Filogenesi ed ontogenesi del snc e stadi primari dell’elaborazione visiva Graziano Barnabei grbarnabei@gmail.com

Terminologia Sezione: Coronale Orizzontale Sagittale Collocazione spaziale: Caudale VS Rostrale Ventrale VS Dorsale Laterale dx VS Laterale sx Mediale VS snc) Marginale snp) Periferico Snc: sistema nervoso centrale (encefalo, midollo) Nuclei VS Tratti Snp: sistema nervoso periferico Gangli VS Nervi Sna: sistema nervoso autonomo En/Pn: giorno pre/post-natale n Trofismo: nutrimento => crescita Tropismo: risposta strutturale (orientamento, movimento) => territorio permissivo Vista: Ventrale VS Dorsale Rostrale VS Caudale Laterale dx VS Laterale sx

Domini ed oggetti di studio Mente (cognitiva) Psicologia Neurofisiologia Neuropsicologia Psicofisiologia Cervello (anatomica) Neurologia Psicologia degli atteggiamenti e della personalità cognitivo-comportamentale Psicoterapia Medicina psicosomatica Psichiatria Psiche (dinamica) Psicodinamica Neuroscienze Cognitive: Coscienza

Filogenesi del sistema nervoso 1: Segmentazione anatomica VS Segmentazione filogenetica Telencefalo (emisferi) Diencefalo (talamo, ipotalamo) Acquedotto cerebrale, substanzia nigra, collicoli Metencefalo (ponte, cervelletto) Mielencefalo (midollo allungato o bulbo) Midollo spinale Grado di encefalizzazione Indice dello sviluppo filogenetico dell’encefalo: ad oggi corrisponde al numero di aree coinvolte durante il processing di compiti di varia difficoltà Uomo Mammiferi Uccelli Rettili Anfibi

Filogenesi del sistema nervoso 2: gerarchia evolutiva Anfibi (rane): Telencefalo: progettato sostanzialmente come un grande bulbo olfattivo Rettili: Mesencefalo Tetto ottico Nucleo talamico Uccelli: Nuclei della base: corpo striato (controllo motorio, apprendimento implicito) Sviluppo del cervelletto

Filogenesi del sistema nervoso 3: evoluzione dei mammiferi Tetto ottico: perde la funzione sensoriale e diventa collicolo superiore (controllo motorio e mappatura spaziale degli stimoli) Neopallio: sviluppo abnorme della porzione corticale del telencefalo più recente nella filogenesi => processo di “increspatura corticale” Archipallio: originariamente soprattutto olfattivo, ad oggi funzionalmente integrato nel sistema limbico (emozioni, sensazioni di fame,sete, desiderio sessuale) Paleopallio: ippocampo (memoria ed apprendimento) + nuclei della base

Filogenesi del sistema nervoso 4: le basi neuroanatomiche dell’attività cerebrale nell’uomo SISTEMA NERVOSO Sistema nervoso centrale Sistema nervoso periferico Cervello Midollo spinale (materia grigia centrale) Proencefalo Mesencefalo Rombencefalo Componente autonoma Componente somatica (31 spinali) Simpatico Parasimpatico Eviscerale Collicoli superiori Collicoli inferiori Midollo allungato Cervelletto Ponte Diencefalo Telencefalo Corpo calloso Nuclei della base Cervello (corteccia cerebrale) Ipotalamo Talamo

Ontogenesi del sistema nervoso Blastula (da E6): 3 foglietti Endoderma: visceri. Mesoderma: muscoli, vasi, tendini, ossa del snc. Ectoderma: snc, tessuto neurale, pelle. Gastrulazione e Neurulazione (E15-E28): “verso l’organogenesi” Il mesoderma forma la notocorda (ossa del snc) che tramite fattori chemioattivi specifica quali cellule saranno cutanee e quali diventeranno neuroblasti. I neuroblasti si invaginano, uniscono le 2 creste neurali e formano il tubo neurale (creste = snp; tubo = snc) che caudalmente diverrà snp, medialmente midollo spinale mentre rostralmente (estremità cefalica) genera 3 vescicole encefaliche: Romboencefalica → Cervelletto, Ponte, Midollo allungato Mesencefalica fa sì che l’encefalo curvi dalla polarità rostro-caudale (geni “omobox”) ad una dorso(gene SGG)-ventrale(gene BMP) → Acquedotto cerebrale, Peduncoli cerebrali, Lamina quadrigemina, Substanzia Nigra Proencefalica → Telencefalo, Diencefalo E 28

Neurogenesi ventricolare e Migrazione cellulare Neopallio Neurogenesi ventricolare e Migrazione cellulare Tecniche: fino a 15 anni fa, marcatori del DNA (timidina, bromodeossiuridina) oggi, marcatori con retrovirus Tipi di migrazione: Tangenziale: strutture non laminate né stratificate (i.e. tronco) Radiale: strutture stratificate ma non laminate (i.e. corteccia) Combinata: strutture laminate e stratificate (i.e. retina)

Fattori chemiotropici SNP: Cresta neurale Fenotipo (e.g. ghiandolare, gangli del snp) SNC (Corticogenesi ventricolare, E28-E60): nella zona ventrale del tubo neurale si forma l’epitelio neurale: Zona ventricolare (proliferativa) → Diencefalo Zona intermedia → Sostanza bianca Sottoplacca → Si differenzia in altro oppure muore Zona marginale → Strato 1 Glia radiale → Astrociti Fattori chemiotropici La corticogenesi avviene a coorti (=> stratificazione corticale), si conclude ad E60 Gli assoni talamici raggiungono la corteccia di destinazione prima che sia formata ed aspettano lì finché lo strato 4 sia sviluppato, poi entrano e prendono contatto Gli strati corticali si formano radialmente in senso inside-out Nell’adulto la neurogenesi è continua nella zona subventricolare dei ventricoli laterali con migrazione verso il bulbo olfattivo e nella zona subgranulare del giro dentato dell’ippocampo

Istruttività/Permissività dell’attività elettrica corticale Identità cellulare Dipende da 3 ordini di fattori: Diffusibili del territorio: Cellula SA (simpato-adrenergica) NGF Neurone simpatico Intrinseci: non basta trovarsi nel posto giusto ma occorre starci al momento giusto Diffusibili del bersaglio: Neurone adrenergico Neurone colinergico FGF (fenotipo nativo: ghiandolare surrene) Ghiandola sudoripara Muscolo pilo-erettore Estensione assonale Fase 1 “chemioattrattiva”: il cono di crescita saggia la permissività del terreno guidato dalle “semaforine” (snp permissivo (cellule di Swann), snc non permissivo (oligodendrociti ed astrociti)). Possibilità: Repulsione per contatto (linea mediana) o diffusione (neuroni del setto) Attrazione per contatto (assoni talamici pionieri) o diffusione (tratto ottico) Fase 2 “elettrica”: chi resta e chi si ritira è dettato dall’esperienza elettrica Istruttività/Permissività dell’attività elettrica corticale L’attività elettrica permette che il piano genetico vada avanti oppure istruisce autonomamente un circuito?

Sinaptogenesi Studiata nella giunzione neuromuscolare: Il cono di crescita raggiunge il miotubo “Abbozzo” di fessura sinaptica con le prime vescicole Ach Competizione assonica (elettrica) nella polinnervazione: Legge di Hebb: Ipotesi della facilitazione sinaptica L’assone perdente non muore ma si sposta Selezione delle terminazioni assoniche stabili + isolamento (cellule di Swann) + richiamo locale dei recettori inutilizzati “Neuroni aventi attività elettriche temporalmente correlate rafforzano la sinapsi comune, attività temporalmente scorrelate la indeboliscono”: Se Φxi(t) => Φy(τ) Allora wi(τ) < wi (T) Se Φxi(t) ≠> Φy(τ) Allora wi(τ) ≥ wi (T) dove t < τ < T w1 x1 y x2 w2 Max ad 1 anno, plateaux fino alla pubertà, poi lenta riduzione => eliminazione della ridondanza residua Nell’adulto il fattore trofico influenza apprendimento e memoria Nell’adulto la sinaptogenesi continua nel bulbo olfattivo e nell’ippocampo (solo quella dendritica) ma è determinata soprattutto dall’attività elettrica

Morte Cellulare Programmata (MCP) Evento regressivo presente nello sviluppo fino alla formazione di sinapsi stabili Si avvale di fattori trofici diffusivi e rilasciati dal bersaglio, chi li prende sopravvive chi no muore Scopo: accoppiamento numerico di un bersaglio con la sua popolazione di connessioni Utilizzo: Strutture sessualmente dimorfiche (i.e. nucleo canoro) Rimozione di cellule con fenotipo inappropriato (posto/momento sbagliato) Formazione di strutture con particolari proprietà morfologiche (i.e. solco mediano) MCP + Attività elettrica => Strutture funzionalmente diverse (i.e. Sinestesia) Bersaglio normale Bersaglio più grande Bersaglio più piccolo Differenziazione funzionale delle aree corticali All’inizio le differenze sono pochissime e non vincolanti per ciò che interessa lo sviluppo (i.e. Broca, barrels visivi e delle vibrisse) Ruolo chiave dell’esperienza: Area visiva (temporale) (selettiva per orientamento) Area ricolonizzabile (occipitale) Area visiva (occipitale) (selettiva per orientamento) Area acustica (temporale) (mappe bidimensionali) Retina