~ gabriella giudici

Nella raccolta di articoli seguente, ho messo in relazione i risultati di studi e ricerche in campo biologico sullo sviluppo del cervello e gli importanti esperimenti di Webb e Rosenzweig sul ruolo dell’ambiente nello sviluppo dell’intelligenza.

Indice

1. Lo sviluppo del cervello fetale

1.1 Cervello e DNA
1.2 Gli stadi di sviluppo del cervello fetale
1.3 I meccanismi di sviluppo dei nervi e del cervello

2. Il ruolo delle prime esperienze nello sviluppo del cervello

2.1 Gli esperimenti di Webb e Rosenzweig

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1.1 Cervello e DNA

Il cervello umano adulto possiede circa 12 miliardi di neuroni. I circuiti presenti nel sistema nervoso adulto sono le stesse in tutti i mammiferi: resta dunque da spiegare cosa renda il cervello umano così speciale e complesso. Non è infatti il DNA a spiegarlo interamente. Per capire il cervello umano non bastano i soli aspetti biologici.

Il cervello umano cresce e si sviluppa a una velocità sorprendente — nei nove mesi che vanno dalla fecondazione alla nascita produce neuroni a una velocità media di 250.000 al minuto.

Questi miliardi di cellule nervose aumentano in un modo che all’inizio sembra caotico, ma in seguito, gradualmente, vanno a formare quella miriade di vie e strutture nervose (12 miliardi di neuroni) che si trovano in tutti i cervelli umani adulti.

In effetti, i circuiti principali presenti nel cervello sono fondamentalmente gli stessi in tutti i mammiferi, in quanto lo sviluppo strutturale del cervello è in gran parte predeterminato. Il progetto di base di questo complesso “impianto” deriva dai geni e dalla loro interazione con l’ambiente cellulare durante lo sviluppo, dall’uovo fecondato all’adulto.

Rimane ancora misterioso il processo di crescita e sviluppo che porta il cervello a diventare la struttura più complessa dell’universo conosciuto. Molti pensano che nel materiale genetico dei cromosomi, il DNA, vi sia una “fotocopia” della persona, compreso il cervello, ma non è così.

Il DNA presente nel nucleo di una cellula contiene un numero sorprendente di informazioni — quante, è stato valutato, ne contiene un’enciclopedia in parecchi volumi – e codifica qualche milione di proteine, ma il numero delle connessioni fra i neuroni nel cervello umano è di gran lunga superiore.

E allora, che cosa fa il DNA? Il DNA contiene la “norma principale”, in quanto specifica esattamente il programma di produzione degli elementi di base (le proteine) e le regole fondamentali per il loro impiego. Una gran mole di ulteriori informazioni viene, comunque, fornita da sostanze specializzate che si trovano nella cellula esternamente al nucleo. Successivamente, man mano che si sviluppano i tessuti, le interazioni crescono e forniscono regole ancora più specifiche.

La domanda centrale sulla crescita del cervello è come si sviluppino i precisi, dettagliati ed estremamente complessi circuiti neuronali nel cervello umano. Le risposte definitive a questo quesito verranno esaminando i singoli neuroni e le loro interazioni, i loro processi di crescita e di migrazione e gli eventi fisici e chimici responsabili di questi processi.

1.2 Gli stadi di sviluppo del cervello fetale

Gli incredibili cambiamenti delle cellule epidermali che entrando in contatto con gli stati interni del derma diventano neuroni e gli stati di sviluppo del cervello fetale: a 25 giorni simile a quello di un verme, a 50 a quello di un pesce, a 100 di un mammifero e solo a 150 a quello del futuro essere umano.

Originariamente, i neuroni si formano dalle cellule che si trovano nello strato esterno dell’embrione, definito ectoderma, tramite l’interazione con le cellule che si trovano nello strato immediatamente sottostante, il mesoderma. Evidentemente, le cellule mesodermali producono delle sostanze che inducono le cellule epidermali a diventare neuroni. Senza questo impulso, queste cellule probabilmente diventerebbero cellule della pelle.

Inizialmente, le cellule ectodermali sono indotte a formare un sottile strato di cellule, cui è stato dato il nome di piastra neuronale. Le parti terminali della piastra neuronaie successivamente andranno a formare il prosencefalo e la parte neuronale dell’occhio, la retina.

La lamina neuronale cresce, si piega e diventa il tubo neuronaie, nel quale i neuroni si sviluppano e si moltiplicano rapidamente. In seguito, in momenti diversi, raggruppamenti di neuroni migrano verso la loro destinazione definitiva.

Questa migrazione ha inizio quando un certo tipo di cellula nervosa cessa di dividersi. Quando le cellule nervose perdono la capacità di sintetizzare il DNA e formano nuove cellule, cominciano a migrare verso la loro dimora all’interno del cervello.

A 25 giorni il sistema nervoso è abbastanza simile a quello di un verme, mentre fra i 40 e i 50 è chiaramente il cervello di un vertebrato, in quanto assomiglia ai cervelli di vertebrati primitivi come i pesci.

A 100 giorni è decisamente il cervello di un mammifero e a 5 mesi quello di un primate. Da questo punto in poi, la vasta espansione ed elaborazione del prosencefalo e della corteccia cerebrale lo identificano come specificamente umano.

Nei primi stadi dello sviluppo il cervello umano e l’embrione assomigliano per certi aspetti a forme di vita più primitive; questa osservazione ci riporta all’antica tesi che l’ontogenesi ripercorre la filogenesi: lo sviluppo embrionale dell’essere umano passa cioè attraverso tutti gli stadi di evoluzione dei viventi.  Ciononostante, in ogni stadio dello sviluppo, il cervello di ogni specie ha caratteristiche uniche.

1.3 I meccanismi dello sviluppo dei nervi e del cervello

Il sistema nervoso degli invertebrati è semplice, per cui ogni esemplare ha lo stesso aspetto e numero di connessioni di quello di ogni altro membro della specie. Il caso dei vertebrati è molto diverso perché il cervello, molto più complesso, è anche molto più plastico, così che numero delle connessioni neurali varia di molto da individuo a individuo.

Aplysia (lumaca marina)

Numerosi invertebrati hanno un sistema nervoso semplice, dotato di poche migliaia di neuroni.

La lumaca marina, o Aplysia, ne è un esempio: i suoi neuroni si trovano solo in piccoli raggruppamenti, o gangli, all’interno dei quali è possibile distinguere ogni singolo neurone, che possiede lo stesso aspetto e le medesime connessioni in ogni Aplysia. Spesso, una certa funzione o un certo comportamento è mediato da un dato neurone.

II cervello dei vertebrati segue invece un percorso molto diverso. Mentre i tipi di neuroni sono fondamentalmente pochi, nelle strutture cerebrali ne esistono milioni di ogni tipo.

Nei geni dell’Aplysia si trova una grande quantità di informazioni che controllano la forma e le connessioni particolari di ciascuno di quelle poche migliaia di neuroni. Nei vertebrati le cose vanno diversamente, poiché il numero delle connessioni sinaptiche è molto maggiore rispetto alla quantità delle informazioni che si trovano nei geni. Questa constatazione suggerisce immediatamente che il cervello dei vertebrati è molto più plastico e modificabile rispetto al sistema nervoso degli invertebrati più semplici.

gemelli monozigotici

In effetti, è evidente che gli schemi di connessione molto sofisticati e dettagliati presenti nel cervello dei vertebrati non sottostanno a un controllo genetico molto rigido.

Nella specie umana, ad esempio, i gemelli monozigotici hanno geni identici, ma non cervelli identici. Gli schemi delle interconnessioni sinaptiche fra i neuroni sono diversi in ogni individuo.

Nonostante questa variazione, negli schemi delle connessioni sinaptiche presenti nel cervello dei vertebrati geneticamente identici, tutte le strutture cerebrali e le vie nervose più importanti sono le stesse in tutte le specie, compresi i mammiferi. Come si spiega che la moltitudine di vie nervose e di strutture siano le stesse in ogni cervello umano?

L‘ipotesi trofica sostiene che i terminali nervosi in crescita si attaccano ad altri neuroni o cellule particolari in base a un’affinità chimica reciproca. I gradienti chimici di alcune sostanze favoriscono la crescita dell’assone orientato verso un particolare gruppo ai cellule bersaglio.

Se danneggiato, il nervo ottico di una rana torna a crescere e a funzionare

Questa teoria è stata elaborata da Roger Sperry, che nel 1981 vinse il premio Nobel per la medicina. In un esperimento, Sperry resecò il nervo ottico di una rana; nelle rane (ma non nei mammiferi) il nervo torna a crescere dall’occhio nella direzione del cervello e ricomincia a funzionare, così che la rana riprende a vedere, Sperry scoprì che le fibre tornavano sempre a crescere producendo le scesse connessioni di prima, anche se occhio subiva una rotazione dopo l’intervento, in modo che le fibre dovevano cominciare il loro viaggio da una posizione diversa.

Neurone

Dagli esperimenti di Sperry emerge con grande evidenza che sono i segnali chimici a guidare in qualche misura gli assoni verso le destinazioni giuste.

Se è così, per guidare la crescita di migliaia di vie nervose diverse le sostanze chimiche debbono essere molto numerose. Attualmente, se ne conosce una sola, il fattore di crescita dei nervi (FCN). Gli esperimenti sui ratti hanno dimostrato che gli assoni crescono verso l’area in cui è stato iniettato il FCN. È possibile che il FCN si sia diffuso all’esterno rispetto al punto dell’iniezione, formando un gradiente chimico, che serve a guidare la crescita delle fibre — in alcuni casi anche da distanze considerevoli — verso il sito dell’iniezione.

Due altri meccanismi generali dello sviluppo cerebrale sono la perdita delle cellule e la competizione del terminale dell’assone.

Entrambi i processi attraversano due fasi. Man mano che il cervello dell’embrione si sviluppa, i neuroni che si formano sono sempre più numerosi rispetto a quelli che riusciranno a sopravvivere. Nel corso del processo di crescita, molti muoiono.

La seconda fase, che consiste in una sintonizzazione accurata delle connessioni sinaptiche, sembra essere il risultato di una competizione fra i terminali sinaptici dei neuroni confinanti per occupare i siti sinaptici in altre cellule.

Questi due principi, quello dei segnali chimici trofici e quello della perdita cellulare e della competizione dei terminali dell’assone sono solo il cuneo che aprirà l’accesso alla comprensione definitiva di come il cervello arriva ad essere quello che è.

2. Il ruolo delle prime esperienze nello sviluppo del cervello

2.1 Gli esperimenti di Webb e Rosenzweig

Per quanto noi veniamo al mondo con un cervello e delle capacità che sono state in parte predeterminate dai nostri geni, la natura dell’ambiente in cui cresciamo produce un impatto profondo e a lunga durata. A livello intuitivo sembra ovvio che è meglio allevare un bambino in un ambiente ricco di molti stimoli, esperienze e cose da fare e, dagli studi sugli animali emergono prove più che convincenti che cervello e comportamento si sviluppano in misura maggiore in un simile ambiente.

1942: Il primo esperimento su apprendimento e ambiente

Il primo ad esaminare questi effetti è stato Donald Webb (1942), alla McGill University. Webb allevò alcuni ratti di laboratorio in un ambiente ricco di stimoli — la sua casa. Dopo averli presi da piccoli, li fece crescere come animali domestici. Una volta cresciuti, li portò in laboratorio e li sottopose al test che misura le capacità di imparare il percorso di un labirinto. Questi ratti ottennero risultati molto migliori rispetto ai fratelli.

All’Università di Berkeley (California), Mark Rosenzweig e David Krech (Rosenzweig, Krech, Bennett e Diamond, 1962) allestirono un ambiente ricco di stimoli per alcuni ratti e li allevarono in gruppi sociali. I soggetti del gruppo di controllo (fratelli e sorelle dei ratti “ricchi”) venivano allevati individualmente in gabbie da laboratorio standard (ratti “poveri”) o in gruppi sociali in gabbie da laboratorio più grandi (ratti poveri di relazioni sociali). A tutti e tre i gruppi — ratti ricchi, ratti poveri e ratti poveri di relazioni sociali — vennero forniti tutto il cibo e l’acqua di cui avevano bisogno e furono tenuti puliti.

Rosenzweig e i suoi colleghi misurarono molte caratteristiche del cervello, soprattutto la corteccia cerebrale, e valutarono anche le capacità comportamentali dei ratti, i risultati furono molto chiari. Quasi tutte le misurazioni raccolte dimostrarono che vi era stato un incremento nello sviluppo del cervello nei ratti ricchi rispetto a quelli poveri. I ratti poveri di relazioni sociali generalmente si collocavano in una posizione intermedia. In realtà, gli effetti prodotti dalle esperienze precoci risultano già evidenti pesando il cervello: i ratti ricchi avevano un cervello più pesante di quelli poveri; inoltre eseguivano con maggiore precisione molti compiti di apprendimento in laboratorio.

Aumento della complessità dendritica con la stimolazione ambientale

William Greenough e M. K. Floeter (Floeter e Greenough, 1979) della University of Illinois hanno registrato gli effetti dell’esperienza sullo sviluppo del cervello nelle scimmie. Un gruppo di scimmie venne allevato in gabbie individuali quasi subito dopo la nascita, mentre un altro gruppo viveva in gabbie analoghe, ma poteva giocare con altre scimmie ogni giorno. Un terzo gruppo venne allevato insieme ad altre scimmie di tutte le età in due stanze comunicanti attrezzate con materiali e strutture per giocare. I neuroni più importanti del cervelletto — le cellule di Purkinje — presentavano una complessità dendritica significativamente maggiore nelle scimmie ricche rispetto a quelle povere o deprivate di relazioni sociali.

Per riassumere, l’esperienza esercita effetti importanti sulla crescita dei processi neuronali e sulla formazione delle sinapsi nel cervello, soprattutto nelle prime fasi dello sviluppo. La formazione delle sinapsi è molto più sensibile ai fattori ambientali di quanto si pensasse in precedenza. Sembra che le sinapsi si formino e scompaiano nel corso di qualche ora o di qualche giorno e questo può accadere durante tutto l’arco della vita.