenă. Ascultare o abilitatea de a detecta schimbări foarte fine în sunet; o activări în A1 mai mari de mai mult de o sută de ori la muzicieni vs. oameni normali, în primele milisecunde de ascultare a unei note; o mai multă materie cenușie în A1; o specializare pentru instrumentul specific. Alte abilități o Memorie: capacitatea memoriei de lucru verbală mai bună; o Abilități vizual-motrice. 39 Neuroștiințe, ID Amuzia Amuzia reprezintă o formă de agnozie auditivă în care percepția muzicii e cea mai afectată formă de auz, relativ la alte sunete. Oamenii amuzicali au fost descriși ca și surzi ai notelor. Totuși, foarte mulți dintre ei doar nu știu să cânte. Astfel, dacă o persoană declară că nu poate să cânte, e foarte probabil să nu fie un caz amuzical, deoarece această persoană este conștientă cât de rău sună producția ei muzicală. De partea cealaltă, indivizii care sunt amuzicali nu sunt conștienți de lipsa abilității lor muzicale, aceasta doar le-a fost semnalată de cei apropiați. Amuzia poate fi congenitală sau înnăscută, sau dobândită, ca urmare a unei lovituri, a unui AVC, sau ca și consecință a unei perioade de comă. 40 Neuroștiințe, ID AI8: MODALITĂȚI SENZORIALE III SENSIBILITATEA SOMATICĂ Importanță Sensibilitatea somatică permite corpului nostru să simtă, să doară, să simtă frigul și să știe ce fac părțile sale. Sistemul somatic este unic pentru că receptorii senzoriali sunt răspândiți în tot corpul, mai degrabă decât să fie concentrați într-un singur organ de simț. De asemenea, sensibilitatea somatică ne oferă primul indiciu că există mai mult decât doar 5 simțuri: sensibilitatea somatică este mai mult decât atingere. Aceasta poate fi găsită, printre altele, în poziția articulațiilor și a mușchilor, distensia vezicii urinare, temperatura membrelor, originea mâncărimii de pe piele, etc. Tabelul 1. Mecanoreceptori implicați în sensibilitatea somatică; adaptat după Kandel et al., 2000. Dimensiunea Adaptare Ce simțim Gamă de Receptor câmpului receptiv frecvență Discurile Mică Înceată Presiune 0.3-3 Hz Merkel Corpusculi Mică Rapidă Fluturare 3-40 Hz Meissner Terminații Mare Înceată Întindere 15-400 Hz Ruffini Corpusculi Mare Rapidă Vibrație 10-500 Hz Pacinian Înveliți în Întindere, îndoire Terminații jurul firelor Înceată sau sau aplatizare cu n/a nervoase libere de păr, sau rapidă mișcarea părului pe lângă acestea Notă. Adaptarea lentă indică generarea unui răspuns susținut în timpul unui stimul lung. Astfel, corpusculii lui Meissner trebuie să fie localizați în vârful degetelor noastre, deoarece au o dimensiune mică a câmpului receptiv și se adaptează rapid. Altfel spus, adaptarea lentă înseamnă că acești mecanoreceptori răspund imediat și continuă să răspundă atunci când stimularea senzorială este susținută. Adaptarea rapidă înseamnă că ei răspund rapid, dar apoi încetează să răspundă dacă stimularea este susținută. Terminațiile nervoase libere se înfășoară în jurul firelor de păr, de aceea doare atât epilarea părului! 41  Neuroștiințe, ID Piele și mechanoreceptori Pielea, cel mai mare organ de simț al corpului nostru, poate fi păroasă, sau glabră, fără păr. Ea cuprinde un strat exterior, superficial, epiderma, și un strat interior, derma. Pielea poate să răspundă la vibrație, să fie presată, înțepată și mângâiată, iar firele de păr pot fi îndoite sau trase. Toate acestea sunt tipuri foarte diferite de energie mecanică pe care le putem recunoaște și deosebi. Acest lucru se realizează datorită existenței unor tipuri diferite de mecanoreceptori care răspund la stimuli de frecvențe diferite, presiune diferită, precum și care prezintă diferite dimensiuni ale câmpului receptiv. Mecanoreceptorii alcătuiesc majoritatea receptorilor senzoriali din sistemul senzorial somatic. Aceștia monitorizează, printre altele, contactul cu pielea, presiunea în inimă și vasele de sânge, întinderea organelor digestive și a vezicii urinare, sau forța exercitată împotriva dinților. Pe baza acestui lucru, vă puteți imagina cum acestea împreună vă permit să simțiți tot felul de lucruri și să vă obișnuiți cu lucruri, cum ar fi simțirea hainelor pe care le purtați. Vezi Tabelul 1. Axonii aferenți primari aduc informații de la receptorii senzoriali somatici către măduva spinării sau trunchiul cerebral. Aceștia intră prin rădăcinile dorsale ale măduvei spinării și au Ne reamintim: Neuroni aferenți trimit informația un diametru diferit pentru receptori senzoriali ÎNĂUNTRU. diferiți; Neuronii eferenți trimitvezi Tabelul informația AFARĂ2. Tabelul 2. Axoni aferenți implicați în sensibilitatea somatică; adaptat după Bear et al., 2007. Axoni aferenți primari Mielină în Aduc informații de galben la receptorii senzoriali somatici către măduva spinării sau trunchiul cerebral Intră prin rădăcinile dorsale ale măduvei Tipul axonului Aα Bβ Aδ C spinării Diametru ! m 13-20 6-12 1-5 0.2-1.5 Diametru diferit Viteză m/s Receptori 80-120 Propriocepție 35-75 Piele 5-30 Temperatură 0.5-2 Temperatură pentru receptori Durere Durere senzoriali diferiți Mâncărime 09/11/2021 Neuroștiințe, Psihologie IF an III 79 3 căi prin care informația somatosenzorială ajunge la creier 1. Calea medială lemniscală: atingere din corp (simț tactil) și propriocepție – Informația senzorială intră prin rădăcina dorsală a măduvei spinării. În trunchiul cerebral, informația trece din partea ipsilaterală în cea contralaterală a locației din corp unde a fost simțită. Informația urcă prin thalamus și este procesată în S1, cortexul primar somatosenzorial. 42 Neuroștiințe, ID 2. Calea trigeminală: simț tactil și durere pentru față și cap – Informația este transmisă la nivelul nervului trigeminal prin axoni mecanoreceptori largi de la față. În trunchiul cerebral, informația trece din partea ipsilaterală în cea contralaterală a locației de pe față/cap unde a fost simțită. Informația este transmisă în thalamus și este procesată în S1, cortexul primar somatosenzorial. 3. Calea spinothalamică: durere și temperatură – În această cale, informația trece de partea cealaltă deja din măduva spinării. Informația călătorește direct către thalamus, fără a mai face sinapsă în trunchiul cerebral. Informația senzorială este procesată în S1, cortexul primar somatosenzorial. Figura 12. Homunculus somatosenzorial; figură adaptată după Bear et al., 2007. Simț tactil Homunculus – Somatotopia corticală Somatotopia corticală reflectă dispunerea spațială a zonelor de simț pe cortex. Sistemul senzorial somatic este situat în lobul parietal, chiar în spatele șanțului central. Zonele senzoriale ale corpului sunt aranjate în cortexul somatosenzorial într-o reprezentare logică (spațială) a corpului, numită hartă somatotopică sau homunculus, vezi Figura 12. Homunculus se traduce prin „omuleț din creier”. Homunculus-ul este așadar o reprezentare a somatotopiei corticale. Proporțiile homunculus reprezintă sensibilitatea zonei, precum și densitatea cortexului care este dedicat fiecărei părți a corpului. Există și un homunculus motor care arată foarte asemănător, deoarece lucrurile care sunt sensibile, cum ar fi limba și vârfurile degetelor tind să aibă, de asemenea, un control motric fin. Dar nu întotdeauna! Partea inferioară a picioarelor este, de altfel, mai sensibilă decât este îndemânatică! 43 Neuroștiințe, ID Durere Durerea este o experiență senzorială valoroasă, deoarece ne anunță despre deteriorarea sau potențiala deteriorare a țesuturilor noastre. O viață fără durere poate părea atrăgătoare, totuși este foarte probabil să fie periculoasă și devastatoare. Durerea este ce simțim, percepția informației senzoriale. Nocicepția este procesul senzorial care oferă semnale care inițiază durerea. Astfel, durerea este transmisă prin intermediul nociceptorilor, terminații nervoase libere, ramificate, nemielinizate. Aceștia răspund la un semnal potențial sau la o deteriorare reală a țesutului corporal. Transducția are loc atunci când sunt stimulate terminațiile nervoase libere ale fibrelor C nemielinizate și ale fibrelor Aδ mielinizate; vezi Tabelul 2. Nociceptorii care declanșează durerea sunt de mai multe feluri: Polimodali: cei mai comuni; aceștia răspund la stimuli mecanici, termici și chimici. Mecanici: răspund la o presiune puternică. Termici: răspund la căldură arzătoare sau la frig puternic. Chimici: răspund la histamină și alte substanțe chimice. În funcție de axonii aferenți care o transportă și care aduc informații la SNC, la rate diferite din cauza diferenței în vitezele potențialelor de acțiune, durerea resimțită poate fi de două feluri: Fibrele Aδ transmit durere rapidă și fibrele C, nemielinizate, conduc durerea lentă. Gândiți- vă când v-ați lovit la unul din degetele de la picior. Nu doare imediat, dar știți că vine! Hiperalgezie Hiperalgezia reflectă un prag redus pentru durere, o experiență cu o intensitate crescută pentru stimuli dureroși sau durere spontană. Hiperalgezia poate fi primară, în țesutul afectat însuși, sau secundar, în țesutul vecin. Substanțele chimice pentru durere sunt eliberate de pielea deteriorată, modulând excitabilitatea nociceptorilor. Efectul Placebo Efectul Placebo este înregistrat ca urmare a administrării unui ‚medicament’ care în realitate nu conține substanța activă propriu-zisă, iar pacienții raportează tocmai efectul la care li se spune să se aștepte. Substanțele placebo pot fi analgezice extrem de eficiente. Interesant este că naloxona, blocker al receptorilor opioizi care blochează analgezicele adevărate, poate bloca și efectul analgezic al unui placebo. Acest lucru sugerează că atunci când chiar credem că un tratament va funcționa acesta poate activa de fapt sisteme endogene de ameliorare a durerii. 44 Neuroștiințe, ID Temperatură Temperatura este simțită prin intermediul termoreceptorilor. Aceștia includ receptorii separați care codifică cald versus rece. Există 6 canale diferite, care răspund la t