Ricerca neuroscientifica: come si studia il cervello?

Come si fa a studiare il funzionamento del cervello umano? La ricerca neuroscientifica fa uso di diversi strumenti volti a esplorare quest'organo vitale. Vi invitiamo a scoprirli in questo articolo.

Scritto e verificato lo psicologo Francisco Roballo.

Ultimo aggiornamento: 22 dicembre, 2022

La ricerca neuroscientifica è fondamentale e i progressi in questo ambito alimentano la speranza di combattere alcune malattie neurodegenerative. Fino a pochi anni fa le tecniche di neuroimaging erano solo un miraggio e provare la veridicità di alcune teorie sul sistema nervoso era difficile se non impossibile.

Nel 1988 il medico spagnolo Santiago Ramón y Cajal descrisse la morfologia dei neuroni attraverso un complesso sistema di colorazione. Da quel momento in poi la ricerca neuroscientifica ha fatto passi da gigante, dalla scoperta dell’elettroencefalogramma (EEG) alla classificazione dei ritmi biologici del cervello.

Cos’è uno strumento di ricerca neuroscientifica?

Gli strumenti per la ricerca neuroscientifica sono dispositivi che consentono di studiare il sistema nervoso. Le cosiddette tecniche di neuroimaging sono utilizzate a scopi clinici e accademici. Questi strumenti permettono quattro diversi approcci al sistema nervoso:

• Funzionale: descrivono il funzionamento del sistema nervoso, per esempio attraverso i flussi o il grado di attivazione delle varie aree.

• Strutturale: forniscono informazioni anatomiche sul cervello o altre strutture del sistema nervoso.

• Elettrico: tecniche relative all’attività elettrica del sistema nervoso.

• Stimolante: strumenti basati sulla stimolazione cerebrale non invasiva.

Neuroimaging strutturale

Fra gli strumenti di neuroimaging strutturale specializzati nel fornire informazioni sull’anatomia del cervello, il più semplice e utilizzato è la radiografia.

Si tratta di una tecnica di emissione di raggi X che, a seconda della densità del tessuto, proiettano una diversa immagine sulla lastra fotografica. Esistono due tipi di radiografie:

• Radiografia semplice: fa uso esclusivo dei raggi X e viene solitamente impiegata per analizzare le ossa che circondano il sistema nervoso in caso di fratture.

• Radiografia con mezzo di contrasto: funziona sullo stesso principio a raggi X, ma prevede anche l’uso di un catetere che passa attraverso l’arteria femorale. Il contrasto permette di individuare anomalie vascolari.

Tomografia Assiale computerizzata

Parliamo della famosa TAC. Questa tecnica funziona tramite l’emissione di raggi X da varie direzioni, permettendo di ottenere un’immagine più completa e a tutto tondo.

È uno strumento veloce e a basso costo che permette di individuare tumori, aneurismi ed emorragie. Al contempo, le radiazioni emesse non fanno bene al corpo e la definizione ottenuta non è elevata come quella di altri strumenti.

Risonanza magnetica

Questa tecnica di ricerca neuroscientifica permette di estrapolare in modo sicuro immagini ad alta risoluzione del nostro organismo; fra gli accorgimenti per poterla utilizzare bisogna ricordare che non è compatibile con impianti metallici.

Si basa sul fenomeno della risonanza magnetica nucleare, ossia registra il movimento degli atomi di idrogeno utilizzando un campo magnetico e onde a radiofrequenze.

Gli atomi di idrogeni sono presenti in abbondanza nel nostro corpo, e questo garantisce l’efficacia della tecnica. Non presenta effetti collaterali in quanto non utilizza raggi X, ma ha un costo elevato.

Trattografia

È uno strumento utilizzato per verificare il funzionamento dei fasci di fibre di sostanza bianca del cervello. Questi sono composti per la maggior parte da acqua, e hanno il compito di trasportare a grande velocità le informazioni nervose, trattandosi principalmente di assoni mielinizzati.

Questa tecnica permette di valutare la struttura subcorticale del cervello, andando a individuare malattie neurodegenerative ed epilessia.

Tecniche di neuroimaging funzionale per la ricerca neuroscientifica

Queste tecniche di ricerca neuroscientifica permettono di individuare dal vivo i cambiamenti dell’attività cerebrale. Possono essere adoperate per valutare i processi cognitivi in concomitanza con il funzionamento dei loro correlati anatomici.

Tomografia a emissione di positroni

Questo strumento funziona attraverso l’introduzione di sostanze radioattive nel sangue, che vengono assorbite dalle cellule ad alta attività metabolica. Durante questo processo, gli isotopi che emettono positroni si annullano quando coincidono con gli elettroni, generando un’energia elettromagnetica che viene captata dal dispositivo.

Si tratta di una tecnica molto usata per diagnosticare tumori cerebrali, caratterizzati da un metabolismo maggiore. Serve anche a individuare malattie neurodegenerative.

Nel caso dell’Alzheimer, per esempio, la degenerazione delle cellule provoca un minor assorbimento della sostanza radioattiva e l’immagine differisce rispetto a quella emessa da un cervello normale.

Ricerca neuroscientifica: tomografia computerizzata ad emissione di fotone singolo

Si tratta di una tecnica simile a quella anteriore, ma al contrario di questa si basa sull’emissione di raggi gamma e di un isotopo prodotto direttamente dentro l’organismo.

In seguito alla rivelazione, si ottiene un’immagine che evidenzia attraverso vari colori i diversi gradi di attivazione cerebrale.

Risonanza magnetica funzionale

Trattasi di una risonanza magnetica effettuata sul paziente mentre svolge un qualche tipo di attività cognitiva. Si fonda sull’idea che quando attiviamo i nostro processi mentali, i neuroni coinvolti richiedono più energia e quindi più ossigeno.

Quando rispondiamo a stimoli mentali, il consumo di sangue ossigenato (contenente proprietà magnetiche), aumenta, e questa maggiore attività viene registrata dal dispositivo. Nonostante gli elevati costi, è utilissima per localizzare le funzioni cognitive del cervello.

Tecniche elettrofisiologiche

Queste tecniche permettono di registrare l’attività elettrica del cervello. Tra le più note elenchiamo:

• Elettroencefalogramma. Sistema che registra i potenziali elettrici del cervello individuando il tipo di onda e la frequenza su cui funziona.

• Elettromiografia. Tecnica di valutazione dell’attività elettrica dei muscoli. Si usa per esplorare i nervi periferici.

• Elettrooculogramma. Registro elettronico muscolare del movimento degli occhi, atto a distinguere le fasi del sonno.

Tecniche di stimolazione cerebrale

Queste tecniche permettono di influenzare l’attività cerebrale attraverso due tipi di stimoli:

• Magnetico: con la stimolazione magnetica transcranica si induce il passaggio di correnti all’interno del cervello. È una tecnica non invasiva che registra l’attività cerebrale in risposta all’emissione di un flusso di corrente elettrica che genera un campo magnetico.

• Elettrico: si inserisce un flusso di corrente a bassa intensità attraverso elettrodi posizionati sul cuoio capelluto. Si ottiene un cambio nell’eccitabilità dei neuroni della corteccia.

Queste tecniche di stimolazione raggiungono soltanto le aree della corteccia e sono utilizzate prettamente per identificare processi mentali o per creare lesioni virtuali.

Il loro utilizzo per migliorare il rendimento o trattare disturbi come le fobie è ancora in fase di sperimentazione, e non va applicato su persone con epilessia, impianti o donne incinte.

L’importanza delle tecniche di ricerca neuroscientifica

Le malattie del sistema nervoso possono avere conseguenze gravissime. Individuare un tumore o un’emorragia per tempo è fondamentale per aumentare le chance di sopravvivenza. Anche saper rintracciare una malattia neurodegenerativa alle prime fase è determinante per ritardarne i sintomi.

D’altra parte, i progressi scientifici ci hanno permesso di conoscere meglio il cervello. Oggi, per esempio, è possibile mettere a confronto il cervello di un individuo depresso con quello di un a persona normale, ottenendo differenze funzionali associate alla patologia.

Allo stesso modo, possiamo identificare le aree cerebrali responsabili di processi e funzioni specifiche, come l’attenzione.