L’ELETTROFISIOLOGIA

Cartografare l’anatomia funzionale del cervello

 

II.1 - Il Metodo
II.2 - Problematiche epistemologiche
II.3 - Conclusioni

 

II.1  - IL METODO

 

Una delle metodologie classiche sviluppate in ambito neuroscientifico ai fini di studiare la specializzazione funzionale di determinate aree corticali è quella dell’elettrofisiologia in vivo[1]. Essa è volta alla registrazione dell’attività neuronale indotta da particolari stimoli sensoriali: risposte selettive a determinate classi di stimoli vengono impiegate per individuare popolazioni neurali omogenee dal punto di vista funzionale[2]. Il metodo ha fornito, in concerto con altri criteri di analisi anatomo-funzionale, mappe estremamente precise dell’anatomia funzionale delle aree corticali.

In questo capitolo intendiamo delineare per sommi capi le strategie d’applicazione del metodo elettrofisiologico allo studio dell’organizzazione funzionale del cervello. Ci soffermeremo in particolar modo sull’analisi delle cortecce sensorimotorie nonché su quella del sistema visivo nei primati, campo in cui il potere descrittivo delle tecniche elettrofisiologiche ha prodotto i risultati più soddisfacenti. Mostreremo in primo luogo quali siano le maggiori prerogative del metodo elettrofisiologico. Considereremo successivamente che tipo di informazioni si possano trarre da tali risultati al fine di descrivere l’architettura funzionale di determinate capacità sensori- cognitive.

 

La storia di questo metodo risale alla seconda metà del XIX secolo[3], se ne può anzi individuare la nascita nella scoperta, ad opera di Fritsch e Hitzig, che la stimolazione elettrica di determinate aree della corteccia cerebrale può provocare reazioni motorie nell’organismo[4]. I movimenti osservati da Fritsch e Hitzig non risultavano affatto casuali, ma mostravano una notevole regolarità, nel senso che la stimolazione di aree corticali adiacenti dava luogo al movimento di parti del corpo adiacenti: era cioè possibile individuare aree contigue sulla corteccia correlate in modo omogeneo a determinati comportamenti motori. Questa scoperta fu all’origine dei primi tentativi sperimentali di creare su basi elettrofisiologiche un atlante dell’anatomia funzionale del cervello: il principio motore di questi studi fu l’ipotesi che fosse possibile localizzare in aree circoscritte del cervello “organi” responsabili delle funzioni più diverse – principio, questo, confermato dalle scoperte che negli stessi anni si andavano compiendo sulla localizzazione dei centri cerebrali del linguaggio nell’uomo[5].

Il paradigma che cominciava cioè a definirsi tanto nell’uno quanto nell’altro campo era quello di un cervello organizzato in regioni discrete e fortemente specializzate, individuabili attraverso l’evidenza incrociata di tecniche elettrofisiologiche e degli effetti di lesioni cerebrali.

 

 Caso emblematico è quello degli studi comparativi di Ferrier[6] che, applicando il metodo elettrofisiologico alle specie più diverse (macachi, cani, gatti, conigli, porcellini d’india, ratti, piccioni, rane e pesci), allo scopo di determinarne le mappe motorie, ne trasse una quantità di dati tale da rendere per la prima volta agibile un raffronto col cervello umano. Basandosi su criteri anatomici di somiglianza strutturale (proiezione delle caratteristiche superficiali della corteccia cerebrale, solchi e convoluzioni, del macaco su quella umana – si veda la figura), Ferrier tracciò una mappa comparativa dei centri motorî corticali nell’uomo, da convalidare, nei suoi intenti, attraverso uno studio degli effetti delle lesioni sul comportamento motorio.

 

Figura 1. Studio comparativo delle cortecce del macaco e dell’uomo, da Ferrier (1886).


 

L’importanza teorica del metodo di Ferrier sta essenzialmente nella scoperta di corrispondenze stabili nell’organizzazione funzionale del cervello non soltanto a livello interindividuale (cioè tra individui della stessa specie), ma anche a livello interspecifico. Ciò costituiva un’ulteriore riprova della validità dell’ipotesi “localizzazionista”.

Ne risultò in primo luogo sollecitato lo sviluppo di strategie comparative e di metodi per il confronto dell’anatomia cerebrale tra specie differenti. Ferrier si limitava infatti a impiegare criteri di affinità morfologica fra le strutture superficiali del cervello. Si richiedeva invece – quale cornice entro cui stabilire distinzioni di carattere funzionale – un’analisi più rigorosa e dettagliata della struttura anatomica del cervello: tale cornice venne fornita qualche decennio più tardi dalle mappe citoarchitettoniche del neurofisiologo tedesco Korbinian Brodmann[7].

 

Il principio adottato da Brodmann consisteva nell’individuare, attraverso tecniche di staining, aree omogenee rispetto alla distribuzione e alla conformazione delle cellule all’interno dei tessuti[8]: tale discriminazione avrebbe fornito tanto un sistema di riferimento universale per la localizzazione di specifiche aree cerebrali quanto un sostrato affidabile per il raffronto delle indagini anatomo-funzionali fra individui della stessa specie e di specie differenti.

 

Figura 2. Mappa citoarchitettonica dell’emisfero sinistro del cervello umano,
(vista laterale e sezione mediale) da Brodmann (1909).

 

 

 

 

Al di là del loro innegabile valore come sistema di riferimento[9], tali mappe erano state originariamente concepite, nelle intenzioni di Brodmann, al fine di individuare corrispondenze fra specificità strutturali e specificità funzionali nelle aree identificate, sotto l’ipotesi che fosse cioè possibile spiegare le proprietà funzionali di una determinata area ricorrendo a proprietà della sua struttura citoarchitettonica[10].

 

Figura 3. Classificazione funzionale delle aree corticali del macaco
sulla base della tassonomia di Brodmann, da Van Essen (1995)

 


Torneremo oltre sull’impiego di criteri indipendenti di identificazione di aree cerebrali, sia per quanto concerne il loro ruolo nell’ambito degli studi neurofisiologici, sia nel quadro di una riflessione più generale sullo statuto epistemologico delle mappe neurali e dei modelli funzionali (capitolo III): qui rileviamo semplicemente che a partire dal lavoro di Brodmann le aree esaminate sotto il profilo funzionale poterono godere di una precisa classificazione in termini citoarchitettonici.

 

L’approccio comparativo di Ferrier forniva, inoltre, una giustificazione teorica per inferire dallo studio dell’organizzazione cerebrale nelle diverse specie animali ipotesi sull’anatomia funzionale del cervello umano. Se infatti nel caso degli animali le mappe funzionali potevano essere direttamente convalidate attraverso studi di lesione[11], trovare cioè una conferma immediata per via abduttiva, nel caso dell’uomo gli effetti delle lesioni cerebrali potevano essere confrontati soltanto con ipotesi comparative sull’anatomia funzionale del cervello.

Bisognerà attendere il 1937 perché si sviluppi un sistema per l’applicazione di tecniche elettrofisiologiche a pazienti in attesa di interventi neurochirurgici (laddove richiesti a causa di tumore o epilessia[12]) – sistema che permetterà di costruire la prima mappa motoria non comparativa del cervello umano[13].

Malgrado questi perfezionamenti tecnologici, l’elettrofisiologia delle singole cellule rimane una tecnica invasiva non applicabile se non in casi straordinari all’uomo e l’importanza del suo impiego ai fini di comprendere la struttura anatomo-funzionale del cervello umano riposa tuttora sulla possibilità di “esportare” i risultati ottenuti a partire dal cervello dei primati.

 

Pur soggiacendo a questo limite, il metodo elettrofisiologico rappresenta lo strumento più fine e potente di cui le neuroscienze dispongono per mappare l’organizzazione funzionale del cervello. Ci soffermeremo qui di seguito sulle ragioni di questa versatilità, ragioni che appartengono fondamentalmente a due ordini diversi: in primo luogo la fortissima risoluzione spazio-temporale; in secondo luogo la possibilità di confrontare i risultati con un’ampia serie di criteri anatomo-fisiologici indipendenti.

 

Per quanto riguarda la risoluzione spazio-temporale, va osservato che l’elettrofisiologia permette di raggiungere la definizione in assoluto più alta fra le varie tecniche di brain mapping. Dal punto di vista temporale, la misurazione del segnale elettrico è rilevata in modo continuo: possiamo cioè seguire in tempo reale ed istante per istante il comportamento delle cellule cui gli elettrodi vengono applicati[14]. Dal punto di vista spaziale è divenuto possibile, a partire dagli anni ’50, misurare per via elettrofisiologica l’attività del cervello a livello di singoli neuroni: nel caso di aree circoscritte della corteccia cerebrale, si sono potute tracciare  mappe finissime della reattività di singoli neuroni rispetto alle diverse dimensioni di uno stimolo[15].

 

Legata a questo fattore è inoltre un'altra fondamentale prerogativa del metodo elettrofisiologico, ossia la possibilità di studiare le proprietà di connettività di diversi circuiti neuronali. L’importanza dello studio della connettività è legata al fatto che essa permette sia di individuare popolazioni neuronali concentrate in singole aree interessate da connessioni macroscopiche, sia di seguire le direttrici principali del segnale attraverso tali aree.

 

Figura 4. Modello schematico dell’identificabilità
di aree distinte tramite lo studio della connettività, da LeDoux (1996)

 

Le tecniche moderne di pathway tracing consentono infatti di  mappare le connessioni tanto uscenti quanto entranti di una qualsiasi area del cervello: è cioè possibile individuare possibili destinazioni e provenienze del segnale che raggiunge una determinata area cerebrale[16].

L’insieme di questi due fattori – l’elevatissima risoluzione spazio-temporale e la possibilità di analizzare la connettività dei tessuti – fa sì che per via elettrofisiologica si possano individuare il percorso e le proprietà del flusso del segnale che interessa una qualsiasi area corticale. Valga, a titolo di esempio, il caso del sistema visivo dei primati, che il metodo elettrofisiologico è riuscito a scomporre in una mappa di 32 diverse aree di elaborazione, organizzate in modo gerarchico e fra loro collegate da 305 diverse connessioni, per la maggior parte bidirezionali[17]. Osserveremo successivamente come per inferire dalla rilevazione di connessioni fra aree il loro ruolo funzionale in termini sistematici (ovverosia impiegare evidenza sulla connettività a sostegno di ipotesi sull’architettura di un sistema) sia necessario disporre preliminarmente di un modello funzionale complessivo che specifichi gli obiettivi del sistema e le operazioni che putativamente sono richieste a questo scopo.

 

Il potere descrittivo del metodo elettrofisiologico è legato altresì al fatto che le mappe che esso produce sono raffrontabili con mappe ottenute attraverso molteplici criteri di analisi microstrutturale. Si distinguono in genere cinque metodi principali per la definizione di che cosa si possa considerare “area cerebrale”: oltre ai tre che abbiamo già descritto (analisi funzionale: “un insieme di neuroni costituisce un’area cerebrale unitaria dal punto di vista funzionale se ciascuno di essi risponde in maniera omogenea a particolari tratti di uno stimolo”; analisi citoarchitettonica: “un insieme di neuroni costituisce un’area cerebrale unitaria dal punto di vista architettonico se presenta gli stessi patterns di distribuzione dei neuroni all’interno dei tessuti”; studio della connettività: “un insieme di neuroni costituisce un’area cerebrale unitaria dal punto di vista della connettività se è interessato da una specifica serie di pathways in entrata e uscita”), vanno ricordati l’analisi strutturale - che si occupa di discriminare aree diverse sulla base dell’organizzazione macroscopica dei tessuti (rispetto a quella microscopica che emerge invece in sede di analisi architettonica), come la disposizione e le proprietà degli strati (layers) presenti in una data regione corticale o l’individuazione di punti di riferimento anatomici (landmarks) quali giri, solchi, fissure etc…- e l’analisi topografica – basata sull’idea che diverse aree del cervello riproducono l’organizzazione spaziale dell’intero corpo o dell’ambiente circostante (come, per esempio, le mappe somatosensoriali che riproducono una mappa dell’intera superficie del corpo, o le aree visive primarie che rispecchiano le proprietà topografiche del campo visivo).

Presi congiuntamente, questi cinque metodi di analisi rappresentano i criteri standard adottati in sede elettrofisiologica per la definizione di aree corticali “distinte”[18].

Nella prassi, va osservato, l’identificazione di aree cerebrali avviene generalmente sulla base di un sottoinsieme di questi criteri e non richiede mai una convergenza completa. Si concorda anzi sul fatto che  la convergenza di alcuni tra questi criteri sia già di per sé evidenza sufficiente per la definizione di una popolazione neurale come area cerebrale distinta: tanto più, cioè, le mappe ottenute attraverso tali criteri coincidono, tanto più si considerano valide descrizioni dell’anatomia funzionale delle regioni considerate[19]. È importante rilevare come dal punto di vista epistemologico la convergenza di criteri d’analisi fra loro indipendenti sia ritenuta un indice della robustezza dell’analisi stessa: si assume cioè che una popolazione di neuroni omogenea sotto il profilo citoarchitettonico, dotata di un comportamento uniforme in risposta a particolari classi di stimoli e interessata in modo privilegiato da connessioni con altre aree cerebrali sia da ritenere a maggior diritto un’area cerebrale “distinta” che non una popolazione neurale uniforme sotto uno soltanto di questi aspetti. Torneremo oltre (in particolare nel III capitolo) sulla questione di che cosa l’elettrofisiologia identifichi attraverso il suo metodo d’indagine. Ci limitiamo qui ad osservare che i confini tracciati fra le aree di un determinato sistema dipendono dal peso assegnato a ciascuno dei criteri di analisi impiegati[20]. A rigore, le mappe tracciate sulla corteccia cerebrale vanno considerate come il frutto di convenzioni stratificate nella prassi di ricerca neuroscientifica. Aree di elaborazione distinte vengono definite in rapporto a confini identificati attraverso criteri di analisi convergenti e sono frequenti dibattiti circa l’esistenza di determinate aree, che meglio andrebbero considerati come discussioni sull’adeguatezza dei confini tracciati e dei criteri di indagine adottati[21]. Questo nodo teorico è di fondamentale importanza, in quanto sulla definizione di che cosa si possa considerare area corticale distinta si gioca non solo la validità dell’ipotesi localizzazionista ma anche l’adeguatezza della scomposizione funzionale dei processi cognitivi.

Il valore del confronto fra criteri di analisi distinti, oltre all’importanza che esso riveste per definire i confini di aree corticali, sta nel suo impiego per rispondere a precise domande sull’organizzazione anatomo-funzionale delle regioni considerate.

Per esempio, dal confronto fra aree identificate attraverso l’analisi funzionale e strutturale possiamo trarre informazioni sulla realizzazione neurale, compatta piuttosto che distribuita, di presunti componenti  funzionali[22]; dal raffronto fra la connettività e la specializzazione funzionale di particolari circuiti ottenere informazioni sull’indipendenza computazionale di un sistema rispetto all’informazione proveniente da altri sistemi[23]; dalla corrispondenza fra proprietà citoarchitettoniche e specializzazione funzionale desumere evidenza sul rapporto fra la struttura dei neuroni e la loro disposizione all’interno dei tessuti e il tipo di processi a cui sono deputati[24].

 

Il metodo elettrofisiologico può, in conclusione, fornire informazioni chiave su diversi aspetti dell’organizzazione anatomo-funzionale del cervello: esse spaziano dalla specializzazione funzionale di particolari popolazioni neurali, alle relazioni gerarchiche che fra esse sussistono, all’identificazione dei principali canali di flusso del segnale, all’individuazione di percorsi incapsulati del segnale rispetto al resto del sistema, al rilevamento di percorsi rientranti (feedback pathways) che controllino il segnale ai primi stadi dell’elaborazione[25].

Quante di queste conclusioni si possano però adottare per restringere i modelli di architettura funzionale di determinati processi cognitivi dipende da una serie di assunzioni che permettono di correlare le proprietà anatomo-fisiologiche dei sistemi cerebrali considerati con gli stadi e i processi relativi al trattamento dell’informazione. Cercheremo di mettere in luce di seguito quali siano i limiti epistemologici a cui la metodologia elettrofisiologica soggiace nel trarre ipotesi sull’organizzazione funzionale di determinate capacità a partire da evidenza neuroscientifica.


II.2 – PROBLEMATICHE EPISTEMOLOGICHE

 

Abbiamo fin qui delineato quali siano le strategie d’indagine dell’elettrofisiologia. Cercheremo ora di mostrare come queste stesse prerogative, eccellenti per mappare l’anatomia funzionale del cervello nelle specie animali, rappresentino spesso dei limiti per l’impiego di tale metodo al fine di investigare o convalidare le conoscenze note circa l’architettura funzionale di particolari sistemi cognitivi nell’uomo.

In particolare, ci soffermeremo sullo scarto che sussiste fra lo studio delle aree sensorimotorie primarie e quello delle aree associative superiori nonché sui limiti legati alla risoluzione spaziale del metodo (che non permette rilevazioni dell’attività cerebrale a livello globale); passeremo in seguito a discutere della questione epistemologica della definizione dello stimolo e della sua correlabilità con l’attività neurale rilevata; concluderemo infine con una breve rassegna di problemi complessivi relativi alla generalizzazione dei risultati ed alla scarsa versatilità del metodo a causa della sua invasività.

 

A) Il metodo non è impiegabile per lo studio di funzioni “alte”

 

I tentativi di descrivere funzionalmente le cortecce cerebrali con tecniche elettrofisiologiche si sono concentrati soprattutto sulle aree motorie e sensoriali primarie, in quanto la loro relazione con la periferia è più chiara e più facilmente investigabile: più infatti ci si allontana dalla periferia, più i criteri di analisi funzionale (compresi quelli sull’organizzazione topografica delle aree) divengono difficili da applicare[26]. Dal punto di vista topografico, per esempio, se anche possiamo postulare che diverse aree di sistemi cerebrali siano oganizzate secondo mappe topografiche (per esempio, nel caso del sistema visivo, mantengano proprietà retinotopiche)[27], per le aree più remote dalla periferia sensoriale tali mappe diventano complesse da discernere.

La scelta di mappare aree in relazione diretta con la periferia fa inoltre sì che l’attenzione della ricerca elettrofisiologica abbia privilegiato più la delimitazione spaziale di popolazioni di cellule dal comportamento omogeneo che non le relazioni gerarchiche che intercorrono su larga scala tra popolazioni neurali di diversa specializzazione - il che rende il metodo poco appropriato all’analisi di processi che richiedano l’intervento congiunto di aree di diversa funzionalità[28].

 

B) La misura dell’attività cerebrale al livello di singole cellule è inadeguata per l’analisi di funzioni “emergenti”

 

            La forza del metodo elettrofisiologico, ovverosia la precisione spazio-temporale nella misura dell’attività cerebrale a livello di singoli neuroni, è stata considerata da diversi studiosi come il suo maggiore limite nello studio della cognizione. Conoscere nel dettaglio il comportamento di singoli neuroni può risultare irrilevante ai fini della comprensione di specializzazioni funzionali di popolazioni di neuroni. Non è qui in gioco soltanto la “grana” di indagine più adeguata per studiare il tipo di fenomeni che ci interessa mappare, bensì la garanzia stessa che l’analisi di un sistema, condotta ad un certo livello, isoli delle proprietà rilevanti per i livelli superiori di analisi. Nulla garantisce cioè che l’attività complessiva di una popolazione neurale possa essere ricostruita linearmente dall’attività specifica dei singoli neuroni che ne fanno parte[29]. Un caso rappresentativo può essere quello del rilevamento dei “bordi” (boundaries) all’interno di una scena visiva, un’operazione che si ritiene coinvolta in tutti i task di riconoscimento visivo di forme e oggetti. Anche supponendo che esista un’insieme di neuroni specializzato a tal fine, è ragionevole pensare che l’informazione relativa alla presenza di un bordo (ovvero di una discontinuità nel campo visivo fra zone di diversa intensità luminosa) sia codificata da un insieme di neuroni, che non da un singolo neurone – se si considera infatti che un neurone è reattivo soltanto a ciò che si presenta all’interno del suo campo recettivo, proprietà che interessano porzioni più ampie della scena visiva non saranno rilevabili attraverso misure della specifica attività di una cellula[30]. Il problema è quello di individuare il “veicolo” dell’informazione che si intende studiare. Se è vero, da un lato, che solo una descrizione dell’attività cerebrale a livello neuronale è in grado di individuare le strutture responsabili della codificazione dell’informazione (assumendo che i neuroni, e non strutture ancora più semplici, si possano assumere come strutture elementari dei processi di elaborazione dell’informazione nel cervello), è altrettanto vero che esistono proprietà codificate da aggregati di neuroni e che non sono per definizione accessibili al livello delle singole unità. Anche se disponessimo della matrice completa dell’attività dei singoli neuroni di uno specifico sistema in ogni istante t della durata di un processo, non saremmo in grado di ricostruire, in mancanza di conoscenze più globali, il funzionamento complessivo del sistema[31]

Le misurazioni effettuate a livello microstrutturale, per essere rilevanti al fine della descrizione dell’architettura funzionale di un sistema, invocano l’integrazione di modelli di information processing che diano informazioni sulle proprietà globali dei singoli componenti[32].

 

C) La relazione che intercorre tra stimolo ed attività misurata non è perspicua.

           

Un limite teorico intrinseco a questo metodo si presenta tanto nella misura delle reazioni neurali a stimoli sensoriali, quanto in quella di reazione motoria a stimolazione elettrica: la relazione che in entrambi i casi intercorre tra lo stimolo prodotto e la reazione osservata non è necessariamente perspicua. Il problema di come porre in relazione le risposte motorie con le aree cerebrali dalla cui stimolazione esse sono prodotte è già stato riconosciuto in tempi remoti: diversi meccanismi possono infatti produrre il movimento osservato[33]. Analogamente, la validità delle inferenze tratte a partire dall’attivazione neurale indotta dalla presentazione di stimoli distali dipende criticamente da che cosa si consideri nello stimolo caratteristica rilevante per l’attivazione, che cosa sia in esso essenziale e che cosa puramente accidentale, cioè quale aspetto (o, più precisamente, quale dimensione) dello stimolo sia ritenuto responsabile dell’attivazione del neurone: se la specializzazione dei neuroni è definita in base al tipo di caratteristiche degli stimoli cui essi reagiscono (si pensi ad esempio, nel caso delle cortecce visive, alle singole cellule che rispondono a stimoli orizzontali piuttosto che verticali o altrimenti orientati), bisogna garantire che tali caratteristiche siano propriamente quelle che guidano l’attività del neurone e non siano invece tratti secondari o accidentali di altre caratteristiche che meglio corrispondono alla specializzazione del neurone. Le difficoltà derivanti dal problema dell’interpretazione dello stimolo si riscontrano nella cautela con cui gli studiosi tracciano i confini funzionali delle aree cerebrali individuate per via elettrofisiologica: il fatto che le specializzazioni delle diverse aree non corrispondano in modo esclusivo a singole caratteristiche rilevanti degli stimoli, ma risultino più o meno sovrapposte, mostra - più che l’inesistenza di componenti modulari sensibili selettivamente a tali caratteristiche - l’inadeguatezza delle categorie comunemente adoperate per la loro classificazione[34].

 

D) La variabilità individuale ostacola la generalizzazione delle scoperte

 

            Comune ai diversi metodi di brain mapping è il problema della generalizzazione delle mappe tratte a partire da misure su singoli individui. Le mappe sono generalmente costruite, per esigenze pratiche, a partire da misure effettuate su diversi soggetti e la variabilità anatomica individuale, già complessa da gestire a livello macroscopico (differenze nella conformazione anatomica delle strutture convoluzionari), lo è a maggior ragione per analisi microstrutturali. Mentre però metodi di mapping di scala più ampia devono necessariamente ricorrere a descrizioni statistiche delle mappe, non disponendo di criteri multipli di analisi anatomo-funzionale di scala simile, nel caso dell’elettrofisiologia abbiamo mostrato come l’integrazione di metodologie indipendenti fornisca criteri incrociati per costruire sistemi di riferimento applicabili da un individuo all’altro[35].

 

E) L’invasività delle tecniche classiche ne impedisce l’applicazione all’uomo, le tecniche non invasive hanno una versatilità limitata per lo studio del cervello umano.

           

            L’introduzione di metodi elettrofisiologici non invasivi[36] ha aperto la strada a studi comparati inconcepibili fino all’inizio degli anni ’80: stimolazioni elettriche transcraniche hanno permesso, per esempio, di mettere in relazione le caratteristiche locali delle mappe motorie corticali di uomini e primati. Il limite delle tecniche non invasive sta tuttavia nella loro scarsa precisione spaziale: il volume che esse campionano le accomuna piuttosto con le tecniche di brain imaging a larga scala che non all’elettrofisiologia; non esiste, in altri termini, un equivalente non invasivo che permetta di misurare direttamente l’attività cerebrale a livello di singoli neuroni[37]. Accanto alle tecniche di stimolazione magnetica, sono state sviluppate tecniche non invasive di inibizione magnetica che, provocando interruzioni temporanee del flusso del segnale o ostacolando l’attività di determinate aree corticali, permettono di studiare la specializzazione funzionale di popolazioni neurali secondo la stessa strategia “indiretta” degli studi di lesione su animali e della neuropsicologia. La precisione spaziale di tali tecniche resta tuttavia di gran lunga inferiore rispetto a quella delle registrazioni in vivo dell’attività corticale: tutte queste strategie non invasive (comprese, come vedremo, le tecniche di brain imaging propriamente dette) sono accomunate dalla difficoltà di mettere in relazione le loro rilevazioni con l’anatomia cerebrale soggiacente. L’idea di mappare per via elettrofisiologica non invasiva l’anatomia funzionale del cervello umano deve quindi forzatamente rinunciare a quella caratteristica che ha fatto dell’elettrofisiologia tradizionale un metodo tanto potente per lo studio dell’anatomia cerebrale animale, vale a dire la sua accuratezza descrittiva spazio-temporale.

L’alternativa più promettente resta ancora quella dello studio in vivo sulle cortecce dei primati. Da un lato sono state sviluppate tecniche per disegnare mappe ipotetiche dell’organizzazione funzionale della corteccia cerebrale umana a partire da quelle relative ai primati, riadattandole all’anatomia del cervello umano sulla base delle corrispondenze della morfologia superficiale (in perfetta continuità con l’idea di Ferrier) [38].

D’altro canto, l’affidabilità degli approcci comparativisti è indebolita da diversi fattori. In primo luogo, mentre nel caso dei primati lo stato della ricerca è ad uno stadio avanzato, la conoscenza della connettività corticale nel cervello umano è ancora in larga misura incompleta. Specie diverse di primati differiscono inoltre in modo considerevole fra loro nell’organizzazione delle aree visive più fondamentali, con la conseguenza che qualsiasi estrapolazione, ad esempio, di ipotesi dall’anatomia funzionale dei macachi a quella umana deve essere tratta con estrema prudenza. Infine, nella misura in cui sono soprattutto capacità peculiari degli esseri umani a motivare il nostro interesse per l’esplorazione delle funzioni del cervello (come il linguaggio), nessun modello animale è suscettibile di fornire informazioni sufficienti per l’analisi di tali facoltà[39].

 

II.3 – CONCLUSIONI

 

Concludiamo la nostra trattazione sul metodo elettrofisiologico con alcune osservazioni di carattere generale. Abbiamo mostrato come l’elettrofisiologia rappresenti la strategia più fruttuosa per tracciare mappe dell’anatomia funzionale del cervello per le specie animali. Fondamentali, a questo riguardo, riteniamo che siano due fattori.

In primo luogo la possibilità di analizzare contestualmente le proprietà funzionali e le proprietà strutturali delle popolazioni neurali cui essa si applica: attraverso questa congiunzione metodologica, l’elettrofisiologia non soltanto dispone di solide garanzie ai fini della generalizzazione interindividuale dei risultati, ma apre al tempo stesso uno spazio epistemologico entro cui vagliare teorie sulla microimplementazione dei processi cognitivi ed elaborare modelli computazionali di elaborazione neurale. In questo senso, essa rappresenta un ponte verso lo studio della microstruttura della cognizione.

In secondo luogo, l’analisi della connettività: si sta rivelando sempre più fondamentale per il confronto fra modelli comportamentali di determinate abilità e teorie neuroscientifiche della loro realizzazione, la conoscenza di come l’informazione viene trattata all’interno di un sistema: più che l’individuazione di aree fortemente specializzate, l’interesse si concentra sulla descrizione dei percorsi del segnale attraverso aree di diversa funzionalità.

 

Riteniamo che grazie a queste due caratteristiche, più che ad altri aspetti del metodo elettrofisiologico, si possa impiegare evidenza neuroscientifica per testare ipotesi sull’organizzazione funzionale di capacità analizzate in sede psicologica[40]. È emerso tuttavia, nel corso di questo capitolo, l’insieme dei problemi epistemologici che impediscono di stabilire direttamente, a partire dall’individuazione di percorsi privilegiati del segnale e di aree reattive a particolari classi di stimoli, l’esistenza di stadi distinti e di processi differenziati nell’elaborazione dell’informazione.

Sarà oggetto del prossimo capitolo la questione di come confrontare modelli comportamentali e mappe neurali per sostenere ipotesi circa il trattamento dell’informazione all’interno del cervello.

 

Abbiamo mostrato, inoltre, due delle ragioni essenziali che ostacolano l’impiego del metodo elettrofisiologico per l’analisi della cognizione. Innanzitutto la scala descrittiva che, privilegiando gli aspetti locali della realizzazione neurale di particolari sistemi, non può rendere conto del loro ruolo da un punto di vista globale. In secondo luogo l’impasse legata all’esportazione dei risultati dagli animali all’uomo, che non può fondarsi su assunzioni sufficientemente solide. Mostreremo nel IV capitolo come i metodi di brain imaging siano intesi a colmare questa duplice lacuna e come, a tale scopo, rinunciando ad alcuni requisiti fondamentali del metodo elettrofisiologico, essi perdano, al contempo, la forza descrittiva di quest’ultimo.



[1] Tratteremo in questo capitolo esclusivamente del metodo dell’elettrofisiologia delle singole cellule. Altre tecniche elettrofisiologiche (come l’EEG), il cui spettro descrittivo (e di conseguenza le questioni metodologiche) è più prossimo a quello dei metodi di brain imaging, saranno per questa ragione introdotte soltanto nel capitolo IV.

[2] Ci concentreremo qui soprattutto sull’impiego di tecniche elettrofisiologiche applicate a strategie d’indagine di tipo bottom-up (volte cioè a studiare la specializzazione funzionale del cervello tramite rilevazione dell’attività neuronale indotta da stimoli sensoriali), lasciando in secondo piano quegli studi che, inversamente, si occupano dello studio delle reazioni dell’organismo generate dalla stimolazione elettrica di particolari aree corticali (strategie top-down), per le quali rimandiamo a Mateer (1983). 

[3] cfr. Cheney (1996), p.278.

[4] Fritsch & Hitzig (1870).

[5] Si confronti il capitolo I.

[6] Ferrier (1886); cfr. Bechtel & Mundale (1999), p.185.

[7] Brodmann (1909); cfr. Mundale (1997), p.95ss.

[8] La tecnica, introdotta da Camillo Golgi e sviluppata da Santiago Ramón y Cajal, è intesa a rendere visibile l’organizzazione architettonica delle cellule all’interno di un tessuto tramite la loro perfusione per mezzo di un marcatore.

[9] La nomenclatura che oggi viene impiegata per la classificazione delle aree corticali corrisponde sostanzialmente ad un  perfezionamento della classificazione di Brodmann.

[10] Tale assunzione fu impugnata dai contemporanei di Brodmann, i quali mostrarono che i confini delle aree tracciati su basi funzionali non coincidevano se non accidentalmente con i confini citoarchitettonici. Cfr. Mundale (1997), p.35.

[11] Il metodo delle lesioni su animali consiste nell’ablazione di circoscritte porzioni di cervello da cavie di diversa specie, al fine di studiarne gli effetti dal punto di vista comportamentale, secondo un ragionamento analogo quello dei deficit studies della neuropsicologia. Per una rassegna generale sul metodo delle lesioni, cfr. Grobstein (1990).

[12] In questi casi uno screening elettrofisiologico consente di prevedere con una certa affidabilità le ricadute comportamentali dell’intervento operatorio.

[13] Penfield e Boldrey, cit. in Cheney (1996).

[14] Questa caratteristica accomuna l’elettrofisiologia delle misurazioni intracorticali a quella dei potenziali evocati (EP), che registra l’attività elettrica evocata da determinati stimoli attraverso elettrodi applicati alla superficie del cranio. Si tratta della tecnica più antica di misurazione diretta dell’attività cerebrale umana ed è storicamente la prima ad esser stata impiegata per descrivere la specializzazione funzionale dei diversi lobi cerebrali nell’uomo. Pur avendo una risoluzione spaziale ridotta, a vantaggio della globalità della misurazione, e limiti intrinseci legati alla difficoltà di mettere in relazione l’attività rilevata con le aree corticali da cui è prodotta, tale tecnica permette di misurare in modo continuo rispetto alla variabile temporale le variazioni del potenziale elettrico sulla superficie del cranio che si producono durante lo svolgimento di un task (si veda il capitolo IV per l’impiego dei potenziali evocati a integrazione delle metodologie di brain imaging)

[15] Per esempio l’orientamento spaziale, la frequenza spaziale, la frequenza temporale, la direzione, la trama, la lunghezza d’onda etc.- cfr. Van Essen & Gallant (1994), p.3.

[16] Mundale (1997), p.137: “With retrograde tracing, the tracer is injected into a given region, picked up at the distal axonal end of neurons in that region, and carried backward down the axon to the cell body.  This methods shows the course and location of the incoming, or afferent neuronal pathways into the region where the tracer was injected.  In anterograde tracing, the procedure is the same, except the tracer is absorbed into the cell body first, and then carried down to the distal end of the axon.  This method shows the axonal course of the outgoing, or efferent pathways from the region”.

[17] Felleman & Van Essen (1991);

[18] Felleman & Van Essen (1991).

[19] cfr. Mundale (1997), p.26.

[20] Mundale (1997), p.29 : “ brain boundaries are the result of active determinations on the part of researchers to adopt certain methods, privilege a certain set of criteria, and decide how well the emerging boundaries define a putative area.

[21] Ricordiamo, a titolo di esempio, il dibattito sull’esistenza di un centro cortical per il colore nel sistema visivo umano e la sua identificazione nelle aree V4 o V8, dibattito che riprenderemo nel corso dell’ultimo capitolo di questo lavoro – cfr. Hadjikhani et al. (1998)

[22] Si possono addurre sempi di aree non contigue che rappresentano la base neurale di uno stesso componente funzionale (si veda l’ultimo capitolo). Ciò che intendiamo chiederci in questa sede è se la discontinuità anatomica fra “aree” sia un elemento rilevante per la loro definizione come aree distinte.

[23] Cfr. ad esempio De Yoe, E.A., Felleman, D.J., Van Essen, D.C., McClendon, E. (1994): “the distinction  between streams may reflect a dichotomy  between form and colour perception, or alternatively between analyses of object boundaries versus interior surface characteristics”. Ma i problemi relativi all’interpretazione funzionale delle connessioni rimane dibattuto. Un acceso scontro è intercorso fra Churchland (1992) e Fodor (1990) a proposito della rilevanza di informazioni di tipo neurofisiologico per determinare l’information encapsulation di particolari sistemi o il carattere parallelo piuttosto che seriale di determinati processi, cfr. Mundale (1997), p.137. Si tratta cioè di stabilire se la scoperta di connessioni fra aree ritenute responsabili di particolari processi (evidenza neuroanatomica) possa essere interpretata in senso funzionale e di conseguenza impiegata come argomento contro la natura modulare di tali processi (sul piano, cioè, della loro architettura funzionale).

[24] Si consideri lo studio di O’Keefe e Nadel, cit. in Richardson & Bechtel (1993), p.140 – nel quale, oltre ad ascrivere all’ippocampo determinate funzioni, si cerca di spiegare tale correlazione in termini di proprietà microstrutturali dell’ippocampo stesso o lo studio di Zeki (1980) sulle proprietà delle cellule sensibili al colore nell’area V4 della corteccia visiva.

[25] Cfr. Van Essen, Anderson & Gallant (1992).

[26] Non vogliamo qui inoltrarci in alcun tipo di discussione sul significato di “periferia” e “centro” di un sistema cognitivo e sull’indagine delle loro interazioni (cfr. ad esempio Fodor (1983)), ci limitiamo semplicemente a distinguere fra aree più o meno prossime alla periferia sensoriale sulla base dei criteri gerarchici che regolano le relazioni fra tali aree.

[27] cfr. Cheney (1996).

[28] La precisione con cui gli studi elettrofisiologici individuano le relazioni gerarchiche tra diversi circuiti neurali, attraverso tecniche di pathway-tracing, fornisce tuttavia un quadro completo delle possibili direzioni del flusso dell’informazione all’interno di un sistema - cfr. Van Essen, Anderson & Felleman (1992), p.419.

[29] Un caso rappresentativo può essere quello del rilevamento dei confini (boundaries) all’interno di una scena visiva, un’operazione coinvolta in tutti i task di riconoscimento visivo di forme e oggetti. Anche supponendo che esista un’insieme di neuroni specializzato a tal fine, è ragionevole pensare che l’informazione relativa alla presenza di un confine (ovvero di una discontinuità nel campo visivo fra zone di diversa intensità luminosa) sia codificata da un insieme di neuroni, che non da un singolo neurone – se si considera infatti che un neurone è reattivo soltanto a ciò che si presenta all’interno del suo campo recettivo, proprietà che interessano porzioni più ampie della scena visiva non saranno rilevabili attraverso misure della specifica attività di una cellula. 

[30] La distinzione che è qui in gioco è quella fra proprietà addittive di singoli componenti e proprietà emergenti dal loro insieme: in quest’ultimo caso, si definiscono “emergenti” proprietà relative ad un sistema che non corrispondono 1) né a proprietà dei componenti singolarmente presi, 2) né alla risultante lineare della somma delle proprietà di tali componenti

[31] Cfr. Kennedy (1971), cit. in Grobstein (1990): “attempts to synthesize from single-element data confront one with the dilemma that much of the recorded activity is irrelevant to the behavior studied, and that functional populations are thus difficult to construct from individual elements”; Mazziotta (1996), p. 400: “a technique that measures only a small volume of tissue in a larger system requires a very well characterized hypothesis with regard to the site of interest than techniques with a larger sampling volume (…) detailed examinations of a local event  with high spatial resolution and low volume sampling may lead to conclusions that would be far different if seen in the context  of other participating sites of activity at centers in the brain not sampled in the small measurement volume”. Si vedano inoltre: Sejnowski (1986), p.460; Churchland, Koch, Sejnowski (1990), p.46; Kosslyn (1994), p.50. Va osservato che non tutte le tecniche elettrofisiologiche mirano a misurare l’attività di singoli neuroni: attraverso tecniche di multi-electrode recording è possibile infatti rilevare l’attività complessiva di ridotte popolazioni neurali oppure misurare contemporaneamente l’attività cerebrale in diversi punti della corteccia. Il volume campionato da tali tecniche resta comunque incomparabile con quello delle metodologie di misura dell’attività cerebrale su larga scala, delle quali ci occuperemo nel capitolo V.

[32] Si veda Marr (1982); Van Essen, Anderson & Felleman (1992): “the neurobiological approach [qui il metodo elettrofisiologico] provides a detailed anatomical and physiological description of the visual system and suggests a number of key principles, including modular design, hierarchical organization and the presence of distinct but intertwined processing streams. The system engineering perspective provides a framework for analyzing and interpreting these and other aspects of visual system organization. It emphasizes the need for computationally sound models that are grounded in basic principles of signal processing and respect both the power and the limitations of the underlying neural circuitry

[33] cfr. Bechtel & Mundale (1999), p.185-187. Già Ferrier si sarebbe reso conto delle molteplici cause adducibili a spiegazione delle risposte motorie elettricamente prodotte (risultato di “una modifica della coscienza” intraducibile in termini fisiologici, presenza di riflessi, stimolazione di aree coinvolte ma non di per sé responsabili del movimento), concludendo che la validità del metodo elettrofisiologico dipende drasticamente dal suo confronto con dati di altra provenienza.

[34] Van Essen & Gallant (1994), p. 3 – analizzando l’organizzazione funzionale delle aree visive, hanno individuato aree sensibili a caratteristiche quali l’orientazione spaziale, la frequenza spaziale, la frequenza temporale, la direzione, la disparità, la lunghezza d’onda, i contorni etc. degli stimoli presentati, ma a nessuna di questa caratteristiche singolarmente prese.Il problema va generalmente sotto il nome di overlapping implementation – cfr. Kosslyn (1994), p.28: “We can always conceive of a subsystem as computing a single function but it sometimes may be difficult to characterize that function using common sense or natural languages. For example, color and shape information, although obviously distinct in our sensoria, may be conflated at some stages of neural information processing. There is no reason why our common sense intuitions about function, based on our subjective experience of interacting with objects in the world, should reflect the details of neural information processing”. Mi sembra che il nodo problematico sia colto nel modo più efficace da Van Essen, Anderson & Felleman (1992), p.420-421 – laddove si distinguono da un lato feature detectors, intesi ad isolare singoli tratti dello stimolo, dall’altro filtri, concepiti invece come stadi che ripuliscono dell’informazione da caratteristiche non rilevanti ai fini del processo. Neurons at each stage are best described as filters that are selective along multiple stimulus dimensions (…) This perspective differs from the notion promoted by «feature detectors» advocates that early cortical processing is mainly devoted to the explicit detection of features such as edges or zero-crossings of intensity derivatives. These are essentially logical, all-or-none decisions that are better postponed to later stages of analysis”.

[35] Cfr. Van Essen, Anderson & Felleman (1992), p. 419.

[36] cfr. Cheney (1996), p.286.

[37] È significativa la posizione, pur anteriore allo sviluppo delle tecniche di brain imaging a larga scala, di Hubel (1979) – “In order to really understand something such as speech, which is peculiar to man, it will be necessary to find ways of recording from single neurons from outside the skull”.

[38] Van Essen, Drury, Joshi & Miller (1998), p.793 – hanno mostrato che deformando in modo topologicamente adeguato le mappe ottenute dall’analisi elettrofisiologica delle cortecce visive nei primati è possibile un raffronto comparativo con le mappe dell’organizzazione delle aree visive nell’uomo ottenute tramite PET e fMRI.

[39] Cfr. Woods (1996), p.314 – il quale conclude osservando che: “a detailed map of the entire human cortical surface analogous to the map of the macaque visual system is an ambitious goal to pursue for human structure-function correlation

[40] Bechtel & Mundale (1997) sottolineano il ruolo fondamentale che la scoperta di due distinti percorsi dell’informazione all’interno del sistema visivo ha rappresentato per lo sviluppo dei modelli comportamentali della visione.