Cervello umano: struttura, funzioni e potenzialità

Cervello umano: struttura, funzioni e potenzialità A cura di Redazione Studenti.

Come funziona il cervello umano? Anatomia, struttura, funzioni e potenzialità dell'organo principale del sistema nervoso centrale

1Introduzione al sistema nervoso centrale

Il sistema nervoso riceve stimoli sia dall’ambiente esterno che da quello interno e li “analizza” in modo da produrre nei vari organi risposte appropriate e coordinate. Nel Sistema Nervoso Centrale (SNC) dell’Uomo si distinguono l’encefalo e il midollo spinale (situato nel canale vertebrale) che sono connessi ai recettori sensitivi e ai muscoli tramite lunghi assoni che formano i nervi periferici. 

Il midollo spinale è la sede dei riflessi elementari quali quello di estensione del ginocchio e di retrazione di un arto da uno stimolo calorico o puntorio, ma anche di riflessi più complessi. 

Sezione dei due emisferi del cervello: si vede chiaramente di quanti "strati" sia composto il cervello umano
Sezione dei due emisferi del cervello: si vede chiaramente di quanti "strati" sia composto il cervello umano — Fonte: istock

L’encefalo comprende tutte le formazioni che sono contenute nella scatola cranica e svolge un ruolo fondamentale nell’acquisizione delle informazioni, nel controllo motorio e nel mantenimento dell’omeostasi del nostro corpo. L’encefalo può essere suddiviso in quattro regioni:    

  1. Il tronco cerebrale: contiene dei centri nervosi che controllano ad esempio la respirazione e la pressione sanguigna. Attraverso il tronco cerebrale le informazioni provenienti dal midollo spinale raggiungono il resto dell’encefalo e viceversa.
  2. Il cervelletto: controlla la postura, l’equilibrio e la coordinazione dei movimenti ed è situato alla base della scatola cranica.
  3. Il diencefalo: situato al di sopra del tronco cerebrale al centro del cranio, è formato da tre strutture:
    • talamo (riceve e smista informazioni derivanti dagli organi di senso)
    • ipotalamo (controlla la temperatura corporea, il bilancio idrico, il metabolismo e i bioritmi giornalieri quali sonno e fame. E’ sede delle emozioni, del centro del piacere e dell’assuefazione)
    • ipofisi (ghiandola del sistema endocrino). 
  4. Il telencefalo: è la parte più voluminosa di tutto l’encefalo ed è comunemente detto cervello.

L’encefalo e il midollo spinale sono rivestiti da tre strati di tessuto (meningi) di spessore e struttura diversi:   

  • la dura madre, molto spessa, aderisce alla parte ossea;
  • la pia madre, molto sottile e vascolarizzata, aderisce al tessuto nervoso;
  • l’aracnoide, con struttura a rete, che si trova tra le altre due meningi.

Tra l’aracnoide e il tessuto nervoso c’è lo spazio subaracnoideo che contiene il liquido cefalo-rachidiano o liquor che riempie tutte le cavità del sistema nervoso centrale.     

2Il cervello

Il cervello è tutt’oggi considerato l’organo più complesso e misterioso del nostro organismo, in grado di controllare molteplici funzioni molto diverse tra loro e alla base della vita di tutti noi, quali la memoria, il linguaggio, i movimenti di braccia e gambe e il funzionamento in genere di tutti gli organi presenti nel corpo con conseguente regolazione ad esempio del respiro e del battito cardiaco

Parti di cui si compone il cervello umano: i lobi
Parti di cui si compone il cervello umano: i lobi — Fonte: istock

Gran parte dello sviluppo del cervello umano si realizza nell’utero materno. Durante la vita intrauterina le dimensioni del cervello aumentano moltissimo per il rapido incremento sia del numero delle cellule specializzate (neuroni) che lo compongono, che delle strutture di sostegno e delle connessioni.    

Il cervello adulto è composto da miliardi di neuroni e le connessioni che sviluppano tra loro sono decine di migliaia. Più avanti nel testo cercheremo di capire il funzionamento del cervello attraverso la descrizione della struttura e dei meccanismi che lo caratterizzano a livello delle singole cellule.    

2.1Struttura anatomica del cervello

Anatomicamente, il cervello è costituito da due emisferi cerebrali speculari che sono divisi da un solco interemisferico. Alla base di quest’ultimo però i due emisferi risultano collegati da una rete di fibre nervose che costituiscono il corpo calloso

  • La parte superficiale del cervello (corteccia cerebrale) è costituita da sostanza grigia (contenente cellule nervose e connessioni sinaptiche)
  • La parte più profonda è costituita da sostanza bianca (fibre nervose)

La superficie degli emisferi cerebrali presenta delle pliche che separano le circonvoluzioni cerebrali. Introflessioni più profonde (solchi o scissure) permettono di suddividere gli emisferi in lobi cerebrali. 

La parte principale dell’encefalo è costituita dagli emisferi cerebrali in cui sono individuabili 4 lobi (frontale, parietale, temporale e occipitale). Gli emisferi sono connessi alle strutture sottostanti attraverso il tronco encefalico. 

Ciascuno dei lobi è specializzato per una certa funzione: 

  • Lobo frontale >> programmazione ed esecuzione del movimento
  • Lobo parietale >> percezione delle sensazioni somatiche
  • Lobo occipitale >> vista
  • Lobo temporale >> udito, apprendimento e memoria
Ad ogni parte del cervello corrisponde una funzione : ad esempio, "si legge" col lobo occipitale, mentre si imparano le lingue con quello temporale
Ad ogni parte del cervello corrisponde una funzione : ad esempio, "si legge" col lobo occipitale, mentre si imparano le lingue con quello temporale — Fonte: istock

Nell’uomo, la corteccia è l’area cerebrale maggiormente sviluppata e abbiamo già accennato come le funzioni di molte aree corticali siano note. Molte di queste funzioni vengono compiute da entrambi gli emisferi mentre alcune da uno soltanto. Sono state identificate alcune aree coinvolte in alcune funzioni superiori come quella del linguaggio che è lateralizzata a sinistra nella maggior parte delle persone. 

Le vie che vanno dai recettori sensitivi alla corteccia e quelle che dalla corteccia vanno ai muscoli si incrociano. Per questo, i movimenti del lato destro del corpo sono controllati dalla parte sinistra della corteccia e viceversa così come la parte sinistra del corpo manda segnali sensitivi all’emisfero destro. Ciò nonostante, le due metà del cervello non lavorano separatamente, in quanto la corteccia cerebrale destra e quella sinistra sono collegate dal corpo calloso. 

2.2I neuroni e la trasmissione dei segnali

A questo punto, per capire meglio come il cervello riesca ad elaborare i segnali sonori, visivi o tattili che riceve attraverso gli organi di senso, cerchiamo di addentrarci nella struttura e nel funzionamento della singola cellula.  

Il sistema nervoso è composto da una sorta di rete di cellule specializzate note come neuroni (cellule eccitabili) e di cellule di supporto note come cellule della glia (non eccitabili). L’eccitabilità dei neuroni è determinata dalla presenza di canali ionici voltaggio-dipendenti nella membrana cellulare e l’impulso nervoso è generato proprio dal cambiamento della differenza di potenziale di membrana

In pratica, se il neurone viene stimolato, il potenziale della membrana può aumentare da circa –70 mV a circa –50 mV (potenziale di soglia). Raggiunto questo valore di soglia, molti canali per il sodio si aprono e un gran numero di ioni Na+ passano dall’esterno all’interno della cellula.  

Dato che la concentrazione di cariche positive all’interno aumenta, il potenziale si inverte bruscamente e raggiunge un valore di +35 mV, che viene detto potenziale d’azione

A questa sequenza di eventi, detta depolarizzazione della membrana, segue subito dopo il  ristabilirsi delle condizioni a riposo (ripolarizzazione della membrana). 

3Dendriti e sinapsi

Tutti i neuroni hanno una stessa struttura di base. Possiamo distinguere un ampio corpo cellulare, che contiene il nucleo e il citoplasma, da cui partono due processi: i dendriti e un assone

  • I dendriti sono molto ramificati e formano sinapsi, ovvero siti specializzati di comunicazione, con i neuroni adiacenti e per questo possono essere definiti come strutture preposte all’ingresso delle informazioni.
  • L’assone (o fibra nervosa) è una porzione del corpo cellulare che si estende e termina o su altri neuroni o su organi ed ha la funzione di trasmettere i potenziali d’azione fino alla sinapsi, zona in cui l’assone entra in contatto con i dendriti di altri neuroni.
Struttura di un neurone: ecco come gli impulsi si trasmettono all'interno del cervello umano
Struttura di un neurone: ecco come gli impulsi si trasmettono all'interno del cervello umano — Fonte: istock

La sinapsi è composta dalla terminazione nervosa presinaptica separata da un sottile spazio dalla componente postsinaptica. La trasmissione del segnale in questo spazio avviene per mezzo dei neurotrasmettitori che sono contenuti in vescicole (vescicole sinaptiche) addensate alle estremità dell'assone che contrae rapporto sinaptico con altri neuroni. 

Nel momento in cui il neurone viene raggiunto da uno stimolo, le vescicole sinaptiche si fondono con la membrana pre-sinaptica, riversando il proprio contenuto nello spazio sinaptico e si legano a recettori o localizzati sulla membrana post-sinaptica. L'interazione fra i neurotrasmettitore e il recettore scatena una risposta nel neurone post-sinaptico. 

Nello specifico, la terminazione dell’assone che conduce l’impulso nervoso rilascia il neurotrasmettitore e, in questo modo, l’impulso elettrico viene tradotto in un segnale chimico

La terminazione postsinaptica che riceve il segnale nervoso, presenta sulla sua membrana recettori specifici e in grado di legare i neurotrasmettitori. Questo legame determina alterazioni elettriche della membrana del neurone postsinaptico. Nel caso che venga raggiunto il valore soglia, tutto questo si traduce in un impulso nervoso che viaggia rapidamente e si propaga ad altri neuroni. 

Abbiamo visto quindi come a livello cerebrale si generano dei veri e propri segnali elettrici che viaggiano attraverso la rete neuronale. L’attività cerebrale è rilevabile attraverso l’elettroencefalogramma, in grado di evidenziare la generazione, dalla corteccia cerebrale, di onde elettriche diverse a seconda dello stato di della persona (allerta, sonno, sogno, etc..). 

4Il cervello ed il controllo della motilità

Nei Primati e nell’Uomo la corteccia cerebrale svolge un ruolo predominante nel controllo dei movimenti. Qui ci sono le così dette aree motorie (soprattutto a livello delle regioni parietali e frontali degli emisferi cerebrali) e queste sono connesse alle formazioni sottocorticali con cui interagiscono permettendo la coordinazione dei movimenti attitudinali (riflessi) con quelli molto più precisi e fini (tipici della motilità volontaria). 

Il controllo encefalico della motilità si attua attraverso vie che portano segnali ai motoneuroni spinali e a quelli dei nervi cranici (muscoli del capo e del collo). 

5Malattie neurodegenerative del cervello

Le malattie neurodegenerative sono patologie debilitanti che provocano la degenerazione progressiva e/o la morte delle cellule nervose causando disturbi nel movimento (atassie) o nel funzionamento mentale (demenze). Alcuni esempi di malattie neurodegenerative sono:

  • Alzheimer
  • Parkinson
  • Malattia da prioni
  • Malattie dei motoneuroni
  • Morbo di Huntington
  • Atassia spinocerebellare
  • Atrofia muscolare spinale
Un tempo si riteneva che il morbo di Alzheimer colpisse solo le persone anziane. Oggi si sa invece che ci si può ammalare anche al di sotto dei 65 anni.
Un tempo si riteneva che il morbo di Alzheimer colpisse solo le persone anziane. Oggi si sa invece che ci si può ammalare anche al di sotto dei 65 anni. — Fonte: istock

La demenza di Alzheimer oggi colpisce circa il 5% delle persone con più di 60 anni e in Italia si stimano circa 500mila ammalati. 

Nei malati si osserva una perdita di cellule nervose nelle aree cerebrali vitali per la memoria e per altre funzioni cognitive e si riscontra, inoltre, un basso livello di neurotrasmettitori come l'acetilcolina. 

Questa malattia colpisce quindi la memoria, la capacità di parlare e di pensare e può causare anche stati di confusione e disorientamento spazio-temporale (dati dell’Istituto Superiore di Sanità). 

Dopo la malattia di Alzheimer, quella di Parkinson è la malattia neurodegenerativa più diffusa. 

Questa malattia è caratterizzata dalla degenerazione neuronale della sostanza nera (Substantia nigra pars compacta, Snpc) e, da un punto di vista biochimico, da una riduzione della quantità di dopamina a livello della Snpc. Si manifesta con un tipico tremore a riposo, rigidità, lentezza dei movimenti automatici e instabilità posturale. 

Le cause della malattia di Parkinson non sono ad oggi completamente conosciute, ma è accettata l’ipotesi secondo cui a determinarla vi siano sia fattori ambientali che genetici

5.1Alcune frontiere della ricerca scientifica sul cervello

Rita Levi Montalcini è la scienziata italiana cui si deve la scoperta del "fattore di crescita nervoso".
Rita Levi Montalcini è la scienziata italiana cui si deve la scoperta del "fattore di crescita nervoso". — Fonte: ansa

Il potenziale impiego delle cellule staminali per riparare i  neuroni danneggiati nel  cervello adulto rappresenta un filone di ricerca molto importante, attuale e promettente. 

5.2Rita Levi Montalcini e il fattore di crescita nervoso (NGF)

Neurologa e senatrice a vita, Rita Levi Montalcini fu insignita del Premio Nobel per la medicina nel 1986. A proposito del NGF disse: “La scoperta del NGF all'inizio degli anni '50 è un esempio affascinante di come un osservatore acuto possa estrarre ipotesi valide da un apparente caos. In precedenza i neurobiologi non avevano idea di quali processi intervenissero nella corretta innervazione degli organi e tessuti dell'organismo”.

Il corpo non importa, ciò che conta è la mente. (Rita Levi Montalcini)