'"
"
Gerald M. Edelman Darwinismo neurale La teoria della selezione dei gruppi neuronali
Prefazione di Giulio Tononi A cura di Silvio Ferraresi
Titolo originale Neura! Darwinism. Tbe Tbeory ofNeurona! Group Se!eetion.
6
© I987 Basic Books, Inc., New York Pubblicato per getlJ:i1e concessione della Basic Books, una divisione di HarperColiins Publishers, Inc.
ISBCC BIBLIOTECA MARCONI Inventario Q1.3'8..4.2.1-
© I995 Giulio Einaudi editore s. p. a., Torino Traduzione di Silvio Ferraresi ISBN 88-06-I2752-7
Einaudi
/ . /"-..,.
,~,;/.! i,,,, ,-"
Indice
p.
IX
XIII XIV XVII XXI
xxxv
Figure nel testo Elenco delle abbreviazioni Elenco dei simboli matematici Prefazione Prefazione ail'edizione italiana Nota del curatore
Darwinismo neurale
3
Parte prima La selezione somatica Capitolo primo Riassunto e introduzione storica
5 6
I. 2.
I I
3.
13
4·
14 18
5· 6. 7. 8.
22
25
Introduzione Un profilo sintetico della teoria Il pensiero popolazionistico in neurobiologia Selezione naturale e pensiero popolazionistico in relazione al comportamento Declino e rinascita delle idee selezioniste Alcune concezioni di selezione somatica Distinzioni critiche tra le teorie selezioniste Selezione e istruzione nelle teorie globali del cervello
Capitolo secondo Struttura, funzione e percezione 28
I.
3I
2.
Introduzione Categorizzazione percettiva e generalizzazione
Indice
Indice
VI P.38 43
3. Variabilità e connessioni sovrapposte nelle strutture neurali 4. Sfide critiche ai modelli istruzionisti o a elaborazione d'informazione
Capitolo terzo La selezione dei gruppi neuronali 50 53 65 68 75 79
8I
I. Introduzione 2.
3. 4. 5· 6.
Degenerazione e la definizione di un gruppo Siti di variabilità Il rientro: perché è necessaria la sua struttura e la sua funzione La forza esplicativa della teoria Il significato adattativo della selezione dei gruppi neuronali
180
5. Sviluppo ed evoluzione: il rapporto tra ipotesi dei regola tori ed etero-
186 188 200
6. La conservazione evolutiva della degenerazione nei sistemi distribuiti 7. Arborizzazioni sovrapposte e mappe rientranti 8. Funzione delle mappe ed eterocronia
ralleli cronia
Capitolo settimo Una concezione popolazionistica delle sinapsi: le basi del repertorio secondario 204 206
I.
Introduzione
2. Lo sfondo per un modello popolazionistico
Capitolo quarto I fondamenti della variabilità nello sviluppo: il repertorio primario
220 224 228 232 234
3. Un esempio formale della regola postsinaptica e una applicazione alla formazione delle mappe 4. Una trattazione formale delle modificazioni presinaptiche 5. Le due regole e i loro effetti popolazionistici in una rete 6. Gli effetti di un modello popolazionistico che segue le due regole 7. La logica dei trasmettitori 8. La relazione tra variazione sinaptica e memoria
237
Parte terza Le funzioni globali
96
3.
102 108 I 15
5.
I.
4. 6.
Introduzione Le CAM e la modulazione della superficie cellulare nel corso della morfogenesi Le sequenze di espressione delle CAM nel corso della embriogenesi e della neurogenesi Gli effetti della funzione delle CAM L'ipotesi dei regolatori Variabilità e conservazione della configurazione nella struttura neurale
Capitolo quinto La dinamica cellulare delle mappe neurali Introduzione Rappresentazione e mappaggio I vincoli dello sviluppo nella formazione delle mappe E venti cellulari primari e selezione L'organizzazione delle mappe durante lo sviluppo Le mappe nell' adulto: competizione stabilizzata in circuiti fissi 7. Conclusioni 1.
2. 3. 4. 5. 6.
Capitolo sesto Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti 162 165
3. Un esempio di rete 4. La variabilità tra specie: l'origine evolutiva di nuclei, lamine e circuiti pa-
2I I
2.
160
p. 172 175
Parte seconda I meccanismi epigenetici
83 85
121 123 127 135 140 146
VII
1.
Introduzione
2. Variazione evolutiva nelle reti neurali
Capitolo ottavo Azione e percezione 239 243 245 253 259 264 270 272
Introduzione Il complesso motorio Considerazioni evolutive Le basi funzionali dei gesti Gesti e selezione dei gruppi neuronali Gli influssi dell' attività motoria sulle lamine sensoriali: correlazione dei caratteri e campionamento parallelo 7. I mappaggi globali 8. Riassunto 1.
2. 3. 4. 5. 6.
Capitolo nono Categorizzazione e memoria 275 278 280 283
1.
Introduzione
2. Restrizioni e definizioni 3. La categorizzazione 4. La categorizzazione percettiva
Indice
VIII
p. 294 297 303
5· Riassunto critico 6. Organizzazione neurale e generalizzazione 7. Il problema della memoria rivisitato
Figure nel testo
Capitolo decimo Reti selettive e automi percettivi 310 3II 318 328
Introduzione Darwin II: il sistema 3. Darwin II: il comportamento 4. I limiti e le prospettive nelle prestazioni I.
2.
Capitolo undicesimo Selezione, apprendimento e comportamento 33 1 333 335 33 8
I. 2.
Introduzione L'interpretazione moderna degli esperimenti sull'apprendimento Apprendimento e sorpresa Comportamento e condizionamento Gerarchie selettive nello sviluppo dell' apprendimento: il canto degli uccelli La selezione dei gruppi neuronali nell'apprendimento Dalle reti selettive rientranti all' elaborazione di informazione
35 1
3. 4. 5. 6. 7.
355
Parte quarta Conclusione
34 1 345
36 3 365
37 2 375 40 7 477
33 34 34 35 37 41
56
Capitolo dodicesimo Riassunto, previsioni e implicazioni 357
p. 19
Introduzione Adeguatezza della teoria 3. Previsioni della teoria 4. Aspetti incompiuti del lavoro e implicazioni generali
57 61
L
2.
Glossario Bibliografie Indice analitico
71 86 89
92 97 98
103
Un mnemòne o singola unità di memoria come l'ha proposta John Z. Young [1965]. 2. Schizzo. 3. Contesto. 4. L'illusione di Wundt-Hering. 5. Modelli di foglie dagli esperimenti di Cerella [I 977]. 6. Regola polimorfa per gli elementi di un insieme, da Dennis e altri [1973]. 7. Variabilità anatomica [Pearson e Goodman 1979; Macagno e altri 1973; Ramon y Cajal 1904]. 8. Dipendenza di due forme di funzioni di riconoscimento dal numero N di elementi presenti in un repertorio, calcolati secondo un semplice modello. 9. Due casi estremi di repertorio: con un unico elemento (non degenerato) e con elementi completamente degenerati [Schmitt e Worden, The Neurosciences: 4th Study Program]. IO. Confronto fra le funzioni rr teoriche e sperimentali in funzione della soglia di accoppiamento e dell'ampiezza del repertorio in Darwin I [Schmitt e altri, The Organization 01the Cerebral Cortex]. I I. Una coppia di classificazione operante in tempo reale per mezzo del rientro. 12. Disegni dei processi primari. 13. Schema della struttura della catena lineare di due CAM primarie (N-CAM e L-CAM) e della CAM secondaria Ng-CAM. 14. Modalità di legame delle CAM e modulazione della superficie cellulare. 15· La sequenza principale nella espressione delle CAM. 16. Variazione nella distribuzione delle N -CAM e delle L-CAM nella fase di formazione della piastra (induzione neurale) e della doccia neurale (neurulazione). 17. N-CAM nella piastra motoria terminale e variazioni della distribuzione nel muscolo dopo denervazione [«Journal of Cell Biology», CIII (1986), p. 934, fig. 2]. I.
x
Figure nel testo
p. 105
18. Ruolo causale delle CAM nel modulare l'induzione embrionale e nel delimitare i confini. 19. Mappa presuntiva composita delle CAM nel pollo. 20. L'ipotesi dei regolatori esemplificata in un ciclo regolativo delle CAM e nelle sequenze epigenetiche. 2 I. Disegno schematico di quattro cellule della glia radiale e della coorte di neuroni migranti associati, come li ha disegnati Rakic [19 8Ia]. 22. La mappa retinotettale nello Xenopus [Fraser 1985]. 23. Gli effetti degli anticorpi anti-CAM sulla organizzazione delle mappe retinotettali. 24. Normali variazioni nella mappa somatosensoriale [Merzenich e altri 1984a]. 25. Variazioni temporali nelle mappe somatosensoriali in seguito a lesioni [Merzenich e altri 1983b]. 26. Variazioni nel campo recettivo della corteccia somatosensoriale in conseguenza a una lesione periferica [Merzenich e altri 1983b]. 27. Una afferenza talamica all'area 3b del gatto rivelata da una iniezione di perossidasi del rafano [Landry e Deschenes 1981]. 28. Colonne di dominanza oculare [Hubel e Wiesel 1977]. 29. La rete visiva dello Pseudemys, una tipica sfida all'analisi evolutiva [Ulinski 1980]. . 30. La teoria della parcellizzazione di Ebbesson [1980]. 3 I. L'ipotesi dei regolatori. 32. Le tre componenti nella formazione delle mappe secondo la teoria della selezione dei gruppi neuronali. 33. Concettualizzazione schematica dell'ipotetico processo del confinamento dei gruppi. 34. Rappresentazione estremamente idealizzata di arborizzazioni afferenti talamiche sovrapposte. 35. Schema delle connessioni rientranti dinamiche verticali e orizzontali attraverso un sistema collegato di lamine e nuclei. 36. Schema degli input ricevuti da un neurone. 37. Proposta di un meccanismo postsinaptico. 38. Limitazioni temporali nella modificazione postsinaptica. 39. Cinetica della modificazione stato-dipendente impiegando, come esempio, un modello di canale a due stati. 40. Simulazione al computer di un modello di plasticità della mappa somatosensoriale impiegando la regola postsinaptica [Pearson e altri 1987]. 4 I. Diagramma di flusso illustrante le modalità operative della regola presinaptica. 42. Classi di connessioni tra gruppi.
10 9 113 13 0 14 1 145 148 15 0 15 2 155 15 8 173 17 6 18 3 19 1 194 195 199 20 9 212 21 4 21 4 218
221 226
Figure nel testo p.229
23 0 23 1 24 8
254
25 6 257 261 28 5 29 0 29 8 300 3 01 313
31 5 3 20 3 21 32 4 3 26 - 2 7
353
XI
43. Rete di connessione impiegata in simulazioni al computer che rappresentano ciascuna regola in azione isolatamente e le regole in azione simultaneamente. 44. Simulazione al computer che illustra gli effetti delle regole sinaptiche. 45. Illustrazione delle modificazioni a lungo termine che favoriscono una variazione in conseguenza dell' operazione delle due regole. 46. Comparazione dell'attività elettromiografica dei muscoli mascellari e dei movimenti mascellari nel pesce percoide e nel pesce ciclide [Liem 1974]. 47. Come suggerito da Bernstein [1967], i movimenti circolari effettuati dal braccio esteso in diverse posizioni sono realizzati da schemi di innervazione completamente differenti per traiettorie dello stesso tipo. 48. Modelli di andatura nella corsa in età diverse (strisce successive) secondo Bernstein [1967]. 49. «Topologia» secondo Bernstein [1967]. 50. Schema di alcune delle componenti che creano un mappaggio globale. 5 I. L'esperimento di riconoscimento degli alberi di Herrnstein [1982]. 52. Esempi di figure impiegate da Kellman e Spelke [1983] per verificare la percezione da parte di neonati di quattro mesi di oggetti parzialmente nascosti. 53. Ambiguità nella classificazione secondo Bongard [1970]. 54. La selezione di parti di gruppi neuronali come risultato dei mappaggi rientranti delle disgiunzioni di parti in insiemi polimorfi di segnali. 55. Schema di una coppia di classificazione che impiega il rientro. 56. Struttura logica di un gruppo in Darwin II. 57. Piano costruttivo semplificato di Darwin II. 58. Le risposte di repertori individuali (R, R di R, e RM ). 59. Istogrammi della frequenza di risposta. 60. Visioni schematiche di Darwin II, illustranti tre stadi in un esperimento di richiamo associativo per scopi esplicativi. 61. Risposte di gruppi individuali R di R in un esperimento di richiamo associativo. 62. Schema illustrante alcune interazioni tra evoluzione (il «grande anello») e diverse condizioni di sviluppo determinate da eventi embrionali e dalla selezione soma tic a dei gruppi neuronali negli individui (il «piccolo anello»).
Elenco delle abbreviazioni
CAM CAR CSV dg dp dps L·CAM
M N·CAM Ng·CAM NGF PPS SAM SC SnC
Si ringraziano la Royal Society e J ohn Z. Y oung per la figura I; la Royal Societye David H. Hubel per la figura 28; l'American Psychological Associa· tion e John Cerella per la figura 5; la MacmillianJournals Ltd. e Ian Dennis per la figura 6; la Alan R. Liss, Inc. per le figure 7 A e 27, e Eduardo R. Macagno per la figura 7 B; la Mit Press per le figure 8, 9, IO; la Rockefeller University Press per la figura 17; l'editore Elsevier e Pasko Rakic per la figura 21; la Brain Research Organization per le figure 25 e 26; Milton Fingerman dell' «American Zoologist» per la figura 29; la Springer-Verlag e Sven O. E. Ebbesson per la fi· gura 30; Gary D. Schnell, di «Systematic Zoology», e K. F. Liem per la figura 46; la Pergamon Press, Ltd. per le figure 47 e 48; Matthew Wayner, di «Neu· roscience and Biobehavioral Review», e RichardJ. Herrnstein per la figura 51; l'Academic Press e PhilipJ. Kellman per la figura 52; la New York Academy of Sciences per le figure 57,58,59 e 60.
Il
molecola di adesione cellulare canali attivati dal recettore canali sensibili al voltaggio grande dominio polipeptidico della N·CAM piccolo dominio polipeptidico della N·CAM piccolo dominio di superficie della N·CAM molecola di adesione cellulare del fegato sostanza modificante molecola di adesione cellulare neurale molecola di adesione cellulare neurone·glia fattore di crescita della cellula nervosa potenziale postsinaptico molecola di adesione del substrato stimolo condizionato stimolo non condizionato
Elenco dei simboli matematici
Elenco dei simboli matematici
1* (t) M (t) g;
il: Ek
h Capitolo VII çi Tjii
tr tM
tD
tv Kf
Kb Kb2 a(V) b(V) a~'(V)
b(V)
N N1' Nk
N!: A (t) A*(t) I(t)
"I
efficacia presinaptica; quantità di neurotrasmettitore rilasciato dalla cellula i in funzione di una certa depolarizzazione efficacia postsinaptica; depolarizzazione locale prodotta in un prolungamento postsinaptico della cellula i in funzione di una certa quantità di trasmettitore rilasciato dalla cellula j intervallo temporale tra l'input omosinaptico e la produzione diM costante temporale per la persistenza della sostanza modificante ritardo temporale medio di conduzione in funzione degli effetti eterosinaptici costante temporale in funzione della persistenza delle variazioni del voltaggio costante di frequenza per la «modificazione anterograda» da I a 1* nella regola postsinaptica costante di frequenza per la «modificazione retrograda» dallo stato 1* allo stato I costante di frequenza per la «modificazione retrograda» da A allo stato A * costante di frequenza voltaggio-dipendente per la transizione da I ad A (la frequenza diminuisce con la depolarizzazione) costante di frequenza voltaggio-dipendente per la transizione da A a I (la frequenza aumenta con la depolarizzazione) costante di frequenza per la transizione da 1* ad A * costante di frequenza per la transizione da A * a 1* numero totale di canali sensibili al voltaggio in una terminazione postsinaptica numero totale dei CSV modificati numero dei CSV delle specie k numero dei CSV delle specie k modificati numero di canali nello stato Attivato al tempo t numero di canali nello stato Attivato modificato al tempo t numero di canali nello stato Inattivato al tempo t
Fi (t) Di (t) Si (t) x e. À
~
NI] SI SI
xv
numero di canali nello stato Inattivato modificato al tempo t . quantità di sostanza modificante presente al tempo t conduttanza dei canali sensibili al voltaggio di specie ionica k conduttanza dei CSV di specie ionica k .dopo la modificazione potenziale di inversione della specie ionica k corrente sinaptica locale facilitazione al tempo t del neurone i depressione al tempo t del neurone i attività della cellula i al tempo t costante di proporzionalità tra rilascio del trasmettitore e depressione costante di proporzionalità tra attività e facilitazione costante temporale del decadimento della facilitazione costante temporale del decadimento della depressione numero di connessioni tra il gruppo] e il gruppo I attività media delle cellule nel gruppo I la media temporale di SI
Capitolo x Si (t) Cii
Iii
aE
attività o stato del gruppo i al tempo t (O:s S < I) forza di connessione dell'input j-esimo al gruppo i (per Cij> 0, eccitatorio; per Cii < 0, inibitorio) numero di identificazione del gruppo connesso all' input i-esimo del gruppo i soglia dell'input eccitatorio; l'input j viene ignorato fino a che Si
Sk
~
al
2:
aE
stato del gruppo definito da k, che comprende tutti i gruppi entro una vicinanza inibitoria specificata intorno al gruppo i coefficiente inibitorio; svolge lo stesso ruolo per connessioni inibitorie geometricamente definite come Cii lo fa per connessioni specifiche, ma è lo stesso per tutte le coppie ik in associazioni intorno a ogni gruppo in un certo repertorio soglia dell'input inibitorio; l'input k viene ignorato fino a che Sk 2: al
N w 't
ap
rumore ricavato da una distribuzione normale con una media e una deviazione standard specifiche parametro di persistenza, che definisce la frequenza di decadimento per l'attività dei gruppi (w = e-l/t) caratteristica temporale per il decadimento dell' attività, s soglia di scarica positiva; gli input verso un gruppo vengono ignorati se la loro somma è positiva, ma non supera ap
Elenco dei simboli matematici
XVI
9N
o cf> (C)
9MI 9MJ
R RdiR
G
RM
soglia inibitoria negativa; gli input verso un gruppo vengono ignorati se la loro somma è negativa ma inferiore a 9N in ampiezza (9 N < O) un fattore costante di amplificazione specificato fattore di saturazione che impedisce a I Ci; I di diventare maggiore di I[cf>(C) = 1- 2C 2 + c 4] soglia di amplificazione postsinaptica soglia di amplificazione presinaptica; il verificarsi e il segno dell'ampificazione dipendono dalla scelta di una regola che specifica che cosa si verificherà in ciascuno di quattro casi a seconda che Si sia maggiore o minore di 9MI e s; sia maggiore o minore di 9MJ repertorio riconoscitore repertorio riconoscitore dei riconosci tori gruppo virtuale repertorio riconoscitore del movimento
Prefazione
Questo libro si propone di descrivere una teoria del funzionamento cerebrale avendo come obiettivo principale quello di comprendere i fondamenti biologici della percezione. La teoria della selezione dei gruppi neuronali affronta questo problema cercando di rispondere a diversi interrogativi cruciali. Come si formano le connessioni in ampie popolazioni di neuroni? Quali principi determinano l'organizzazione delle rappresentazioni e delle mappe nel sistema nervoso? Quali meccanismi neurali consentono la categorizzazione percettiva e la generalizzazione? La teoria che intendo proporre per rispondere a queste domande è stata formulata nell' ambito di una concezione rigorosamente selezionista, dove si incontrano sviluppo ed evoluzione del cervello da un lato, e struttura e funzione dall' altro. In questa teoria il pensiero popolazionistico, principio teorico centrale di tutta la biologia, viene applicato al cervello visto nell' arco della sua esistenza. La teoria stessa sostiene che, se desideriamo comprendere adeguatamente le funzioni cerebrali superiori, dobbiamo prima analizzare quei fattori dello sviluppo che influiscono sull' evoluzione e da cui scaturiscono la variazione nella struttura e nella funzione del cervello. Infatti, ritengo che il principio all' origine del comportamento sia la selezione di nuove popolazioni neuronali, diverse per funzionalità, originate proprio da questa variazione durante lo sviluppo dell'individuo. Attualmente questa concezione non è accettata ed è priva di autorevoli antesignani nella storia di una scienza pur ricca di speculazioni attinte in altri campi del sapere. Date le nostre conoscenze attuali, se desideriamo essere scientificamente attendibili, dobbiamo porci delle condizioni al fine di stabilire qualunque relazione tra attività psichica e cervello, perciò, accingendomi a svolgere questo compito teorico, mi sono limitato a quello che uno psicologo cognitivo potrebbe giudicare un insieme assai incompleto di funzioni psicologiche. Per esempio, ho sfiorato ap-
XVIII
Prefazione
pena alcuni dei grandi temi trattati nel magnifico Principi di William James [1890, ripubblicato nel 1950]. Se consideriamo un elenco piu aggiornato [Norman 1981] dei «dodici temi essenziali», cioè, sistemi di credenza, coscienza, sviluppo, emozione, interazione, linguaggio, apprendimento, memoria, percezione primaria, prestazione, abilità e pensiero, la mia indagine risulterà parziale. Invece, tratterò gli argomenti nel seguente ordine: sviluppo, percezione (in particolare, categorizzazione percettiva), memoria e apprendimento. La mia speranza è che, una volta concepita una teoria unitaria di questi processi, diventi possibile una descrizione piu ampia, che oltre alla categorizzazione percettiva comprenda anche l'esperienza percettiva. T aIe rigore mi sembra necessario se vogliamo avere dei punti di riferimento in questa straordinaria sfida che è la comprensione dei fondamenti biologici della psicologia. Però, allo stesso tempo, se desideriamo cercare prove pertinenti, non dobbiamo porre dei limiti all'oggetto della nostra disamina, ma piuttosto gettare una rete ad ampio raggio che copra le discipline piu diverse. Questa è stata la strategia sviluppata nel corso del libro, in quanto credo che una teoria solida debba essere compatibile con i fondamenti della biologia dello sviluppo e della biologia evolutiva. Uno dei presupposti è che la teoria, per aver successo, debba confrontarsi con molti.nodi ancora irrisolti, e mi riferisco ai rapporti tra genetica dello sviluppo, epigenesi ed evoluzione morfologica. Per cui, nel darle corpo, ho spaziato dalla biologia molecolare all'etologia, e ritorno. Qualche parola in piu riguardante l'ordine degli argomenti aiuterà il lettore. La prima parte del libro descrive in modo generale la selezione dei gruppi neuronali nell'individuo. La seconda parte esamina in modo rigoroso i due principali meccanismi epigenetici che controllano tale selezione durante lo sviluppo embrionale e il comportamento. Questi meccanismi sono parte integrante di fondamen. tali acquisizioni della biologia dello sviluppo e della biologia evolutiva. Data la generalità degli eventi embrionali esposti nel capitolo IV, potrà sembrare che io sia uscito fuori dal tema del libro, cioè il sistema nervoso. Tuttavia, tale capitolo illustra il primo dei meccanismi epigenetici in grado di spiegare l'origine della variabilità anatomica e, quindi, l'ho ritenuto importante per correlare i principi dello sviluppo non neurale a quelli dello sviluppo neurale. Il secondo meccanismo epigenetico della teoria (che spiega la selezione sinaptica) deve essere presentato in termini formali per essere convincente, per cui i lettori che, a una prima lettura, trovassero tedioso il capitolo
Prefazione
XIX
VII, possono tralasciare la parte matematica; infatti, troveranno le descrizioni qualitative delle variazioni nell' efficacia sinaptica e i loro effetti sparsi qua e là nel capitolo. La terza parte del libro vuole far comprendere come questi due meccanismi epigenetici si integrino in individui che svolgono un'azione motoria, creano categorie e apprendono. Il suo scopo principale è definire l'unità selettiva minima in grado di svolgere tali funzioni globali. Molti argomenti attualmente di grande importanza in neurobiologia non sono stati approfonditi; per esempio, l'analisi dettagliata del sistema visivo, lo studio della distribuzione regionale dei neurotrasmettitori, la modulazione del sistema nervoso da parte del sistema endocrino e vari aspetti del sistema nervoso degli invertebrati. Il criterio seguito rtella scelta degli esempi è 1'eventuale presenza di dati riferibili ai punti critici della teoria. A un rapido sguardo il risultato può sembrare un assemblaggio piuttosto ardito di esempi ricavati dalle piu disparate discipline biologiche, ma la mia speranza è che le ragioni della scelta saranno chiare non appena il lettore avrà perfezionato la comprensione di una teoria che è di per sé ardita. Comunque, mi sono sforzato, là dove è stato possibile, nel documentare i concetti o i meccanismi particolari augurandomi che i rischi di questa procedura siano piu che compensati dal suo valore euristico. Credo che questo approccio sia utile quando si inizia a comprendere qualsiasi argomento e, a maggior ragione, di fronte alla complessità del funzionamento cerebrale. Poiché si tratta di un argomento allo stesso tempo complesso e poco familiare, mi sono valso anche di un mezzo insolito per aiutare il lettore. Infatti, nell'intestazione di ogni capitolo ho inserito un elenco degli argomenti chiave, degli esempi o dei concetti presenti nel capitolo stesso; gli esempi principali che contraddicono le idee contenute o sono particolarmente importanti per la teoria sono scritti in corsivo. Queste tracce si propongono di essere utili al lettore nell'anticipare e nel riassumere gli argomenti dei capitoli, e non sono state messe in chiave nelle intestazioni delle sezioni elencate nell'indice generale. Il capitolo I contiene una breve introduzione con un compendio della teoria e una breve digressione storica riguardante il pensiero popolazionistico in neurobiologia, che precedono gli argomenti centrali e le considerazioni approfondite sui concetti guida presentati nei capitoli successivi. Questa tenue descrizione è, tuttalpiu, un assaggio di quanto seguirà. Dopo aver approfondito nel corpo principale del testo la teoria della selezione dei gruppi neuronali, nella parte finale
xx
Prefazione
del libro farò alcune previsioni con l'intento di definire i limiti della teoria e di mostrarne la verificabilità empirica. Questo libro sfiora appena il tema della comunicazione sociale, che è un importante capitolo della psicologia, ma scrivendolo ne ho sempre tenuto conto. Le assidue interazioni con i miei colleghi al Neurosciences Institute (NSI), in particolare con il suo direttore di ricerca, il dottor W. Einar Gall, sono state un sostegno per il quale sono particolarmente riconoscente. Sono inoltr~ grato a Susan Hassler, redattrice al NSI, per l'aiuto prestatomi. E stato un privilegio lavorare nell'Istituto con i dottori Leif Finkel e George N. Reeke jr su diversi modelli rivelatisi importanti per la teoria. L'opportunità di un reciproco scambio di idee nell' atmosfera accademica dell'NSI mi incoraggia a sperare che l'Istituto continuerà a sostenere lo sviluppo del lavoro teorico nelle neuroscienze e a incoraggiare gli scienziati piti giovani a perseguirlo. GERALD M. EDELMAN
New York, 1986.
Prefazione all' edizione italiana
Istruzionismo e selezionismo sono, innanzitutto, due modi antitetici di spiegare la natura delle cose. Per varie ragioni, l'istruzionismo sembra essere il piti naturale dei due. Per esempio, storicamente le spiegazioni istruzioniste hanno preceduto quelle selezioniste. Ciò è accaduto almeno tre volte in biologia: per 1'origine delle specie, per la specificità degli anticorpi, e per il funzionamento del cervello. Eppure, sembra che il destino delle spiegazioniistruzioniste sia di rivelarsi errate e di venire soppiantate da spiegazioni selezioniste, come si è già verificato per l'origine delle specie e per la specificità immunologica. Se, com'è verosimile, ciò accadrà anche per il funzionamento del cervello, questo volume, si avvia a diventare un classico. Infatti Neural Darwinism è senza dubbio alcuno l'opera fondamentale che enuncia, elabora, e documenta il selezionismo applicato al cervello. Come avviene solo ai pochi libri di argomento scientifico che sanno invecchiare bene, Neural Darwinism esce in edizione italiana a ben otto anni di distanza dall' edizione originale inglese. Cronologicamente, esso rappresenta il primo volume della trilogia di Gerald Edelman su forma, cervello, e mente. Oltre a Neural Darwinism, la trilogia comprende Topobiologia (Bollati Boringhieri, Torino 1993), un saggio sulla biologia dello sviluppo, e Il presente ricordato (Rizzoli, Milano 1991), un'estensione dei principi contenuti in Neural Darwinism al problema della coscienza. Un ulteriore volume, La materia della mente (Adelphi, Milano 1993), riassume la trilogia in formato e stile piti accessibili. Di questi quattro volumi, Neural Darwinism è non solo il primo, ma probabilmente il piti importante e, quasi certamente, il piti complesso e denso, uno di quei libri cui si ritorna per scoprire ogni volta qualche cosa di nuovo. E anche un libro rivoluzionario. Se non è necessariamente l'unico scritto che suggerisce di applicare idee piti o meno selezioniste al cervello, è senz' altro il primo a farlo in modo
XXII
Prefazione all' edizione italiana
adeguato ed esauriente, e a metterne in luce, anche se in modo sobrio, le molteplici implicazioni. Un po' come l'Origine delle specie, Neural Darwinism è un' opera cosi ricca di spunti e solidamente documentata che la proposta del cervello come sistema selettivo si può discutere ma non si può piti ignorare. ~ Ma cos'è il selezionismo? Ed in cosa differisce dall'istruzionismo? La distinzione tra istruzionismo e selezionismo è particolarmente chiara in immunologia. Il problema, in questo caso, era come l'organismo possa produrre anticorpi specifici contro innumerevoli virus e batteri mai incontrati in precedenza, o persino contro prodotti chimici di sintesi mai esistiti in natura. Linus Pauling aveva suggerito nel 1940 un'elegante teoria istruzionista: l'anticorpo era di un tipo unico, ma era in grado di plasmarsi attorno all' agente invasore, assumendo una conformazione complementare e divenendo cosi specifico: ossia, l'agente invasore istruiva l'anticorpo. MacFarlane Burnet suggeri invece, negli anni Cinquanta, una teoria selezionista: ogni organismo ha a disposizione un immenso repertorio di anticorpi diversi, e l'agente invasore si limita a selezionare quelli che sono in grado di riconoscerlo, scatenandone 1'aumentata produzione. Nel 1972 Edelman condivise il Premio Nobel per aver determinato la struttura chimica delle molecole anticorpali e contribuito a conformare l'ipotesi della selezione clonale. Da allora Edelman è giustamente considerato come uno dei campioni del selezionismo, e non solt~nto in immunologia. E difficile resistere alle tentazioni del cervello. Piti di uno scienziato di successo, abbandonata la disciplina di prime nozze, si è cimentato con ciò che ha fama di essere 1'oggetto piti complesso nell'universo noto. Non sorprende quindi che ben presto lo stesso Edelman spostasse la sua attenzione sul sistema nervoso, per stabilire se ancora una volta il selezionismo fosse la spiegazione vincente in biologia. In un lavoro del 1978, intitolato Selezione di gruppo e segnala-
zione fasica rientrante: una teoria della funzione cerebrale superiore, Edelman proponeva le grandi linee di un approccio selezionista al funzionamento del cervello. Dopo una gestazione di quasi dieci anni appariva Neural Darwinism.
Il selezionismo. In Neural Darwinism Edelman afferma in modo assai chiaro che ogni sistema selettivo si basa su tre principi: I) una sorgente di varia-
Prefazione all' edizione italiana
XXIII
zione all'interno di una popolazione; n) il confronto con un ambiente non definibile a priori ed imprevedibile; m) dei meccanismi di amplificazione differenziale. Un'ampia parte del libro è perciò dedicata all'analisi di questi tre principi applicati al cervello. La conclusione di Edelman, alla luce di tale analisi, è netta: il funzionamento del sistema nervoso è fondato su variazione e selezione. Quest'ultima, come nel caso del sistema immunitario, è selezione somatica, nel senso che i processi selettivi avvengono durante l'arco di vita dell'individuo. Tuttavia, stabilire che il cervello è un sistema selettivo non basta. Come nel caso della selezione naturale e della selezione clonale, è necessario identificare caso per caso le sorgenti della variabilità, le peculiarità dell'interazione con l'ambiente, ed i meccanismi di amplificazione differenziale. Inoltre, vi sono molti importanti problemi o principi di funzionamento che sono caratteristici e specifici di ciascun sistema, basti pensare alla selezione sessuale nel caso dell' evoluzione, alla tolleranza nel caso dell'immunologia, e al rientro nel caso del cervello. Per queste ragioni, in Neural Darwinism è dedicato altrettanto spazio a sostanziare la proposta che il cervello funzioni come un sistema selettivo, e all' analisi di alcuni aspetti fondamentali della sua organizzazione. Conviene quindi riassumere le tesi principali avanzate in Neural Darwinism, per passare poi ad un rapido esame di alcuni sviluppi recenti nell' opera di Edelman e dei suoi collaboratori.
Il mondo senza etichette e la variabilità. Neural Darwinism inizia notando due problemi fondamentali che mettono in crisi gli approcci convenzionali al funzionamento del cervello. Il primo è che il mondo si presenta" senza etichette" , il secondo è l'enorme variabilità evidente nel sistema nervoso. Nell'Origine delle specie, Darwin aveva attaccato le concezioni essenzialiste o tipologiche secondo cui le specie sono entità immutabili. Secondo Darwin, invece, le specie non sono dei tipi assoluti ma originano tramite un processo di variazione e selezione. La variazione, lungi dall'essere una superficiale aberrazione o irregolarità, è lo strumento piti importante tramite il quale la selezione determina il cambiamento e l'adattamento all'interno di popolazioni di individui (ragione per cui si parla di pensiero popolazionista). Altrettanto importante era l'altra conclusione di Darwin, ossia che l'adattamento delle specie alloro ambiente, per quanto straordinario, non è il risultato di un disegno
XXIV
Prefazione all'edizione italiana
preciso (sia esso creazione o istruzione sotto forma di programma). La soluzione proposta da Darwin in chiave di variazione e selezione consentiva infatti di spiegare 1'adattamento, almeno in linea di principio, sulla base dell' accumulo graduale di variazioni favorevoli. In modo analogo, in Neural Da1Winism Edelman attacca in primo luogo le concezioni essenzialiste non delle specie ma delle categorie. Il mondo, argomenta Edelman, non si può suddividere a priori in categorie fisse ed immutabili, ossia in oggetti ed eventi caratterizzabili in termini di condizioni necessarie e sufficienti. Al contrario, il mondo è ambiguo ed interpretabile in modi diversi, a seconda delle caratteristiche e delle necessità adattive di ogni organismo. La categorizzazione percettiva e la generalizzazione sono perciò relative ad un dato organismo e ad un dato ambiente, e hanno luogo tramite un processo di variazione e selezione. Analogamente al ruolo della variazione nella selezione naturale, la variazione nel sistema nervoso non va concepita come una deviazione irrilevante o erronea rispetto ad una categoria tipica, ma costituisce la base per la formazione, tramite la selezione neuronale, delle categorie. Come è noto, per Darwin fu cruciale l'avere sperimentato personalmente 1'abbondanza e l'ubiquità della variazione in biologia. Non a caso, Edelman inizia la sua opera principale illustrando esempi su esempi di variazione, questa volta nel sistema nervoso, tra cui si possono citare le notevoli differenze, dovute a vari processi epigenetici, nella struttura fine delle ramificazioni nervose e gli aspetti stocastici della morte neuronale. Nonostante queste osservazioni, le concezioni dominanti del funzionamento del cervello tendono implicitamente ad assumere, secondo Edelman, che il mondo si lasci suddividere in categorie univoche (essenzialismo). Inoltre, come esemplificato in intelligenza artificiale, si assume spesso che il cervello possieda qualcosa di simile ad un programma costituito da codici e regole precise che sarebbero utilizzate per rappresentare e manipolare tali categorie (istruzionismo). Se pure si ammette la presenza della variazione, la si considera una specie di rumore di fondo, che un buon cervello deve o ridurre al minimo o perlomeno ignorare. La parte iniziale di Neural Da1Winism esamina cosi le varie "crisi" cui sono soggette le concezioni essenzialiste ed istruzioniste, e l'inadeguatezza della metafora del cervello come computer. La conclusione è che tali concezioni, applicate ad un mondo "senza etichette" segnato dall'imprevedibilità e dalla novità, e a cervelli segnati dalla variabilità individuale, sono destinate a fallire ancora una volta.
Prefazione all' edizione italiana
xxv
La situazione si rovescia, le crisi divengono necessità, e gli svantaggi vantaggi, non appena si considera un approccio selezionista. Se il mondo non è definibile a priori, è imprevedibile, ambiguo, e diverso a seconda del contesto e dell' organismo che lo incontra, la variazione seguita dalla selezione è esattamente ciò che è richiesto per ottenere una categorizzazione adattiva. Il come ciò possa effettivamente avvenire è il tema della parte centrale di Neural Da1Winism.
La teoria della selezione dei gruppi neuronali (TNGS). Il nucleo della concezione esposta da Edelman in Neural Da1Winism è contenuto nella teoria della selezione dei gruppi neuronali (TNGS). Secondo la TNGS, cosi come il bersaglio principale della selezione naturale sono i fenotipi individuali, il bersaglio principale della selezione neurale sono i gruppi neuronali. Un gruppo neuronale è composto di decine, centinaia o migliaia di neuroni fortemente interconnessi localmente, che tendono a ricevere ed emettere segnali correlati e a rispondere in maniera cooperativa. Le connçssioni sinaptiche ed altre caratteristiche intrinseche o estrinseche sono però assai variabili da un gruppo neuronale all' altro; gruppi diversi hanno perciò l-ma propensione a rispondere in manieta diversa a segnali diversi. E su questa variabilità di risposte che agisce la selezione neuronale. In sintesi, la TNGS propone tre meccanismi responsabili del comportamento adattivo del sistema nervoso: la selezione durante lo sviluppo, la selezione durante l'esperienza, e la segnalazione rientrante.
Selezione durante lo sviluppo. Il problema centrale dello sviluppo, come si passi dai geni alla forma, ossia da una sequenza lineare di DNA ad un organismo tridimensionale, è il tema principale affrontato da Edelman in Topobiologia, ma è trattato ampiamente anche in Neural Da1Winism, perché la comprensione degli eventi epigenetici comporta la comprensione della inevitabilità della variabilitàjndividuale. Durante lo sviluppo, la regolazione epigenetica di processi quali divisione, adesione, migrazione, morte cellulare, e crescita assonica, produce una serie di repertori primari, costituiti da un gran numero di gruppi neuronali e di circuiti varianti. Edelman sottolinea che la variabilità osservata nel
XXVI
Prefazione all' edizione italiana
sistema nervoso, persino nel caso di gemelli identici, è una conseguenza necessaria di tali processi epigenetici. Nonostante nelle grandi linee le strutture neuroanatomiche siano simili da un individuo all'altro, il genoma non controlla, e non sarebbe in grado di controllare, tutti i dettagli degli innumerevoli circuiti nervosi. L'embriogenesi perciò non è semplicemente il dispiegarsi di un programma genetico ma, richiedendo regolazioni molecolari che interagiscono in modo complesso a vari livelli di organizzazione, e che hanno risultati di- . versi a seconda del momento, della sede e del contesto in cui avvengono, è un'inevitabile sorgente di variazione. Le molecole di adesione cellulare (CAMs), scoperte da Edelman e dai suoi collaboratori nel 1976, e la regolazione della loro espressione, rappresentano un aspetto importante di tali processi.
Selezione durante l'esperienza. Una volta formatasi l'impalcatura delle connessioni tra gruppi neuronali sotto forma di repertori primari, avviene l'incontro con il mondo esterno, ossia l'esperienza. Particolari combinazioni di segnali trovano alcuni gruppi neuronali piu pronti o piu adatti di altri a rispondere, e questo fatto scatena eventi selettivi. La selezione avviene a livello di popolazioni di sinapsi, tramite numerosi meccanismi che vanno sotto il nome di 'plasticità sinaptica " e che sono discussi ampiamente in Neural Darwinism. Alcune popolazioni sinaptiche vengono rinforzate, altre indebolite. Ciò determina la formazione di repertori secondari di gruppi neuronali. Il rafforzamento o indebolimento di popolazioni sinaptiche dipende da complessi eventi biochimici locali, che possono differire a seconda della sede. Tuttavia, ciò che è determinante sono le correlazioni statistiche spaziali e temporale dei segnali sinaptici tra gruppi di neuroni. Per poter contribuire al comportamento adattivo, tali correlazioni statistiche devono riflettere le proprietà spazio temporali dei segnali che originano nell'ambiente. Questo è il compito della segnalazione rientrante.
Segnalazione rientrante. I repertori secondari sono in molti casi organizzati in mappe di gruppi neuronali che si specializzano, tramite i processi selettivi appena menzionati, nel rispondere a particolari tipi di segnali prove-
Prefazione all' edizione italiana
XXVII
nienti dall' ambiente esterno. Mappe diverse si occupano di modalità o sottomodalità sensoriali diverse, e rispondono preferenzialmente a caratteristiche diverse degli stimoli. In un sistema selettivp, tuttavia, non vi sono etichette che specifichino la natura o l'indirizzo delle varie mappe, e data la plasticità sinaptica, le mappe sono sottoposte a continui riarrangiamenti. Come è possibile pertanto la coordinazione di tali mappe? La TNGS propone che le mappe siano coordinate tramite un flusso continuo di segnali bidirezionali entro e tra le diverse mappe chiamato rientro. Il rientro è definito come la «segnalazione parallela, bidirezionale e ricorsiva tra gruppi neuronali diversi, che avviene tramite un gran numero di connessioni anatomiche ordinate». Il rientro consente di mettere in relazione caratteristiche diverse dell' ambiente, raccolte in maniera indipendente (" disgiunta") attraverso canali e sottocanali sensoriali. La selezione di popolazioni sinaptiche entro i gruppi neuronali, entro le mappe, o tra mappe diverse, potrà quindi riflettere la continuità spaziotemporale del mondo esterno,. e garantire un comportamento adattivo. La coppia di classificazione, discussa in Neural Darwinism, è un caso elementare di rientro tra due mappe reciprocamente connesse che rispondono ad aspetti diversi dello stesso stimolo. Se si considera l'ubiquità del rientro nell'organizzazione del cervello, e si aggiunge che il campionamento dell' ambiente non è stati: co, ma è modulato dal movimento e dal comportamento, si può cominciare a comprendere anche un' altra nozione centrale esposta in Neural Darwinism, la nozione di memoria come ricategorizzazione. La memoria, in un sistema selettivo, non è un,deposito di dati che descrivono gli oggetti o gli eventi incontrati. E invece un processo dinamico, il cambiamento nel modo di funzionare del cervello e dell'intero organismo a seguito di innumerevoli eventi selettivi precedenti. Grazie al rientro, la categorizzazione operata in parallelo da un grandissimo numero di gruppi neuronali è infatti costantemente attiva, sia durante la percezione che durante l'immaginazione. La memoria è quindi ricategorizzazione e non registrazione.
Sviluppi recenti. La TNGS comprende altri importanti concetti, come quello di mappaggio globale, o la nozione di degeneranza. Tuttavia, poiché questi sono discussi ampiamente in Neural Darwinism, è piu opportuno accennare in questa sede agli sviluppi, nella ricerca di Edelman
Prefazione all' edizione ìtaliana XXVIII
XXIX
Prefazione all' edizione italiana
e dei suoi collaboratori, che hanno fatto seguito alla pubblicazione dell' opera. Infatti, come dichiarato esplicitamente in Neural Darwinism, la concezione di Edelman contiene un aspetto programmatico. Non si limita a enunciare dei principi, ad organizzarvi attorno la grande mole dei risultati sperimentali che via via si accumulano, ma procede ad esaminare ipotesi e conseguenze in una serie di modelli neurali sintetici. Si tratta dell'uso sistematico di simulazioni al calcolatore su larga scala, che consentono di costruire strutture simili al cervello nell' architettura e nei principi di funzionamento, nonché di situare tali strutture in un fenotipo e tale fenotipo in un ambiente. I modelli neurali sintetici non servono solo ad esaminare conseguenze o previsioni della teoria. Hanno anche un significato euristico che, nel caso del cervello, è di cruciale importanza: per comprendere il funzionamento del cervello una delle sfide piu difficili consiste nel fatto che occorre tenere presenti simultaneamente non solo l'azione in parallelo di numerosissimi gruppi neuronali, ma anche l'interazione di molti livelli di organizzazione, dalla neurochimica alla psicologia al comportamento, dai millisecondi dell'attività neuronale alle ore o giorni richiesti dalle dinamiche dell' apprendimento. Il calcolatore, paradossalmente, è lo strumento piu potente non solo per simulare tutti questi livelli, ma anche per poterne registrare ogni dettaglio e ricostruire il funzionamento.
Darvin III. Dopo Darwin I e Darwin II, descritti in Neural Darwinism, il gruppo di Edelman al Neurosciences Institute ha creato un modello neurale sintetico, Darwin III, capace di illustrare simultaneamente molti aspetti della TNGS '. Darwin III è un organismo sessile, relativamente semplice, che possiede un occhio mobile ed un braccio con quattro articolazioni. L'ambiente di Darwin III è anch'esso simulato al calcolatore, e comprende vari oggetti di forme diverse che si spostano all'interno del suo campo visivo. Sia l'occhio che il braccio di Darwin III si muovono inizialmente a caso. Con l'esperienza, eventi selettivi nel sistema nervoso di Darwin III producono numerose modificazioni sinaptiche, guidate, come vedremo fra poco, dai , G. N. REEKE JR, L. H. FINKEL, o. SPORNS, e G. M. EDELMAN, Synthetic neural mode· ling: A multilevel approach to the analysis 01 brain complexity, in G. M. EDELMAN, w. E. GALL e w. M. COWAN (a cura di), Signal and Sense: Local and Global Order in Perceptual Maps, Wiley, New York 1990.
sistemi di valore. In seguito a questi eventi selettivi, 1'occhio di Darwin III apprende a seguire gli oggetti che si presentano nel campo visivo. Di li a poco, anche il braccio diviene capace di raggiungere e toccare gli oggetti fissati dall' occhio. Ciò è particolarmente significativo, perché il problema della cinematica inversa, ossia la determinazione di traiettorie corrette in un sistema caratterizzato da numerosissimi gradi di libertà, è di difficile soluzione in termini istruzionisti, ma emerge in modo naturale in termini selezionisti 2. Successivamente, Darwin III sviluppa anche una primitiva ma già idiosincratica categorizzazione degli oggetti che gli sono presentati, afferrandone alcuni e rigettandone altri. Darwin III rappresenta cosi un esempio dei mappagg,i globali descritti in Neural Darwinism.
Darwin IV. Piu di recente, l'evoluzione dei modelli neurali sintetici ha portato ad un automa, Darwin IV, il cui cervello simulato è collegato ad un fenotipo reale'. Darwin IV è un piccolo robot dotato di telecamera, sensori ad infrarossi, sensori di conduttività elettrica, magneti, e ruote, che è libero di muoversi in una stanza a esso riservata. Il cervello, simulato al calcolatore, opera secondo principi selezionisti, non dissimili da quelli utilizzati in Darwin III. Come Darwin III, Darwin IV apprende a seguire una luce o un oggetto che si muove all'interno della sua stanza. Il compito è assai piu difficile nel mondo reale che in un ambiente simulato, basti pensare alle irregolarità del movimento, ai cambiamenti di luminosità, ai cambiamenti di dimensione delle immagini e alle distorsioni dovute al variare della distanza e alla posizione obliqua della telecamera. Tuttavia, essendo basato su principi selettivi, Darwin IV è in grado di adattarsi sorprendentemente bene a circostanze variabili. Darwin IV apprende inoltre a suddividere ed accumulare nella sua "tana" dei blocchi metallici dapprima sulla base del "gusto" (conduttività elettrica) e poi, grazie al formarsi di associazioni, sulla base del colore. Il tutto avviene senza che Darwin IV sia programmato esplicitamente, ma esclusivamente grazie a modificazioni selettive di riflessi innati e comportamenti appresi concatenate e guidate dai sistemi di valore. 2 o. SPORNS e G. M. EDELMAN, Solving Bernstein 's problem: A proposal for the development 01 coordinated movement by selection, in «Child Development», LXIV (199 2 ), pp. 960 -8 1. , G. M. EDELMAN, G. N. REEKE JR, w. E. GALL, G. TONONI, D. WILLIAMS e o. SPORNS, Synthetic neural modeling applied to a real·world artifact, in «Proceedings of the National
Academy of Sciences of ~he United States of America», LXXXIX (1992), pp. 7 26 7.71.
xxx
Sistemi di valore. Uno dei risultati emersi dagli studi recenti è che, in assenza di sistemi di valore, sistemi selettivi complessi come Darwin III e IV non potrebbero funzionare adeguatamente. Ancora una volta, lo studio della neurobiologia si rivela essenziale nel suggerirne le caratteristiche e i meccanismi. Alcuni gruppi neuronali, situati nelle parti piu antiche del cervello, sono in grado di segnalare, tramite proiezioni diffuse a larga parte del sistema nervoso, eventi salienti o rilevanti dal punto di vista evolutivo. Ad esempio, nel caso di Darwin III e IV, un evento saliente potrebbe essere la presenza di qualche cosa nel centro del campo visivo, o il contatto con qualche cosa di commestibile (elettricamente conduttivo). L'attivazione dei sistemi di valore mette in stato di all' erta gran parte delle aree del cervello, in particolare quelle interessate alla categorizzazione e reazione all' evento, e modifica per breve tempo la probabilità degli eventi selettivi nelle popolazioni sinaptiche. Il risultato è che attività neuronali che si traducono in comportamenti adattivi vengono rinforzate. L'importanza dell'azione dei sistemi di valore è duplice. Innanzitutto, essi comunicano un segnale globale (rilevante per l'intero organismo) ad eventi selettivi locali (plasticità sinaptica); inoltre, la natura degli eventi che evocano il segnale globale è, almeno inizialmente, il risultato della selezione naturale (valori innati). Quest'ultima può cosi influenzare gli eventi selettivi molto piu rapidi propri della selezione somatica. Il cerchio si chiude, con aspetti ancora piu interessanti" con la possibilità che, con l'esperienza, una nuova classe di eventi divengano progressivamente capaci di attivare i sistemi di valore (valori acquisiti).
Il problema dell'integrazione corticale. Il concetto piu arduo della TNGS è forse quello del rientro. Tuttavia, il rientro è stato recentemente utilizzato per la soluzione di un problema centrale delle neuroscienze, quello dell'integrazione nella corteccia cerebrale. Piu la si studia, piu la corteccia cerebrale si rivela e G. M. EDELMAN, Value-dependent selection in the brain: Simulation in a synthetic neural model, in «Neuroscience», LIX (1994), n. 2, pp. 229-43. 4
Prefazione all' edizione italiana
Prefazione all'edizione italiana
K. J. FRISTON, G. TONONI, G. N. REEKE, O. SPORNS
XXXI
come un mosaico di aree diverse, specializzate in funzioni diverse. Per esempio, nel sistema visivo si possono distinguere almeno trenta aree, ciascuna delle quali si occupa preferenzialmente di aspetti diversi del mondo visivo, dalla forma, al colore, al movimento. All'interno di ciascuna area, gruppi neuronali diversi hanno caratteristiche di risposta diverse, dimostrando un'ulteriore specializzazione, acquisita tramite eventi selettivi. Per questo tipo di organizzazione si parla di segregazione funzionale. Il problema è che, per risultare in un comportamento adattivo, l'attivJtà di queste aree e gruppi neuronali segregati deve essere integrata. E necessario che vengano in qualche modo segnalate le relazioni tra i vari oggetti e tra i diversi attributi di ciascun oggetto (forma, colore, posizione). Tutto ciò è immediatamente evidente se si pensa al carattere unitario e coerente di una scena visiva e, piu in generale, dell' esperienza cosciente, in cui sono integrate non solo la visione, ma anche altre modalità sensoriali, il pensiero, il linguaggio, gli affetti. Eppure, è ormai chiaro che nel cervello non c'è niente di simile ad un' area esecutiva centrale in cui confluiscano le attività di tutte le altre aree. Non solo, ma l'idea di un' area esecutiva centrale non è neppure sostenibile teoricamente. Di recente è stata invece proposta una soluzione al problema dell'integrazione basata sul rientro'. Estese simulazioni al calcolatore di nove aree corticali funzionalmente segregate ma reciprocamente interconnesse hanno dimostrato che, grazie al rientro, segregazione e integrazione funzionale possono coesistere e dare luogo ad un comportamento adattivo in un sistema distribuito. Le simulazioni dimostrano anche come molti fenomeni fondamentali della psicologia, come le leggi della Gestalt", e vari aspetti costruttivi e correlativi della percezione, emergano in modo naturale se si presta la dovuta attenzione ai substrati neuroanatomici e neurofisiologici. L'organizzazione del cervello si dimostra cOSI singolarmente adatta a garantire l'integrazione in un tutto coerente di fonti diverse di informazione, e a farlo in tempi molto brevi (centinaia di millisecondi). Non a caso, l'integrazione rapida di una grande quantità di informazione sembrerebbe essere una delle caratteristiche distintive dell' esperienza cosciente. , G. TONONI, O. SPORNS e G. M. EDELMAN, Reentry and tbe problem oj integrating multiple cortical areas: Simulation oj dynamic integration in the visual system, in «Cerebral
Cortex», II (1992), pp. 310-35. 6 O. SPORNS, G. TONONI e G.
M. EDELMAN, Modeling perceptual grouping and figureground segregation by means oj active reentrant connections, in «Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of America», LXXXVIII (199 1), pp. 12 9-33.
XXXII
Prefazione all' edizione italiana
Prefazione all' edizione italiana
Anche da un breve riassunto delle tesi esposte in Neural Darwinism e di alcuni sviluppi successivi dovrebbe risultare ovvia l'ampiezza e la fecondità della concezione di Edelman. In un' epoca caratterizzata dalla segregazione funzionale tra le varie discipline, anche l'integrazione del sapere diviene sempre piu complessa. Considerato il compito, nO,n deve quindi stupire che Neural Darwinism sia un libro difficile. E difficile perché raccoglie spunti ed esempi da molti settori diversi della scienza: embriologia, biologia molecolare, immunologia, anatomia e fisiologia comparata, psicologia; linguistica, neurobiologia, intelligenza artificiale. È difficile perché non si limita a riassumere lo stato dell' arte in queste varie discipline, ma mira ad una sintesi. La TNGS è infatti una teroria globale del funzionamento del cervello e, curiosamente, è forse ancora l'unica teoria globale disponibile. È difficile anche perché è stato scritto con un occhio agli attacchi e ai fraintendimenti cui sarebbe stato sottoposto. Ma è difficile soprattutto perché si direbbe che il nostro cervello, paradossalmente, sia stato programmato a non capire o a malinterpretare il selezionismo. La nostra stessa eccezionale abilità a categorizzare oggetti ed eventi rende arduo immaginare che le categorie si formino tramite un processo di variazione e selezione, cOSI come rende arduo immaginare che gli impressionanti esempi di adattamento evolutivo in natura siano opera della selezione naturale. La nostra eccezionale abilità a programmare, pianificare e progettare ci spinge a pensare che le meraviglie di cui abbondano il mondo biologico e quello psicologico siano anch'esse, se non create, almeno frutto di un disegno (divino) o di un programma (genetico). Il rovesciare questa convinzione sulla base di una vasta e solida sintesi scientifica è quindi l'obbiettivo e il merito fondamentale di Neural Darwinism. Ma è altrettanto fondamentale, una volta accettato il selezionismo, non concepirlo come operante al di fuori della forma e della storia. I sistemi biologici sono costituiti di numerosi elementi eterogenei che interagiscono in vari modi, e sono sottoposti a forze esterne. Perciò la triade variazione - selezione - amplificazione differenziale non avviene in uno spazio infinito di possibilità, ma è limitata dai particolari vincoli intrinseci ed estrinseci che caratterizzano ogni sistema dinamico complesso. A causa di tali vincoli, solo alcune delle configurazioni immaginabili sono effettivamente possibili a ogni dato momento. Inoltre, a causa di eventi selettivi e di accidenti storici, delle configurazioni possibili soltanto alcune diventano attuali. Il piu delle volte, quindi, la variazione è variazione su un tema, anche se, a seconda della forza rispettiva degli eventi selettivi
XXXIII
da una parte e dei vincoli intrinseci dall' altra, anche il tema può cambiare. Il tema poi non è semplicemente uno dei tanti temi possibili ma, pur cambiando, mantiene la traccia storica di ciò che è effettivamente avvenuto. Non è difficile allora, per quanto Neural Darwinism accenni soltanto alle implicazioni culturali e sociali di una concezione selezionista del cervello e della mente, comprederne alcune delle conseguenze. Forse la piu importante è l'unicità, l'irripetibilità, e il valore dell'individuo e della sua storia. GIULIO TONONI
LaJolla, 25 giugno 1995·
Nota del curatore
Darwinismo neurale è un libro importante, complesso e dibattuto, che viene pubblicato a diversi anni dall'edizione originale, in un periodo fecondo di ricerche sul cervello. Non potevamo ignorare questi fatti, e desiderando offrire dei punti di riferimento per il lettore saggiando al contempo la "vitalità" del libro, abbiamo pensato di corredare 1'edizione italiana di alcuni apparati editoriali che speriamo ~ ne agevolino la comprensione: I) In primo luogo, la Prefazione di Giulio T ononi, collaboratore di Gerald Edelman al Neurosciences Institute a La Jolla in California, inquadra culturalmente la teoria selezionista di Edelman, ne sintetizza i punti salienti e ci racconta" in presa diretta" i possibili sviluppi per la comprensione del cervello e per la creazione di automi intelligenti. 2) Le note a piè di pagina del curatore segnalano: a) i punti in cui la teoria del libro è stata attaccata o, viceversa, accettata come innovativa; b) la compatibilità o meno della teoria con le scoperte pili recenti nella biologia e nelle scienze cognitive; c) i punti di collegamento con gli altri due libri di Edelman, Topobiologia e Il presente ricordato; e d) l'evoluzione delle ricerche di Edelman. I riferimenti bibliografici delle note sono contenuti nell' apposita Bibliografia delle note. 3) Infine, il Glossario, per spiegare i termini tecnici, abbondanti nel testo, al lettore non specialista. Sperando di essere riusciti nel nostro intento auguriamo al lettore una buona e proficua lettura. SILVIO FERRARESI
Darwinismo neurale
Supporre che l'occhio con tutti i suoi inimitabili congegni per regolare il fuoco a diverse distanze, per incamerare differenti quantità di luce, per corregge· re aberrazioni ottiche e cromatiche, sia il frutto della selezione naturale sembra, lo confesso apertamente, del tutto assurdo. Quando per la prima volta hanno affermato che il sole è immobile e che la terra gli gira intorno, il senso comune del genere umano ritenne falsa questa teoria; ma il vecchio detto «vox populi, vox dei», che ogni fi· losofo conosce, non vale per la scienza. CHARLES DARWIN,
L'Origine delle Specie
e nell' ampia quiete voglio adornare un roseo santuario di ghirlande intrecciate di pensieri assidui, con bocciuoli, con campanule, e stelle senza nome, con tutto quanto abbia potuto mai fantasia giardiniera immaginare, fantasia che educando i fiori non mai educa gli stessi JOHN KEATS,
Ode a Psiche
a
Capitolo primo Riassunto e introduzione storica
La nicchia ecologica ambigua, p. 5. - Riassunto e ambizioni della teoria, p. 6. - Relazione con lo sviluppo e l'evoluzione, p. 9· - Il bisogno di mappe nella realizzazione della categorizzazione percettiva, p. IO. - La categorizzazione percettiva precede necessariamente l'apprendimento esteso, p. IO. - Proprietà generali delle teorie selettive, p. II. - I fondamenti storici del pensiero popolazionistico applicato al comportamento, p. 13. - Il successivo rifiuto delle idee selezioniste, p. 14. - La rinascita del pensiero selezionista in etologia, p. 17. - Concetti recenti di selezione somatica, p. 18. - Rassegna delle teorie selezioniste, p. 22. - Teorie glObali su base neuronale: istruzioniste e seleziòniste, P·25·
I.
Introduzione.
Per noi è difficile immaginare come un neonato percepisca il mondo, qualunque sia la sua specie di appartenenza, compresa quella umana. Tuttavia, le convenzioni sociali, le tracce dell'esperienza sensoriale e, in particolare, un' educazione scientifica rendono difficile accettare l'idea che l'ambiente in cui tale creatura vivrà presenti un'ambiguità intrinseca: anche per animali che, come noi, hanno la facoltà di esprimersi con il linguaggio, il mondo si presenta, a un primo impatto, come un luogo senza etichette. In una nicchia ecologica il numero di suddivisioni in "oggetti" o "eventi" potenziali è enorme, se non infinito, e i loro valori, positivi o negativi, sono relativi e non assoluti, anche per un animale che abbia ereditato un sistema nervoso molto complesso. . I sistemi nervosi, siano essi molto sofisticati o semplici, si sono evoluti per consentire all'individuo di adattare il comportamento alla propria nicchia ecologica in tempi relativamente brevi. Un comportamento cosi plasmabile richiede che l'individuo effettui una prima categorizzazione dei tratti ambientali salienti sui quali fondare l'apprendimento successivo. Quindi, uno dei compiti fondamentali delle neuroscienze è proprio dimostrare come, in una certa specie, struttura e funzione del sistema nervoso consentano la categorizzazione
6
Capitolo primo ,
percettiva, che è il presupposto per apprendere e per adattarsi efficacemente. Ne consegue un interrogativo: come possiamo correlare psicologia percettiva e struttura-funzione del sistema nervoso? Molte spiegazioni si sono imperniate su teorie eterogenee fondate sul concetto di elaborazione dell'informazione. Invece, la proposta, che svilupperò nel corso del libro, è che una risposta adeguata a questa domanda, richieda una teoria di tipo nuovo, che potrà ripercuotersi sulle neuroscienze e sulla comprensione della collocazione dell'uomo nella natura. In questo capitolo introduttivo descriverò la teoria facendo anche riferimento alle sue radici storiche. Spero cosi di facilitare il percorso del lettore attraverso le tappe che dimostreranno la teoria. Devo anche riconoscere che questa descrizione è un po' troppo astratta e, quindi, per comprendere pienamente le idee cardinali della teoria, bisognerà approfondire le dimostrazioni stesse.
2.
Un profilo sintetico della teoria.
La teoria della selezione dei gruppi neuronali è nata per spiegare alcune apparenti incongruenze nella nostra conoscenza dello sviluppo, dell' anatomia e della fisiologia del sistema nervoso centrale. Ma, soprattutto, il suo scopo è spiegare la possibile origine della categorizzazione percettiva scartando l'ipotesi che il mondo sia organizzato a priori secondo schemi informazionali o che il cervello racchiuda in sé un homunculus I. I motivi che mi spingono ad abbandonare l'elaborazione di informazione come teoria del funzionamento cerebrale saranno piu chiari nel prossimo capitolo; per ora il mio obiettivo è definire le idee guida di una concezione che è alternativa. La teoria, per spiegare la categorizzazione senza chiamare in causa l'elaborazione di informazione o la computazione>, suggerisce Il termine homunculus ha due significati diversi in riferimento al cervello. Il primo indica una rappresentazione nella corteccia cerebrale delle parti corporee in funzione della loro importanza, mentre il secondo, a cui si riferisce Edelman, è una sorta di demiurgo su cui convergono le informazioni sensoriali o da cui partono i comandi motori, e che ha un seguito solo in alcuni filoni della filosofia della mente, ma non nelle scienze del cervello [un'estesa trattazione a riguardo è contenuta in Dennett 199r]. 2 Il tipo di computazione di cui parla Edelman è quella dei computer tradizionali o della Intelligenza Artificiale classica fondata sulla logica, altrimenti definita dall'alto verso il basso (top-down). Tuttavia, in anni recenti si è sviluppata una computazione alternativa, per quanto eterogenea, e un nuovo modo di progettare i sistemi intelligenti. Il principio ispiratore comune è la cosiddetta computazione emergente [Forrest 1990], a cui sono accostabili alcuni principi che Edelman' e collaboratori applicano nella progettazione dei loro automi "neurali" [si vedano, a proposito, Finkel e Edelman 1989; Sporns I
Riassunto e introduzione storica
7
che la legge preposta al controllo dell' organizzazione del cervello sia di natura popolazionistica e che il cervello, nel suo modo di operare, sia un sistema selettivo. Secondo la teoria [Edelman 1978, 1981; Edelman e Reeke 1982; Edelman e Finkel 1984], il cervello è organizzato dinamicamente in popolazioni cellulari che contengono singole reti varianti, la cui struttura e funzione vengono selezionate durante lo sviluppo e il comportamento. Le unità selezionabili sono insiemi di neuroni strettamente interconnessi, compresi tra le centinaia e le migliaia, definiti gruppi neuronali, i quali possono agire come unità funzionali. La teoria si basa sui tre principi seguenti: I) Durante lo sviluppo si crea una variabilità epigenetica delle connessioni anatomiche e, grazie alla selezione, si formano i repertori primari di gruppi neuronali diversi nella struttura. La diversificazione è tale che due animali non possono avere esattamente le stesse connessioni pur in aree cerebrali corrispondenti. Questa variabilità strutturale dipende da vari eventi selettivi di natura meccanico-chimica regolati da molecole di adesione tra cellula e cellula e tra cellula e substrato (CAM e SAM), che controllano la divisione, il movimento, la morte e il differenziamento cellulare durante lo sviluppo. 2) Un secondo processo selettivo si verifica dopo la nascita grazie a modificazioni epigenetiche nella forza delle connessioni sinaptiche all'interno e tra gruppi neuronali. In questo modo sono selezionate opportune combinazioni di gruppile cui attività sono in armonia con i segnali via via originati dal comportamento adattativo. Questa selezione, che si verifica tra gruppi varianti anatomicamente già presenti alla nascita (il repertorio primario), forma, di conseguenza il repertorio secone altri 1989; Tononi e altri 1992a, 1992b; Edelman e altri 1992; Reeke e Sporns 1993; Friston e altri 1994]. La computazione emergente si ispira da un lato ai sistemi biologici e dall'altro alla fisica dei sistemi complessi, accomunati dalla autoorganizzazione, ossia la formazione di strutture a partire da un sistema amorfo, dalla presenza di fenomeni collettivi, cioè molte unità (agenti) e molte interazioni tra esse, e dai fenomeni cooperativi, dove, in sintesi, il tutto è maggiore della somma delle parti, e dove il parallelismo si sostituisce alla serialità e alla gerarchia. Un esempio è la lA behavior-oriented (Intelligenza Artificiale orientata verso il comportamento) [per delle rassegne si vedano Steels 1994; Maes 1994] che ha molti aspetti in comune con la famiglia di automi Darwin (si veda il capitolo x, e la presente Prefazione di Giulio Tononi) [cfr. Edelman 1992b; Reeke e Sporns 1993], almeno riguardo al concetto di adattamento e di apprendimento, che possono scaturire da un processo selettivo (sorting out) operante nella ridondanza [Maes 1994] in un ambiente dinamico e imprevedibile e, come tale, non traducibile in istruzioni.
8
Capitolo primo
dario, il quale è a sua volta costituito da quei gruppi attivi che hanno una maggiore probabilità di essere impiegati nel comportamento futuro. I neuroni nei gruppi neuronali costituiscono delle popolazioni e i repertori formano popolazioni di ordine superiore. 3) Per mezzo di segnali rientranti si verifica una correlazione scandita temporalmente tra recettori sensoriali, complessi motori e gruppi neuronali che interagiscono nelle diverse aree cerebrali. Tale scambio di segnali avviene perché esistono delle mappe neurali reciprocamente connesse. Queste mappe collegano i repertori secondari, cioè il risultato dinamico di quegli eventi selettivi dello sviluppo e della selezione sinaptica a cui ho appena fatto riferimento, mentre le loro interazioni rientranti conservano la continuità spazio-temporale in risposta ai segnali provenienti dal mondo esterno.
È molto importante stabilire un legame tra questi processi e i meccanismi specifici dello sviluppo e dell'evoluzione. Durante lo sviluppo, quando si formano i repertori primari di gruppi neuronali varianti, l'anatomia locale dei gruppi stessi viene determinata da fattori genetici che regolano la forma cellulare e da eventi epigenetici che regolano i processi primari dello sviluppo, cioè, divisione, movimento, morte, adesione e differenziamento cellulare. Sebbene, in animali della stessa specie, le strutture di una particolare area cerebrale siano simili per tipo di funzione svolta tuttavia, esiste una notevole variabilità individuale nelle ramificazioni assonali e dendritiche, nella forma, nell'estensione e negli schemi di connessione. Questa variabilità, che deriva dalla regolazione dinamica delle molecole di adesione cellula-cellula e cellula-substrato, crea quelle differenze su cui può agire la selezione somatica. Allo stesso tempo, le mutazioni negli elementi che, nello sviluppo, regolano i tempi di comparsa di queste molecole, sono tra le possibili cause dell' evoluzione di specifiche regioni del cervello. Tali proprietàregolative consentono al sistema nervoso di adattarsi a diverse modificazioni evolutive indipendenti nell' organismo come, per esempio, le modificazioni nei muscoli, nelle ossa e nei recettori sensoriali. Queste idee, che mettono in relazione l'epigenesi e l'eterocronia dello sviluppo neurale all'evoluzione morfologica, sono parte di un'ipotesi fondamentale per la teoria, che ho definito ipotesi dei regolatori. Grazie a questi meccanismi epigenetici di sviluppo nel repertorio primario di una regione neurale specializzata si creano numerosi gruppi non identici
Riassunto e introduzione storica
9
e ciascun gruppo può rispondere con pari efficacia a un input specifico. Si parla di degenerazione, un concetto fondamentale per la teoria, quando in ogni repertorio vi sono forme varianti in strutture neurali equivalenti dal punto di vista funzionale, ma non isomorfiche. Il risultato di questi eventi epigenetici di sviluppo è la creazione di numerose reti degenerate di gruppi neuronali costituiti da neuroni con alberi dendritici e arborizzazioni assonali distribuite su un' area relativamente ampia e con un notevole grado di intr~catezza. Tuttavia, tali complesse arborizzazioni non implicano l'assenza di contatti neuronali specifici, i quali possono, inoltre, essere localizzati in parti ben definite dei neuroni stessi. Dopo la nascita, cioè quando gran parte del repertorio primario si è già formato, si verifica una seconda selezione epigenetica. I segnali in input vengono astratti e filtrati dai trasduttori sensoriali, dagli estrattori di caratteri e dai correlatori di caratteri (soprattutto i complessi sensomotori) inseriti in un mappaggio globale. I gruppi neuronali attivi in quei particolari repertori che ricevono tali segnali sono selezionati in maniera competitiva a vantaggio di altri. Una selezione vincente modifica l'efficacia sinaptica in quelle parti della rete corrispondenti a tali gruppi, incrementando la probabilità di risposta quando segnali simili o identici si ripresenteranno. Il risultato di questa competizione dipende dalla ricchezza strutturale del repertorio primario, dall' efficienza di regole pre- e postsinaptiche indipendenti che determinano le interazioni tra neuroni in un gruppo e, infine, dalla frequenza e dalla sede di segnali simili o identici. I repertori secondari, che sono gruppi neuronali selezionati in modo dinamico, si formano in seguito a una reiterata stimolazione da parte di questi segnali. Le regole sinaptiche responsabili della selezione dei repertdri secondari agiscono sulle sinapsi intese come popolazioni, e, perciò, l'operazione di queste regole è intimamente connessa alla particolare organizzazione e alla densità circuitale di un certo repertorio primario. Come parte integrante della teoria presenterò uno specifico modello popolazionistico di selezione sinaptica, il cosiddetto modello delle due regole. L'ipotesi dei regolatori e il modello delle due regole sono, nella selezione, i due meccanismi epigenetici fondamentali per la teoria: il primo riguarda la selezione durante lo sviluppo e forma il repertorio primario, mentre il secondo si riferisce alla selezione durante l'esperienza comportamentale e induce la formazione del repertorio se-
IO
Capitolo primo
condario. Tuttavia, se la selezione dei gruppi neuronali si basasse solo su questi due meccanismi non potrebbe spiegare la conservazione della continuità spaziotemporale, indispensabile per la categorizzazione percettiva. A tale scopo, sono richieste diverse forme di mappaggio, ed è stato scelto un esempio di formazione di una mappa locale nella corteccia cerebrale per mezzo della: selezione dei gruppi neuronali (il modello confinamento-selezione-competizione). La teoria sostiene che la coordinazione e il rinforzo dei modelli di selezione dei gruppi neuronali debba verificarsi tra diverse regioni cerebrali, organizzate a mappe. Questo è consentito da segnali fasici che fluiscono lungo le connessioni anatomiche rientranti tra queste mappe. Tale rientro fasico consente un legame dinamico tra i diversi sistemi di gruppi neuronali selezionati e attivi parallelamente in tempo reale. In numerose aree cerebrali sono state osservate configurazioni anatomiche rientranti (reciproche o di altro tipo) che presentano una segnalazione fasica rientrante; possiamo ricordare, a proposito, le radiazioni talamocorticali e corticotalamiche, le connessioni callosali e varie connessioni tra le aree sensoriali sia primarie che secondarie [Zeki 1975, 1978a; Van Essen 1985], e quelle motorie. Il rientro tra mappe ovvia al bisogno di uno scambio esplicito di marcatori di tempo e di luogo analoghi a quelli previsti dai sistemi a computazione parallela. Un postulato centrale della teoria è che la categorizzazione percettiva debba sia precedere sia accompagnare l'apprendimento. Infatti, uno dei compiti precipui del sistema nervoso è realizzare la categorizzazione percettiva in un mondo "senza etichette" - in cui l'ordine macroscopico e l'organizzazione di oggetti ed eventi (compresa la loro definizione e discriminazione) non sono prevedibili da un organismo, tranne la regola che tali oggetti ed eventi obbediscono alle leggi della fisica. La condizione necessaria affinché si verifichi la categorizzazione percettiva è il rientro tra sistemi paralleli separati di mappe locali, variamente specializzate, ciascuna delle quali campiona in modo disgiuntivo e indipendente lo stimolo. Tuttavia, di solito, si creano le condizioni essenziali per la categorizzazione percettiva solo quando un certo numero di tali mappe viene interconnesso e forma un mappaggio globale di ordine superiore che coinvolge complessi motori e sistemi sensoriali. Il rientro fasico di questi sistemi paralleli multipli nel cervello è il maggiore contributo alla sua attività ritmica. A sua volta, il comportamento motorio dell' animale in esplorazione è la principale fonte di quel campionamento conti-
Riassunto e introduzione storica
II
nuo, necessario affinché la selezione dei gruppi neuronali realizzi la categorizzazione percettiva. Detto questo, è importante dimostrare come la selezione dei gruppi neuronali e il rientro nelle mappe possano operare di concerto per realizzare la categorizzazione percettiva. Abbiamo dimostrato la validità intrinseca della teoria della selezione dei gruppi neuronali ai fini della categorizzazione progettando un automa percettivo che incorpora i fondamenti della teoria. L'abilità dell'automa di crearsi delle categorie basandosi su semplici figure bidimensionali suggerisce che le connessioni fasiche rientranti tra piu repertori organizzati in mappe possono generare funzioni associative assenti nei repertori isolati. Come dimostreremo nel capitolo x, in questo automa la selezione, la quale opera su repertori degenerati di gruppi neuronali collegati dal rientro, crea una reale categorizzazione pur senza la stesura di un programma atto a definire esplicitamente gli oggetti categorizzati. In sintesi, vedremo come tutte le ipotesi enunciate nei capitoli antecedenti alla descrizione dell' automa si armonizzino con le operazioni fisiche di quest'ultimo. Tuttavia, la teoria della selezione dei gruppi neuronali è una teoria biologica e non solo fisica, quindi, per coglierne tutte le implicazioni ci sarà d'aiuto una breve digressione sui presupposti biologici. In particolare, la teoria, per avere valore, deve essere fondata su solide basi evolutive. 3. Il pensiero popolazionistico in neurobiologia.
A meno di invocare un progetto speciale o la creazione, l'adattamento ambientale delle specie animali si basa sulla selezione naturale, la quale opera sulla variabilità già presente nelle popolazioni. I diversi taxa si originano grazie alle variazioni nell' ambiente e ad alcuni meccanismi di isolamento. Un animale con un cervello complesso deve adattarsi senza istruzioni a un ambiente multiforme e crearsi delle categorie percettive o una tassonomia interna che ne controlli le risposte al mondo circostante. Inoltre, la teoria propone che tale adattamento si attui tramite una selezione somatica operante sulle popolazioni di gruppi neuronali dell' animale stesso. In un certo senso non ci sorprende il fatto che la selezione naturale abbia favorito la selezione dei gruppi neuronali, in quanto esiste una certa analogia tra l'origine dei taxa nel corso della filogenesi e l'origine di popolazioni di gruppi neuronali e di categorie percettive negli individui. Tuttavia, l'analogia non va forzata sino al punto da considerarla sempli-
I2
Capitolo primo
cemente un'imitazione. Infatti, sono enormi le differenze, nei dettagli e nei meccanismi, tra selezione naturale, selezione dei gruppi neuronali e selezione clonale immunitaria, l'altro processo biologico in cui la presenza di variabili in una popolazione è il fondamento dei meccanismi di riconoscimento durante la vita del singolo. Tuttavia, pur con queste differenze, sono comparabili se consideriamo le tre caratteristiche essenziali condivise da tutte le teorie selettive: cioè, 1) repertori variabili di elementi le cui fonti di variazione non hanno una relazione causale con i successivi eventi di selezione o di riconoscimento, 2) opportunità di interagire con un ambiente che si modifica indipendentemente, consentendo la selezione di una o piu variabili adatte e, infine, per mezzo della trasmissione genetica, 3) strumenti di riproduzione differenziale o di amplificazione delle varianti selezionate in una popolazione. A differenza della teoria dell' evoluzione, la teoria della selezione dei gruppi neuronali non ha rapporti con le cause ultime, ma solo con le cause prossime. Tuttavia, analogamente alle tesi addotte riguardo alla selezione naturale nella teoria dell' evoluzione, a sostegno della nostra teoria dobbiamo far confluire prove da molte discipline diverse. Una breve storia del pensiero popolazionistico in neurobiologia potrà opportunamente inquadrare le prove stesse. Spero di riuscire a dimostrare che la teoria della selezione dei gruppi neuronali, pur condividendo i principi di altre teorie selettive, se ne discosta nei meccanismi particolari e nei suoi effetti evolutivi. Andrebbe, peraltro, al di là delle intenzioni del libro offrire un compendio storico completo delle idee selezioniste o esaurire gli esempi di pensiero popolazionistico applicato al comportamento. Per quanto riguarda il primo aspetto, il lettore interessato può consultare l'eccellente libro di Mayr [1982], per il secondo, alcuni compendi di psicologia comparata e di etologia [Gottlieb 1979; Lythgoe 1979; Gould 1982; Griffin 1982; MacPhail 1982; Terrace 1983]. Nel passato le idee selezioniste in neurobiologia hanno descritto principalmente gli aspetti evolutivi del comportamento o l'evoluzione del cervello e dei suoi diversi centri neurali. Con l'eccezione degli interessi etologici per l'origine neurale di alcuni comportamenti, la maggior parte di questi resoconti ha ignorato o non si è pronunciata sulla selezione somatica, cioè, la selezione neuronale quale principio esplicativo piu importante per l'ontogenesi e la fisiologia del cervello. Le analisi degli etologi si sono essenzialmente concentrate sul grande anello selezione naturale-comportamento, che vedremo nel capitolo XI (si veda la fig. 62), piuttosto che su una selezione operan-
Riassunto e introduzione storica
I3
te negli individui secondo le regole della biologia cellulare e della fisiologia. L'interesse nell'applicare il pensiero popolazionistico all'origine e alla funzione del singolo sistema nervoso 'è relativamente recente. Come ho accennato nei commenti della sezione precedente, uno fra gli obiettivi di un' esauriente teoria somatica è correlare la selezione evolutiva delle strutture cerebrali e le funzioni cerebrali via via emergenti, per selezione somatica, durante e dopo lo sviluppo. È proprio questo compito che caratterizza il concetto di selezione somatica dei gruppi neuronali e delle popolazioni sinaptiche rispetto alle idee selezioniste degli etologi. Un breve resoconto storico ci consentirà una piu agevole distinzione dei diversi livelli in cui è stato applicato il pensiero selezionista, e potrà aiutarci a evitare la confusione tra i livelli stessi, particolarmente quando ci addentriamo tra le prove che sostengono i concetti di selezione somatica.
4. Selezione naturale e pensiero popolazionistico in relazione al comportamento. Charles Darwin è stato il primo a sostenere che la selezione naturale modifica il comportamento, e viceversa. Egli ha approfondito il rapporto tra selezione e istinti animali [Darwin 1859] e ha speculato sul significato evolutivo delle emozioni e dei sentimenti [Darwin 1872]. Le idee di Darwin furono riprese da un suo contemporaneo, George John Romanes [1884, 1889], il quale ha proposto la teoria secondo cui il comportamento è una proprietà della specie e la continuità comportamentale è filetica. Charles Lloyd Morgan [I 89 6, 1899,1930] ha osservato una relazione tra la complessità dell'organizzazione neurale e quella del comportamento. Sebbene sottolineasse che la complessità del comportamento di un animale ne riflette la complessità neurale e, quindi, che le modificazioni anatomiche evolutive possono originare nuovi modelli comportamentali, non chiari i contributi relativi dell'istinto e dell'abitudine. C. Wesley Milis [1898] è stato, probabilmente, il primo a riconoscere l'influsso dello sviluppo sul comportamento. A quel tempo i tentativi di definire i vincoli imposti dallo sviluppo del cervello sulla funzione cerebrale e sul comportamento sono stati confusi, in parte, con la teoria della ricapitolazione di Haeckel, un falso concetto la cui storia è stata esaurientemente analizzata da Stephen Jay Gould [1977]. Tuttavia, James Mark Baldwin [1895, 1902] è stato fra i pri-
I4
Riassunto e introduzione storica
Capitolo primo
mi a cogliere l'importanza delle modificazioni negli individui durante l' ontogenesi ed ebbe la lucidità per interpretare la questione in termini darwiniani. Notò che, sebbene i singoli animali co specifici vivano esperienze diverse, i comportamenti in tutti gli animali di una specie sono alquanto costanti. Il cosiddetto effetto Baldwin [per un' analisi, si veda Gottlieb 1979] fu forse la prima indicazione che fenomeni verificantisi durante l' ontogenesi possono influenzare la morfologia e il comportamento; le teorie di Baldwin tendevano a spiegare come esperienze successive potessero facilitare e conservare tali modificazioni 3 •
5. Declino e rinascita delle idee selezioniste. A questi primi sforzi è seguito un notevole declino nell'impiego del pensiero popolazionistico in psicologia, in coincidenza, nella prima parte di questo secolo, con lo sviluppo del comportamentismo'. L'uso occasionale del concetto di selezione per descrivere il comportamento nelle fasi di apprendimento può far pensare a un' eventuale parentela con il pensiero di Darwin. In realtà, solo un esile filo sostiene senza ambiguità questa affermazione, sebbene sia stata proposta come analogia [Dennett 1978] per spiegare il paradigma stimolo-risposta, o S-R, di Thorndike [19II]. Questo paradigma è stato inglobato nella legge dell'effetto, la quale postula che l'associazione tra un certo stimolo e la relativa risposta sia rinforzata in funzione all'entità della ricompensa ricavata dall'azione. Secondo questa legge, il comportamento, quando produce risultati soddisfacenti per l' or-
.
3 L'effetto Baldwin è una causa indiretta dell'apprendimento sull'evoluzione. Secondo tale concezione l'apprendimento favorisce una migliore sopravvivenza e, quindi, gli organismi piti abili nell'apprendere generano una prole piti numerosa incrementando la frequenza del gene responsabile di quell'apprendimento. Se l'ambiente rimane sufficientemente stabile può indirettamente favorire la codificazione genetica di un tratto che originariamente ha dovuto essere appreso, e cOSI l'apprendimento può influire sull'evoluzione. L'interazione reciproca tra evoluzione e apprendimento interessa, oltreché gli etologi e gli psicologi, anche gli esperti di algoritmi genetici e di reti neurali [Hinton e Nowlan I987; Ackley e Littman I992; per una rassegna sul tema si veda Nolfi e altri I9921, i quali hanno proposto modelli che simulano e confermano la validità dell'effetto Baldwin, con lo scopo di verificare teorie biologiche, ma anche creare programmi per computer capaci di evolversi ispirandosi alle leggi biologiche (l'intreccio di questi argo· menti è documentato, tra le altre, nelle riviste, «Evolutionary Computation» e «Artificial Life », pubblicate dalla Mit Press). , Per una rassegna dove viene evidenziata la riconciliazione tra comportamentismo e neuroscienze si veda Thompson [1994].
I5
ganismo, viene" impresso" nel suo sistema nervoso, mentre, qualora provochi disagi e dolori, viene rimosso. Thorndike ha sottolineato il ruolo dell' attività motoria nel ricercare effetti gratificanti con variazioni nelle differenti associazioni interne. Sebbene avesse colto inequivocabilmente la relazione tra incremento delle dimensioni cerebrali e comportamento, tuttavia, da questa intuizione non scatUrl alcuna teoria generale. Esiste un evidente filo conduttore tra questi studi e il comportamentismo; purtroppo, sembra essere stata ignorata la sua relazione meno evidente, ma chiara, con l'evoluzione darwiniana. Insieme al lavoro di Pavlov [si vedano Mackintosh 1983; Staddon 1983; Jenkins 1984], le idee e gli esperimenti di Thorndike hanno segnato !'inizio del comportamentismo nella teoria dell' apprendimento, un modo di studiare il comportamento animale svincolandolo da ogni analisi sui meccanismi interni al suo cervello. Questa metodologia, pur caratterizzata da un significativo perfezionamento sperimentale, ha introdotto un sapore istruzionista nell'interpretazione del comportamento, insieme a un minore interesse per le differenze, pur significative, dell'organizzazione del sistema nervoso di individui diversi e di specie diverse. I comportamentisti hanno trascurato le enormi differenze nell' organizzazione del sistema nervoso delle varie specie probabilmente perché, basando la loro interpretazione del comportamento su paradigmi.di condizionamento, hanno ritenuto possibile associare quasi ogni stimolo a ogni risposta. È stata proprio l'attrattiva generale di considerare stimoli e risposte svincolate dai particolari strutturali e dalle origini evolutive del sistema nervoso integrato al resto del fenotipo che ha impedito alla psicologia un approccio popolazionistico . Cosi, sembra che il notevole successo dei metodi di Thorndike, di Hull [1943, 1952] e di altri ricercatori abbia rimosso dalla psicologia ogni interpretazione fondata su una concezione popolazionistica. L'ironia di questa situazione merita qualche commento poiché, come suggerisce Dennett [1978], la legge dell'effetto ricorda superficialmente per molti aspetti la selezione naturale. Sebbene la legge dell'effetto presenti delle analogie con la selezione naturale, tuttavia non le è omologa - è istruttiva, in gran parte pilotata dall' ambiente e legata a una velata idea di animale vuoto, guidato da categorie esterne. Il piu radicale tra i comportamentisti moderni, Skinner [1981], ha scritto un articolo intitolato Selezione in base agli effetti che propone la stessa analogia in un inesorabile contesto comportamentista e istruzionista. In tutte queste speculazioni non vi è traccia dell'idea
16
Capitolo primo
che le strutture cerebrali stesse siano popolazioni su cui agisce la selezione, o che tale selezione sia il fondamento della categorizzazione percettiva. La maggior parte dei lavori dei neurologi e dei neurofisiologi a loro contemporanei non manifesta alcun tentativo di respingere le teorie dei primi comportamentisti. Ecco, quindi, che gli studi di Hughlings Jackson [193 I; T aylor 193 I] sull'organizzazione gerarchica del sistema nervoso centrale (SNC) e gli studi di Sherrington [1906] sui riflessi avevano un sapore apparentemente affine - stimolo in input, risposta in output - una forma di messaggio in transito. Tuttavia, dopo il 1949, in seguito alla comparsa del libro di Hebb L'organizzazione del comportamento, alcuni comportamentisti sentirono la necessità di riconoscere il ruolo degli stati interni del sistema nervoso. A Hebb va riconosciuto lo sforzo di aver avvicinato i principali temi della psicologia e le proprietà del sistema nervoso. In particolare, ha trasposto la legge dell'effetto a livello sinaptico proponendo un modello correlativo di modificazione sinaptica simile a quello di Hayek [1952]. Questo studio ha preparato il terreno per la successiv~ germinazione di molti lavori teorici, ma ha ignorato le interpretazioni di tipo darwiniano, proponendo, ancora una volta, una teoria istruttiva della percezione e dell'apprendimento', come vedremo a fine capitolo. Una considerazione sulla natura della generalizzazione e della categorizzazione (si vedano i capitoli II e IX) evidenzia le credenze istruzioniste sia dei discepoli intellettuali di Thorndike sia di quegli istruzionisti che hanno ricusato il comportamentismo. Come ha sottolineato Reed [1981], i concettualisti moderni (i quali asseriscono che i membri di una categoria cadono sotto la stessa rappresentazione mentale) si dividono in due classi. Alcuni sono realisti o cognitisti in quanto sostengono che le categorie sono rappresentate da aspetti normativi. Altri sono nominalisti e ritengono che le rappresentazioni , Massimo Piattelli Palmarini [1989] ha pubblicato un interessante saggio dove sostiene una concezione selezionista dell' apprendimento a qualunque livello si verifichi in natura, dalla biologia molecolare al linguaggio. Qui egli afferma paradossalmente che «se per apprendimento si intende un qualche meccanismo di trasferimento di struttura, dall'esterno all'interno di un organismo, allora si deve concludere che, appunto, l'apprendimento non esiste» [ibid., trad. it. p. 278]. Tale concezione sembra essere confermata anche a livello neurale: «senza dubbio, le capacità di apprendimento si fondano in parte sulla facoltà dei neuroni di morire senza essere sostituiti, per quanto paradossale possa sembrare agli occhi di chi abitualmente associa l'apprendimento all' acquisizione e all' accrescimento dell'essere» [Prochiantz 1989, trad. it. p. 53], un concetto riassunto daJeanPierre Changeux, «apprendere significa eliminare» [ibid., p. 58]. Un' approfondita rassegna storica e concettuale sulla progressiva espansione della concezione selezionista nelle scienze del comportamento è contenuta in Palmer e Donahoe [I992].
Riassunto e introduzione storica
17
mentali non esistono in quanto tali. Secondo questa visione, quelle che appaiono categorie mentali non sono altro che le frequenze di associazione S-R;'gli esponenti di tale scuola sono, di fatto, comportamentisti. In nessuna delle due linee di pensiero si accenna che, forse, il problema potrebbe risolversi in un accoppiamento adattativo tra le varianti neuronali di un repertorio degenerato e il mondo esterno costituito da insiemi disgiunti di caratteri o proprietà, creando la generalizzazione con meccanismi analoghi a quelli che generano i diversi taxa nel corso dell'evoluzione. Solo dopo la nascita dell' etologia moderna [si vedano Gottlieb 1979; Terrace 1983], la tendenza a interpretare il comportamento in chiave istruzionista si è, almeno in parte, invertita. Questo sviluppo e gli studi conseguenti hanno evidenziato un comportamento speciespecifico. L'esistenza in specie diverse di comportamenti complessi e adattativi, molti dei quali compaiono nel corso normale dello sviluppo senza alcun evidente apprendimento condizionato, non lasciano dubbi sulla componente selettiva del comportamento. Gli studi degli etologi hanno chiaramente dimostrato che l'evoluzione può agire sul comportamento e che il comportamento, a sua volta, può influire sull' evoluzione, sottolineando l'importanza dell' adattabilità del comportamento in ogni specie, a questo punto non piu ignorabile. Tuttavia, nonostante questo brillante contributo, non è stato sottolineato a dovere quanto, per comprendere quel comportamento, gli aspetti dello sviluppo, o epigenetici, dell'organizzazione neurale fossero altrettanto importanti delle cause evolutive, della sopravvivenza e della funzione. Perciò, nella maggior parte delle teorie etologiche, le valutazioni sui fattori dello sviluppo nell' evoluzione non sono un aspetto centrale [Edelman 1986b; Alberch 1987]. In un eccellente riassunto su questo tema, Gottlieb [1979] ha attribuito il giusto peso alla questione dello sviluppo del sistema nervoso per l'analisi etologica del comportamento. Tale concezione si sta progressivamente imponendo nel tentativo di correlare genetica dello sviluppo ed evoluzione, non solo riferite al cervello, ma all'organismo nel suo complesso [si vedano Bonner 1982; Raff e Kauffman 1983; Edelman 1986b]. Invero, studi recenti sullo sviluppo del canto in varie specie di passeri hanno indotto alcuni etologi [Gould e Marler 1984] a ritenere che questo fenomeno sia in parte spiegabile con la selezione dei gruppi neuronali, come proponiamo in questo libro e altrove. Si può riassumere questo breve (ovviamente sintetico) resoconto evocando l'immagine di un filo tessuto per la prima volta da Darwin,
18
Riassunto e introduzione storica
Capitolo primo
che è stato in parte rifilato dopo un intervallo e che attualmente viene cucito a una rete piu grande, dove il comportamento è inquadrato nella selezione naturale, nella selezione somatica e nel rapporto reciproco. Approfondiremo alcuni tra gli aspetti piu importanti di questa rete nel capitolo XI quando metteremo in relazione la categorizzazione percettiva basata sulla selezione e 1'apprendimento dell' animale sul campo.
6. Alcune concezioni di selezione somatica. Uno degli aspetti piu importanti di questa rete è la nascita di una concezione selezionista del funzionamento del sistema nervoso durante la vita individuale (somatic time). Sebbene sia qui impossibile ricordare tutti gli influssi che le hanno ispirate, è probabile che il successo delle idee selezioniste in immunologia (certamente un sistema non cognitivo) abbia svolto il suo ruolo [Edelman 1974]. Tuttavia, ci sono stati altri fattori tra cui merita ricordare alcuni studi sulla memoria [Young 1973, 1975] e sullo sviluppo delle innervazioni muscolari [Changeux e Danchin 1976; si veda Van Essen 1982] analizzati nei dettagli anatomici e fisiologici. Complessivamente questi influssi hanno dischiuso la via a una concreta, per quanto incompleta, idea di selezione somatica; li riassumiamo per sottolinearne il valore euristico. Una tra le prime teorie coerenti è stata quella diJohn Z. Young [I965, I973, I975], il quale, studiando il ruolo delle reti neurali nella memoria dell'Octopus, ha proposto la teoria del mnemòne, secondo cui una certa area di tessuto nervoso dotata di connessioni sinaptiche cablate ne presenta alcune potenzialmente rinforzabili. Le connessioni inutili vengono soppresse o eliminate selettivamente fino a che le reti funzionali residue stabilizzano le loro connessioni e il comportamento potenzialmente adattativo, generando quello che Young ha definito un mnemòne (fig. I). Il meccanismo da lui proposto è una forma di selezione eliminativa o stabilizzante [Schmalhausen 1949; Mayr I982]. Tuttavia, nel concetto di mnemòne non risalta la natura popolazionistica e statistica della selezione naturale, vengono trascurati il ruolo dello sviluppo come fonte di variabilità nonché un' analisi esplicita del rapporto della selezione o della memoria con il problema delle categorie. Tranne per alcune forme di apprendimento, il mnemòne presenta una scarsa predisposizione a modificarsi con l'adatta-
19
mento, poiché i meccanismi di eliminazione selettiva hanno in genere minori potenzialità plastiche rispetto ad altre forme di selezione. Nonostante questi limiti, l'ipotesi del mnemòne ha concretamente approfondito, rispetto alle teorie precedenti, il concetto di selezione e di stabilizzazione della rete neurale. In un curioso articolo, chiaramente influenzato dalla teoria della selezione clonale [Burnet I959], Jerne [r967] ha proposto un modello del funzionamento cerebrale di natura apparentemente selezionista. In realtà, si trattava di un modello essenzialista e tipologico mascherato in cui veniva ignorata'la corrispondenza tra le proprietà discontinue di insiemi di oggetti del mondo esterno e le reti degenerate del cervello parzialmente adattative. Invece, sorvolando su tali argomenti, ha riproposto una concezione platonica dell' apprendimento anche per le regole e le rappresentazioni del linguaggio. Tuttavia, pur trattandosi di una teoria inadeguata, presentava delle analogie con il pensiero selezionista dotate di un certo valore euristico. Jean-Pierre Changeux e collaboratori [Changeux e Danchin I976; Changeux e altri 1984] hanno proposto una teoria selezionista relativa allo sviluppo e alI'epigenesi, il cui contenuto si ricollega in parte alle idee di Young [1973], in parte al lavoro di Victor RamFigura 1. Un mnemòne o singola unità di memoria come l'ha propostaJohn Z. Young [1965]. La cellula classificatoria o identificatrice dei caratteri risponde in seguito a un evento particolare (per esempio la presenza di un oggetto con andamento verticale). La cellula presenta due segnali in uscita che le consentono delle azioni alternative. C'è una lieve tendenza a favore di una di queste, che induce a produrre, per esempio, un attacco lento verso l'oggetto. Ci saranno poi dei segnali di ritorno che indicheranno il risultato dell' azione e rinforzeranno ciò che era stato fatto oppure produrranno l'azione opposta (ritirata). I rami laterali attiveranno allora le cellule piccole inducendole a produrre un trasmettitore inibitorio che blocca il percorso indesiderato. Dopo questi eventi, il rivelatore di caratteri può produrre soltanto una risposta.
Attacco
Cellula classificatoria
I 20
Capitolo primo
burger [1968, 1975] sullo sviluppo neuromuscolare [Van Essen 1982] e in parte alle argomentazioni secondo cui la complessità del genoma è insufficiente per spiegare direttamente la complessità delle connessioni nel sistema nervoso. Egli ha chiaramente compreso che, mentre i geni determinano i caratteri invarianti del sistema nervoso, nel corso dello sviluppo emerge una complessità ulteriore. Pur non avendo intuito il concetto di degenerazione, tuttavia, Changeux riconosce, nella propria teoria, l'esistenza della ridondanza e della sua eliminazione o modificazione nel corso dello sviluppo, quale conseguenza dell'attività delle reti neurali in via di formazione. Come ho già accennato, l'esempio piu illustrativo di questa eliminazione riguarda la diminuzione nel tempo del numero di sinapsi nella placca motrice [Van Essen 1982]. Su queste idee è stato edificato un modello di stabilizzazione selettiva delle sinapsi 6. Questa concezione, come le precedenti di Young, ha il pregio di far luce sui limiti interni ed esterni delle componenti dell' apprendimento e di segnalare l'importanza che gli elementi epigenetici dello sviluppo neurale hanno sull'apprendimento stesso. Tale teoria ha, inoltre, evidenziato la selezione eliminativa, tralasciando però le funzioni globali o gli aspetti della categorizzazione, della generalizzazione, del rientro e del mappaggio, tutti aspetti essenziali in una solida teoria della selezione neuronale. Inoltre, ha ritenuto che il singolo neurone fosse l'unità minima soggetta a selezione 7. 6 La stabilizzazione selettiva delle sinapsi viene descritta con un esempio tipico: nel neonato di topo ogni fibra muscolare è innervata da numerosi motoneuroni. Poche settimane dopo, la maggior parte di queste connessioni si ritira finché ogni fibra museo· lare è innervata da un solo motoneurone, un processo di selezione per eliminazione, appunto [si veda Jennings 1994]. Studi recenti [Balice-Gordon e Lichtman 1994] dimostrano che l'eliminazione di una sinapsi dipende dall' attività delle sinapsi vicine. Infatti, come controprova, se vengono bloccate farmacologicamente tutte le sinapsi vicine nella stessa giunzione neuromuscolare non si verifica alcuna eliminazione, ma rimangono tutte attive; si tratta, perciò, di un processo attivo e specifico. Meccanismi simili, se non identici, è probabile agiscano anche nel cervello, per cui, capire la selezione competitiva a livello periferico, potrebbe farci comprendere come il cervello si sviluppa e si riprogramma selettivamente. 7 Le concezioni di Jean-Pierre Changeux presentano significative affinità con il pensiero di Edelman: per esempio, entrambi ritengono che le leggi preposte allo sviluppo del cervello siano le stesse che controllano l'apprendimento, che la genetica e l'epigenesi interagiscano nella costruzione del cervello e nell'apprendimento [Kerszberg 1990], che nel corso dello sviluppo si verifichi, a livello dei geni, l'autocatalisi (si veda il capitolo IV, nota 4) e la competizione [Kerszberg e Changeux 1994], che i suddetti processi siano controllati da meccanismi selettivi in un ambito popolazionistico, e che la simulazione al computer aiuti a suffragare i modelli teorici. A tal proposito Changeux [Toulouse e altri 1986] ha concepito delle reti neurali a vetri di spin [si vedano Stein 1989; Parisi 1992] dove l'apprendimento e la memoria si verificano per selezione, concepita come la pota-
Riassunto e introduzione storica
21
Nel 1975, ho iniziato a cimentarmi nell'applicazione delle idee selezioniste al funzionamento dei sistemi nervosi evoluti [Edelman 1975] e nel 1977 ho tracciato il profilo di una teoria generale. Proponendo la selezione dei gruppi neuronali [Edelman 1978] ho anche definito i concetti di origine della variabilità neuronale nello sviluppo, di gruppo neuronale come unità di selezione e, infine, di degenerazione e rientro. Sebbene la teoria avesse in nuce quegli aspetti essenziali poi approfonditi in questo volume, era essenziale, condensata e astratta. Allora si era trattato di una decisione deliberata, le cui carenze, si sperava, sarebbero poi state mitigate da versioni specifiche piu concrete e sperimentalmente fondate [Edelman 1982; Edelman e Finkel 1984]. Il lavoro sviluppato in questo libro può considerarsi parte di questo sforzo progressivo. tura di un albero complesso di stati, generati con il minimo di informazione genetica [Toulouse e altri 1986]; in un secondo modello viene simulato l'apprendimento del canto degli uccelli (si veda il capitolo XI) con una rete neurale le cui unità funzionali sono gruppi di neuroni (clusters) sinergici e mutuamente inibentisi organizzati in tre strati e capaci di riconoscimento attivo e di apprendimento tramite selezione [Dehaene e altri 1987]. Changeux ha poi esteso il concetto di apprendimento per selezione a un livello cognitivo superiore [Dehaene e Changeux 1989] simulando l'acquisizione di regole elementari di comportamento nella corteccia prefrontale, dove introduce il concetto di «darwinismo mentale» [ibid., p. 258], secondo cui «il cervello genera spontaneamente delle prerappresentazioni transienti e labili che costituiscono ipotesi sul mondo, le quali possono essere selettivamente stabilizzate o eliminate in funzione del loro accoppiamento con l'ambiente o della loro corrispondenza con gli obiettivi reali dell'organismo» [ibid.]; infine, Changeux [Kerzsberg e altri 1992] descrive un modello di auto-organizzazione del sistema nervoso, dove l'architettura interna, inizialmente ridondante e mal definita, si perfeziona grazie agli stimoli esterni che stabilizzano selettivamente le sinapsi (per un modello analogo si veda il capitolo VII). Piu recentemente, è stato proposto un modello a reti neurali dell' apprendimento [Shenoy e altri 1993] che si ispira alle concezioni selettive di Edelman, all'organizzazione colonnare di Mountcastle della corteccia cerebrale (cfr. anche il capitolo v) e a una concezione della struttura-funzione neurale di tipo probabilistico [Little e Shaw 1975]. In questo modello, la corteccia dei mammiferi ha un ordine di connessioni tra minicolonne strutturato nel tempo e nello spazio e la formazione della memoria coincide con lo sviluppo di stati stabili nel sistema nervoso; la colonna corticale è la rete neurale di base della corteccia, composta a sua volta da minicolonne comprendenti circa cento neuroni e aventi tre possibili livelli di attività; la maggior parte degli stimoli seleziona una particolare risposta tra i modelli di attività spaziotemporali del repertorio originale. Tuttavia, a differenza di quello di Edelman, che si basa sulla selezione dei gruppi neuronali (si veda il capitolo III), questo modello presenta un ampio repertorio di configurazioni di attività spaziotemporali quasi stabili selezionabili tramite una regola di apprendimento hebbiana (cfr. il capitolo VII e il Glossario).
r
22
Capitolo primo
7. Distinzioni critiche tra le teorie selezioniste.
Come si evince dal resoconto precedente, il concetto di selezione è stato applicato al comportamento e al sistema nervoso degli animali in modi diversi. Poiché il pensiero popolazionistico è applicabile ai diversi livelli dell' organizzazione neurale e comportamentale, è importante mettere ordine e distinguere tra le diverse matasse, contesti e meccanismi delle teorie selettive, evitando la confusione che nasce quando si valutano i risultati ricavati da discipline diverse. Possiamo realizzare quest' obiettivo evidenziando gli aspetti comuni a tutte le teorie selettive e indicando a quale compito debba adempiere una soddisfacente teoria della selezione somatica. . Come abbiamo visto, i requisiti ideali di ogni teoria selettiva sono I) una sorgente di variazione, generatrice di caratteri diversi, 2) degli strumenti che favoriscano un'interazione effettiva, o campionamento, con un ambiente indipendente e privo di categorie assolute o predeterminate, e 3) degli strumenti che, in un arco di tempo definito, amplifichino in modo differenziale le forme varianti di una popolazione piu adattata. Tale amplificazione può verificarsi in modo stocastico, ma, nella popolazione, deve comunque aumentare la frequenza del carattere piu adatto. Una reale amplificazione differenziale implica l'esistenza di una forma di eredità o di memoria che assicuri la conservazione di qualche carattere adattativo evitandone l'estinzione nel processo di variazione, che è, tuttavia, un fenomeno inevitabile; L'evoluzione è proprio il meccanismo che soddisfa queste esigenze; in essa, infatti, le mutazioni, la ricombinazione, e il flusso genico sono la maggiore fonte di variabilità, il comportamento attivo consente il campionamento dell'ambiente, e l'eredità assicura che alcuni tra i prodotti della selezione naturale favoriscano, in futuro, una riproduzione differenziale dell'organismo piu adattato [Mayr 1982]. Ciascuno di questi requisiti è riscontrabile anche nel modus operandi di un altro sistema selettivo somatico, il sistema immunitario, in cui la ricombinazione e la mutazione dei segmenti genici della regione variabile producono negli anticorpi un repertorio di siti di legame diversi [Burnet 1959; Edelman 1973]. In genere, un singolo tipo di anticorpo viene prodotto da un unico linfocita, generando una popolazione. Gli antigeni estranei vengono sondati dalla complessa circolazione dei linfociti, e il legame dell'antigene, quando supera una soglia di affinità definita, innesca una moltiplicazione differenziale
Riassunto e introduzione storica '
23
dei cloni di quei linfociti che esprimono gli anticorpi adatti a legarsi piu o meno bene all'antigene. La teoria della selezione dei gruppi neuronali soddisfa i tre requisiti elencati in precedenza, specificando che le connessioni piu fini si formano durante lo sviluppo e che la variazione dell' efficacia sinaptica perdura nel tempo. Il comportamento favorisce l'interazione con l'ambiente e il suo campionamento, a cui segue un' amplificazione differenziale delle sinapsi di quei gruppi neuronali le cui interazioni siano adattative. Il rientro coordina la selezione a tutti i livelli del sistema, e il meccanismo di plasticità sinaptica, che è alla base della memoria, stabilizza alcuni tra i gruppi selezionati in funzione di eventi futuri di natura selettiva. La teoria della selezione dei gruppi neuronali ha una validità generale e unifica fenomeni eterogenei che si verificano nel sistema nervoso, ma non è semplicisticamente analoga ad altre teorie selettive. Pur condividendone i principi di base, cioè una sorgente di caratteri variabili, la modificazione sinaptica come equivalente del meccanismo ereditario, a cui fa seguito un' amplificazione differenziale, tuttavia, è diversa, per organizzazione e meccanismi, dalla teoria della selezione naturale [Darwin 1859; Mayr 1982] e dalla teoria della selezione clonale [Burnet 1959]. Una teoria è valida se propone dei meccanismi dettagliati e specifici che spiegano, in un certo campo del sapere, un ampio spettro di fenomeni e stimola nuovi esperimenti. Verso quali nuove direzioni o interpretazioni ci spinge la teoria della selezione somatica della funzione neuronale? La teoria sottolinea che la natura di uno stimolo è dinamica e polimorfa, che, da principio, esistono due domini variabili e indipendenti (l'universo dei possibili stimoli e gli insiemi dei gruppi neuronali) e che il fondamento primo dell' apprendimento risiede nella categorizzazione percettiva. La teoria della selezione dei gruppi neuronali sottolinea l'importanza delle variazioni nelle popolazioni neuronali e l'origine della variabilità durante lo sviluppo del sistema nervoso. Essa rileva, inoltre, che la selezione opera su due livelli: lo sviluppo e l'esperienza. Ipso facto, ci è impossibile costruire una teoria adeguata del funzionamento cerebrale senza avere compresi i meccanismi di sviluppo e i fattori su cui si fondano l'anatomia del sistema nervoso e la variabilità sinaptica. Con il procedere delle esperienze nell' adulto, la selezione tra popolazioni di sinapsi diventa un meccanismo determinante; nella maggior parte delle esperienze postnatali, le regole che modificano tali popolazioni sinaptiche sostituiscono quelle preposte alla creazione di
24
Capitolo primo
nuove strutture neuroanatomiche [Finkel ed Edelman 1985]. Il rientro e il mappaggio, ciascuno continuamente rimodellato dai comportamenti, diventano i mezzi con cui tale sistema gerarchico può conservare una coerenza interna. La teoria, avendo compreso !'importanza della generalizzazione nella risoluzione di problemi e nell' apprendimento, e, quindi, nell'esigenza di attribuirle un substrato neurale, sottolinea il ruolo primario della degenerazione dei gruppi neuronali nei repertori e il ruolo della funzione e dell' anatomia rientrante tra le mappe e tra i sistemi paralleli costituiti dai repertori stessi. Le teorie della selezione neuronale condividono un dogma centrale riguardo allo sviluppo neurale: «lI cablaggio, pur diverso nei singoli individui, è a senso unico», cioè, l'organizzazione dei circuiti neurali, pur dipendendo da variabili evolutive, comportamentali e di sviluppo, non si forma né si riorganizza istruttivamente in risposta a influssi esterni e, una volta consolidata, rimane generalmente fissa come base per la selezione sinaptica. Lo stesso principio vale per i sistemi in via di rigenerazione; infatti, le teorie selettive suggeriscono che, quando la rigenerazione neurale crea una nuova rete, entra di nuovo in gioco la selezione sinaptica. Tali teorie escludono che i cervelli e il comportamento siano completamente determinati geneticamente, ritenendo, piuttosto, che il grado di specificità dipenda dall' evoluzione di ciascuna specie, dai fabbisogni di natura ecologica e dal tempo richiesto all'individuo per adattarsi. Questo concorda con il concetto selezionista per cui, contrariamente ai computer o alle macchine di Turing, non esiste un animale di tipo generale, ma soltanto l'evoluzione di specifiche lamine sensoriali e di complessi motori adattabili e del principio di selezione somatica stessa che si manifesta nell' organismo con meccanismi peculiari. Le teorie selezioniste, contrariamente ai modelli comportamentisti, tengono ben presenti i fattori etologici e l'unicità dell' adattamento delle varie specie e dei relativi sistemi neryosi alle rispettive nicchie ecologiche. E importante comprendere che il semplice selezionismo durante lo sviluppo e la selezione eliminativa, come meccanismo generale, sono insufficienti per spiegare il comportamento adattativo che genera la categorizzazione. I sistemi nervosi sono soggetti, durante la loro esistenza, a variazioni controllate da fattori selettivi, e deve verificarsi una selezione tanto positiva quanto negativa. Mentre è statisticamente probabile che, con il procedere dell' apprendimento, si riduca la degenerazione presente nel sistema, rimane statisticamente possibile che durante la vita dell' organismo si creino nuove variazioni in reti neurali interattive e in gerarchie di reti.
Riassunto e introduzione storica
25
I maggiori compiti sperimentali indicati dalla teoria della selezione dei gruppi neuronali sono: scoprire le origini della variabilità nello sviluppo, le regole che controllano le popolazioni sinaptiche in reti neurali degenerate e, infine, i fattori temporali e fisici del rientro, il tutto nelle leggi di ordine superiore che l'evoluzione impone al comportamento e alla forma della specie. Questo spietato programma di darwinismo neurale [Edelman 1985a] apre le porte a nuove interessanti concezioni sulla natura della memoria, della percezione e dell'apprendimento, suggerendo, inoltre, una serie di nuovi esperimenti (si veda il capitolo XII).
8. Selezione e istruzione nelle teorie globali del cervello. Concludendo questo riassunto storico e interpretativo possiamo fare alcune distinzioni tra una teoria cerebrale globale formulata in passato, per quanto ancora influente, e la teoria della selezione dei gruppi neuronali, soprattutto perché le differenze fondamentali sono state oscurate o male interpretate. La teoria in questione è quella dell'associazione cellulare di Hebb [1949,1980, 1982;]usczyk e Klein 1980], una vigorosa espressione istruzionista a livello cellulare delle teorie di Thorndike sull'associazione S-R e sull'apprendimento per tentativi ed errori. La teoria sostiene che insiemi di cellule si associano obbedendo a una particolare regola in grado di modificare la forza sinaptica, neurone per neurone. Il legame è indotto da stimoli estèrni, e una serie complessa di eventi rinforza gli insiemi cellulari nelle cosiddette sequenze di fase 8 • Un confronto tra la te'oria di Hebb e la teoria della selezione dei gruppi neuronali merita particolare attenzione perché consente di apprezzare la differenza tra una teoria materialista e istruzionista, e una teoria inesorabilmente ancorata al pensiero popolazionistico. Malgrado la teoria di Hebb non riveli in alcun modo una pedissequa accettazione delle idee di Thorndike [191 l, 1931], essa è marginal8 Hebb definisce in questo modo le sequenze di fase: «qualunque spec:ifica e ripetuta stimolazione determina un lento sviluppo di una "associazione cellulare", cioè una struttura diffusa che comprende cellule della corteccia e del diencefalo, capace di agire come un sistema chiuso e di trasportare la facilitazione ad altri sistemi analoghi. Una serie di questi eventi costituisce una" sequenza di fase" - il processo del pensiero» [Hebb 1949. p. 63]. Un resoconto biografico e scientifico su Donald Hebb e sul suo ruolo di precursore nelle teorie delle reti neurali è presente in Milner [I 993].
r 26
Capitolo primo
mente istruzionista nel carattere. La teoria dell' associazione cellulare è stata formulata senza alcuna concezione popolazionistica. Le associazioni cellulari non sono state pensate nell' ambito dello sviluppo e dell' evoluzione né alla luce della variabilità, ma sono state intese piuttosto come un «assemblaggio» di cellule isolate pilotato da segnali ambientali e neurali specifici, cellula per cellula. La teoria ha trascurato l'embriologia o la relazione tra evoluzione e comportamento, non si è esplicitamente occupata della natura della selezione, degli effetti di un' analisi approfondita del concetto di categorizzazione nell' ambiente interno ed esterno, né dei precisi meccanismi alla base del riconoscimento di caratteri (pattem recognition). Sebbene abbia considerato esplicitamente che la formazione di sequenze di fase delle associazioni cellulari è il risultato dell' esplorazione dell' ambiente, dell'attenzione e dell'apprendimento, tuttavia, non ha affrontato apertamente la conservazione della continuità spaziotemporale in una rete parallela complessa. Il significato storico della teoria dell' associazione cellulare risiede nell'avere messo in risalto diversi aspetti: gli stati centrali, le unità complesse di risposta, la natura sequenziale della percezione, l'apprendimento percettivo, la generalizzazione e, soprattutto, il ruolo dell'attenzione nell'apprendimento. Si è trattato del tentativo piti sistematico del proprio tempo di spiegare la psicologia in termini neuroanatomici e neurofisiologici, rendendo compatibili fenomeni diversi, e, da questo punto di vista, va considerato come uno sforzo pionieristico. Ma senza le concezioni popolazionistiche, tutta la psicologia non potrebbe essere" spiegata" dall' associazione cellulare e dalle sequenze di fase in modi rigorosamente verificabili sperimentalmente [per un esempio significativo, si veda Bindra I976]. Contrariamente alla teoria dell' associazione cellulare, la teoria della selezione dei gruppi neuronali è determinata da costanze strutturali e da variabili di popolazione. Queste includono: I) meccanismi di sviluppo che originano diversi tipi di strutture neuroanatomiche (per esempio, organizzazione di gruppi locali, strutture rientranti); 2) una concezione popolazionistica della neurofisiologia (interazione delle regole di selezione sinaptica con l'anatomia della struttura di un gruppo, e non solo attraverso gli impulsi elettrici da neurone a neurone, come nella regola di Hebb); e 3) una stretta interdipendenza nel comportamento tra la dinamica delle mappe neurali rientranti e la categorizzazione percettiva.
Riassunto e introduzione storica
27
La maggiore sfida di questa teoria popolazionistica sarà mostrare in dettaglio per quali vie e meccanismi la selezione somatica, con le sue popolazioni varianti, possa favorire, nel corso dell'evoluzione, la predisposizione delle specie animali ad archiviare, trasmettere ed elaborare informazione. Abbiamo visto nella breve rassegna storica c critica che la selezione su categorie essenzialiste, la selezione eliminativa o stabilizzante e la selezione delle sinapsi nello sviluppo non sarap.no, qualora prese una a una, risposte soddisfacenti a questa sfida. E perciò necessario introdurre un meccanismo che spieghi l'origine della variabilità nel corso dell' ontogenesi, il quale sia compatibile con l'evoluzione di una specie nella propria nicchia ecologica. Dobbiamo, inoltre, dimostrare come l'esperienza sia accompagnata dalla selezione nel cervello. I fondamenti della selezione devono spiegare il riconoscimento di modelli non solo in ambienti stabili, ma anche di fronte alle novità. Il meccanismo proposto per questa categorizzazione percettiva deve anche spiegare l'apprendimento convenzionale. Una teoria adeguata deve spiegarci l'origine di queste notevoli facoltà evitando il ricorso a homunculi o a tesi che richiedano un progetto speciale, e deve dimostrare come i diversi meccanismi proposti siano adattativi per 1'organismo. Come vedremo a proposito dei dati sperimentali che spiegano la teoria della selezione dei gruppi neuronali, non sarà un solo campo o un'indagine descrittiva propria delle neuroscienze a offrirci le prove sufficienti a sostegno di questi meccanismi. Tutt'altro; sviluppando l'argomentazione, terremo conto di esempi estratti da molti campi, spaziando dalla biologia molecolare attraverso la biologia dello sviluppo sino alla biologia di popolazione e all' ecologia. In questo libro approfondiremo i meccanismi selettivi proposti dalla teoria, e la loro elucidazione dovrebbe inquadrare con maggiore precisione le dimostrazioni ricavate in questi campi diversi. Possiamo iniziare illustrando l'importanza della categorizzazione percettiva, e analizzare in seguito l'incapacità propria dei modelli istruzionisti di spiegarne le proprietà osservate.
r Struttura, funzione e percezione
Capitolo secondo Struttura, funzione e percezione
i
Modelli a elaborazione d'informazione e studi sulla struttura del cervello, p. 29. - Percezione e categorizzazione, p. 3 I. - L'importanza della generalizzazione e del contesto, p. 32. Generalizzazione visiva da parte di specie animali prive di linguaggio, p. 33. - Wittgenstein e gli insiemi polimorji, p. 36. Variabilità anatomica dei sistemi nervosi, p. 42. - Variabilità funzionale delle mappe neurali, p. 42. - Crisi dei modelli a elaborazione d'informazione, p. 43.
I.
Introduzione.
Se effettuiamo uno studio comparato dei diversi taxa possiamo constatare come il comportamento si manifesti con profonde differenze e il suo rapporto con la struttura neurale sembri alquanto bizzarro. Un verme, quando muove rapidamente la propria parte posteriore, può attivare una rete composta da un centinaio di neuroni [Horridge 1968], mentre la coda di un pesce, per muoversi a scatti, necessita di un neurone solo, la cellula di Mauthner [Faber e Korn 197 8]. Se partiamo da questo semplice esempio e saliamo in ordine di complessità cercando, per esempio, di capire come sia organizzata quella parte del sistema nervoso dei primati specializzata nella percezione, la profusione delle discipline implicate e la definizione stessa del compito appaiono cosi ardue da respingere ogni serio tentativo. In passato questo problema è stato affrontato cercando semplici principi unificanti a livello anatomico e fisiologico (per esempio, l'arco riflesso, o il comportamento chimico delle sinapsi) oppure ignorando le strutture e i meccanismi nervosi e considerando il comportamento alla luce di alcuni paradigmi di regolazione funzionale. Attualmente, un buon esempio funzionale negli studi sulla percezione in psicologia cognitiva [Underwood 1978; Anderson 1981; Norman 1981] è quello che definirò il modello a elaborazione d'informazione, il quale non esclude, ovviamente, l'esistenza di unità, quali i neuroni, le sinapsi e le reti, ma ritiene che la conoscenza dettagliata dei
l l
I~ l
l J
i
I
29
loro meccanismi sia meno importante del concetto che il cervello, in analogia a un computer digitale, elabora l'informazione per mezzo di programmi stabiliti in parte dall' ambiente e in parte dal cablaggio neurale. Per un neurobiologo, che è anche un riduzionista, il progetto congiunto, cioè comprendere la struttura neurale e correlarla alla funzione è, naturalmente, piu importante, direi centrale. Tuttavia, egli deve ammettere che l'elevato numero di elementi neurali, l'intricatezza delle loro connessioni e l'incapacità di dedurre la funzione globale basandosi solo sulla struttura della rete sono quantomeno frustranti. Per lo psicologo, che parallelamente vuole comprendere la funzione, esiste un altro tipo di frustrazione; i programmi, il software e le procedure apprese riguardano le macchine logiche. Supponiamo risulti che, malgrado l'esistenza di programmi nel cervello [Young 1978], il possesso di una logica nei circuiti non sia sufficiente affinché un animale inesperto si adatti al mondo circostante. La tesi che voglio sviluppare è proprio questa: l'ambiente o la nicchia ecologica a cui un organismo deve adattarsi non sono organizzati secondo logica, né possiedono dei valori assoluti corrispondenti alle loro possibili diverse organizzazioni. Questa tesi non nega che l'ordine materiale della nicchia stessa rispetti, per esempio, le leggi della fisica quantistica, piuttosto, afferma che, quando un organismo evoluto interagisce per la prima volta con il proprio ambiente, la maggior parte degli oggetti macroscopici e degli eventi non si manifeStano sotto forma di categorie organizzate. Ci sono, naturalmente, delle eccezioni a questa affermazione; come hanno sottolineato alcuni etologi [cfr. Marler 1982; Marler e Terrace 1984], qualche organizzazione entro la nicchia ecologica di un animale può essere percepita sotto forma di categoria grazie alla selezione naturale. A parte queste ovvie eccezioni, i progetti di analisi struttura-funzione da parte degli anatomisti e dei fisiologi, e le descrizioni delle funzioni globali degli psicologi devono entrambe confrontarsi con lo stesso problema critico, cioè, l'attitudine propria degli animali di crearsi delle categorie durante la loro esistenza. La tesi che mi accingo a sviluppare sostiene che il problema centrale della neurobiologia consista proprio nel capire i fondamenti neurali di tale categorizzazione percettiva. Paradossalmente, riusciamo a comprendere meglio il problema considerando prima i sistemi nervosi piu sviluppati e poi quelli piu semplici. Ignorare che, presi separatamente, i progetti funzionali e strutturali sopra menzionati non possono risolvere la questione della ca-
"..30
Capitolo secondo
tegorizzazione, ha favorito interpretazioni che eludono o oscurano numerose difficoltà, contraddizioni e lacune presenti nelle neuroscienze. A differenza della catastrofe ultravioletta che non potrebbe essere ignorata in una disciplina organica come la fisica [si veda McCormmach 1982], la dispersione di queste difficoltà in differenti sottodiscipline neurobiologiche le ha mascherate e non ha reso evidente il fatto che esprimono tutte la stessa crisi: cioè, l'incapacità di spiegare come dalla struttura e dalla funzione neurale scaturisca il riconoscimento di modelli o la categorizzazione percettiva con generalizzazione, benché non preceduti da alcun apprendimento. Quali principi organizzativi delle reti neurali e delle loro sinapsi consentono a un organismo di riconoscere numerosi esempi diversi di una categoria dopo solo pochi confronti? Una risposta biologicamente soddisfacente a questa domanda richiede una teoria delle funzioni cerebrali superiori basata sulla conoscenza della struttura neurale. La mia teoria, quale risposta, è radicalmente diversa dalle precedenti e da quelle attualmente accettate in modo tacito o esplicito. È perciò importante sin dall'inizio descrivere le origini, ma anche i limiti di questa impresa teorica. Darwin [1859] postulò che l'origine dei taxa fosse determinata dalla selezione naturale la quale opera sui caratteri variabili di una popolazione favorendo la riproduzione differenziale di quello piu adatto [Mayr 1982]. Come ho accennato nel capitolo precedente, l'idea che mi accingo a sviluppare è che le categorie, espressione della piu elevata funzionalità del cervello, derivino dalla selezione operante su numerosi e diversi circuiti neurali presenti nelle reti createsi epigeneticamente durante lo sviluppo; questa selezione amplifica in modo differenziale le popolazioni di sinapsi selezionate. In altri termini, la mia concezione del funzionamento cerebrale sarà piu affine, per impostazione, alla teoria dell' evoluzione che alla computazione o all'elaborazione d'informazione. Sviluppare questa idea sarà un esercizio di pensiero popolazionistico [Mayr 1982], secondo cui la variazione in una popolazione esiste e la selezione agisce sull'individuo. Tuttavia, questo esercizio di darwinismo neurale [Edelman 1985a] deve attingere a meccanismi specifici, spiegabili con le nostre conoscenze sul funzionamento del sistema nervoso. Dopo un'introduzione generale al problema della categorizzazione percettiva e dopo un'ulteriore elaborazione della teoria, evidenzieremo come la selezione agisce durante lo sviluppo embrionale, sottolineando l'origine molecolare delle differenti connessioni. In se-
Struttura, funzione e percezione
31
guito, valuteremo come la selezione, operando con regole sinaptiche, ngisca su repertori di neuroni, le cui diverse connessioni si sono forInate durante lo sviluppo embrionale, e possa creare delle mappe regionali come, per esempio, quelle della corteccia cerebrale. Infine, descriveremo come da specifiche interazioni rientranti tra mappe regionali scaturisca quello che ho definito il mappaggio globale; questa sarà una possibile soluzione al problema della categorizzazione percettiva.
2.
Categorizzazione percettiva e generalizzazione.
La percezione è provvisoriamente definibile come l'individuazione di un oggetto o di un evento tramite una o piu modalità sensoriali separandoli dallo sfondo o da altri oggetti ed eventi. I motivi per cui ritengo la percezione cosi importante sono: primo, essa rappresenta l'interfaccia piu prossima tra fisiologia e psicologia e, secondo, l'ignoranza dei processi percettivi rende poi arduo studiare altre funzioni cognitive, quali l'attenzione, la motivazione, l'apprendimento o la memoria. La percezione implica la categorizzazione, quel processo per cui un individuo stabilisce delle equivalenze tra oggetti o eventi non identici. Qui, a mo' d'introduzione, considererò alcuni fenomeni legati alla categorizzazione percettiva. In base alla nostra definizione provvisoria. di percezione, e in assenza di categorie a priori e immutabili delle cose, come riusciamo concretamente a capire che cosa è un oggetto? Se consideriamo il mondo non vige un ordine semantico stabilito, e un animale deve non solo identificare e classificare gli oggetti, ma anche decidere come comportarsi, pur in assenza di analitici programmi descrittivi a priori, con l'eccezione, naturalmente, di alcuni programmi fissi trasmessigli dall'evoluzione [Marler e Terrace 1984]. Questo aspetto va approfondito perché è centrale rispetto a tutte le altre considerazioni: in un certo senso, il problema della percezione è inizialmente un problema di tassonomia in cui l'animale deve" classificare" il mondo circostante. Le soluzioni che un organismo adotta per questo problema devono armonizzarsi con la sua nicchia ecologica procurandogli un vantaggio adattativo. In altri termini, la tassonomia interna della percezione è adattativa, ma non necessariamente veridica, nel senso che coincida con le descrizioni della fisica [Vernon 1970]. Per un animale in fase di adattamento, la categorizzazione del
r I
32
Capitolo secondo
mondo è relativa e dipende dalle informazioni, dal contesto e dal significato [Staddon 1983]. Le categorie non sono immutabili, ma dipendono dallo stato presente dell'organismo, che è a sua volta funzione della memoria e della "predisposizione" comportamentale. A livello macroscopico, tali categorie non sono generali come lo è una descrizione quantica delle particelle. Gli animali però possono generalizzare; cioè, un organismo che apprende può incontrare pochi esempi di una categoria e, poi, riconoscere un numero molto elevato di esempi nuovi attinenti [Herrnstein 1982]. Questa capacità degli individui di una stessa specie di categorizzare nuovi oggetti in classi è uno stupefacente riflesso di ciò che possiamo definire il peculiare (cioè, autoadattativo) potere generalizzante delle reti neurali. Prima di intraprendere questo cammino, cioè comprendere le basi strutturali della categorizzazione, facciamo un excursus su alcuni aspetti e limiti apparenti che essa presenta. Primo, la valutazione del contesto. Nella figura 2 potete osservare un volto di sapore vignettistico. Consideriamo poi la figura 3. Allo stesso schizzo si accompagna il titolo di una poesia di Wallace Stevens. Il contesto ha probabilmente alterato il modo in cui ora percepiamo i tratti di questo disegno. E chiaro che il contesto, le informazioni e l'importanza hanno influenzato il modo di vedere i tratti caratteristici. Per convenienza questo esempio si è valso del linguaggio e, ovviamente, si è basato sull'esperienza percettiva, ma anche animali privi di linguaggio interpretano le caratteristiche in base ad alcune variabili non necessariamente intrinseche alla categoria dell'oggetto. Un altro esempio, pili legato alla psicofisica e ai processi percettivi, può ulteriormente dimostrare l'influsso del contesto e sottolineare la differenza tra mondo sensoriale e mondo fisico. Si tratta dell'illusione di Wundt-Hering, illustrata nella figura 4. La maggior parte degli osservatori, se interrogati riguardo alle linee nella figura in basso, concorderebbe sul fatto che sono parallele. Se si chiedesse poi di verificarlo scientificamente potrebbero misurare la distanza ortogonale in punti diversi ottenendo lo stesso valore con un minimo scarto. Ora consideriamo le due linee nell'illusione di Wundt-Hering. Nell'esempio al centro le linee sembrano ricurve all'interno e, viceversa, nell'esempio in alto appaiono ricurve all'esterno. In realtà sono parallele in tutti e tre i casi. Questo esercizio piuttosto banale ci dimostra che esiste una corrispondenza grossolana tra il cosiddetto
Struttura, funzione e percezione
33
mondo sensoriale [Hayek 1952] e il mondo fisico. Inoltre, consegue che il mondo percettivo è un mondo di adattamento piuttosto che di completa veridicità. Altre illusioni visive [Coren e Girgus 1978; De-, !:egowski 1980], le cosiddette fedeltà percettive, e recenti esperimenti sulla visione preattentiva [Treisman 1979,1983; Treisman e Gelade 1980; Julesz 1984] sottolineano tutte lo stesso punto. Riguardo {\ tali fenomeni abbiamo meno conoscenze sugli animali che sull'uomo, ma anche considerando gli studi svolti sull'uomo, possiamo trarne importanti conclusioni. In certe situazioni è possibile estrarre delle caratteristiche dagli oggetti e reagire in modo stravagante alle novità in nome della sicurezza; in altre situazioni esiste la tendenza alla stabilità e alla coerenza della nostra percezione che prevale su cambiamenti anche bruschi e su differenze nel mondo fisico. In entrambi i casi, la conclusione principale è che, ancora una volta, la percezione è adattativa pili che rigorosamente veridica. Inoltre, numerosi dati sulle fedeltà percettive, sulle interrelazioni e sui raggruppamenti dei caratteri [cfr. Kubovy e Pomerantz 1981; Dodwell e Caelli 1984] indicano che molte informazioni di natura completamente diversa possono mutuamente sostituirsi per creare la stessa percezione, che gli attributi della forma percepita si originano a diversi livelli, e che essa può rimanere invariata anche quando vengono stimolate parti diverse dei recettori sensoriali. Quindi, a sostegno della natura relativa e contesto-dipendente della categorizzazione percettiva concorre un nutrito insieme di prove. Ancora pili sorprendenti sono le dimostrazioni secondo cui creature prive linguaggio attuano una generalizzazione percettiva. Seb-
Figura 2.
Schizzo.
r34
Struttura, funzione e percezione
Capitolo secondo
Figura 3. Contesto.
Le rane mangiano le farfalle. I serpenti mangiano le rane. I maiali mangiano i serpenti. Gli uomini mangiano i maiali.
(Wallace Stevens)
Figura 4. L'illusione di Wundt-Hering.
35
bene sia fonte di orgoglio per gli esseri umani manifestare una spiccata capacità di generalizzazione (in gran parte dovuta al linguaggio), Cerella [1979], Herrnstein [1982] e altri hanno chiaramente dimostrato che anche i piccioni sono capaci di generalizzare. Nella figura 5 sono illustrati alcuni modelli di foglia di quercia (la struttura di riferimento è ottenuta dalla quercia bianca) che Cerella ha usato come stimoli in esperimenti di condizionamento operante con i piccioni. Il piccione, dopo aver ricevuto tre o quattro ricompense, una volta posto di fronte a immagini della foglia di Quercus alba, può generalizzare e distinguere modelli di foglia di quercia di ogni genere mescolati a modelli di altri tipi di foglia. Se qualcuno fosse incline a pensare che tali successi dipendono da qualche capacità determinatasi evolutivamente o etologicamente, oppure dovuta a qualche informazione nascosta allo sperimentatore, allora deve valutare i risultati di Herrnstein, i quali dimostrano analoghe capacità di geqeralizzazione nei piccioni dinanzi a immagini di acqua, di figure femminili, di alberi e anche di pesci. Se questi dati sono probanti, possiamo concludere con Herrnstein [1982] che animali privi di linguaggio possono generalizzare riconoscendo poche caratteristiche visive. In alcuni casi [Staddon 1983] l'apprendimento associativo può essere necessario per generalizzare, ma, chiaramente, non è sufficiente. Per giustificare la capacità di riconoscere le novità, come pure i membri di una classe, bisogna invocare qualche altra potenzialità. Il carattere contesto-dipendente della categorizzazione percettiva e la capacità di generalizzare basandosi su pochi esempi appresi rappresentano, nel complesso, una forte sfida a ogni interpretazione
Figura 5. Modelli di foglie dagli esperimenti di Cerella [r977]. In alto: foglie di quercia bianca. I modelli a sinistra e a destra illustrano le variazioni estreme in un campione di quaranta foglie di quercia, mentre il modello al centro è il controllo positivo usato per gli esperi. menti. In basso: foglie non di quercia.
•-te ••
.,...36
Capitolo secondo
di questi dati fondata sulla logica, o «informazione-dipendente» I. Lo stesso oggetto può subire classificazioni diverse in momenti diversi, e un animale può usare mezzi diversi per classificare quell'oggetto in momenti diversi. Uno dei compiti di un' adeguata teoria delle funzioni cerebrali superiori è proprio spiegare questi risultati. Prima di seguire dei modelli specifici e ipotesi ritagliate ad hoc, la questione va chiarita approfondendo come animali e uomo attuino alcuni aspetti della generalizzazione. Se consideriamo la categorizzazione da un punto di vista filosofico, i dati suggeriscono che non è sostenibile la definizione tradizionale e sintetica di classe per mezzo di condizioni singolarmente necessarie e perciò sufficienti. L'appartenenza a un insieme ricorda di piu la somiglianza tra i membri di una famiglia: qualcuno assomiglia alla propria sorella perché il suo mento e i suoi occhi sono come quelli del padre, ma il naso e le orecchie non lo sono; il naso e gli occhi della sorella sono come quelle del padre, ma il mento e le orecchie no; e cosi via. Questo è uno dei principali problemi esaminati da Wittgenstein [I953] nelle sue Ricerche filosofiche [Pitcher I968]. Le idee di Wittgenstein hanno indotto a ritenere che le categorizzazioni sono, di fatto, polimorfe [Ryle I949] anche quando si impiega illinguaggio per definire le categorie. L'idea di insieme polimorfo può essere chiarita considerando il costrutto (fig. 6) di Dennis e altri [1973]. Il ruolo di appartenenza alla categoria identificata con la lettera 5 non è del tutto evidente o trasparente, ma lo diventa quando si stabilisce che: «Il possesso di almeno due tra gli attributi nero, circolare o simmetrico definisce 1'appartenenza a 5». Va notato che questo tipo di definizione consente disgiuntivamente qualunque m ricavato da n possibili attributi (proprio come fece Wittgenstein [I953] nelle sue argomentazioni sui giochi). Un realista classico avrebbe insistito su n proprietà derivanti da n, ciascuna necessaria e tutte, di conseguenza, sufficienti per definire un insieme. Un nominalista avrebbe insistito sulla disgiunzione unica, cioè, i membri degli insiemi non hanno niente in comune tranne il fatto che possiamo scegliere di nominare ognuno di essi in un certo modo (uno tra n). Meno in astratto, possiamo considerare rapidamente alcune inI Questa è la cosiddetta interpretazione classica della categorizzazione (si veda il capitolo IX) [per una rassegna sulla categorizzazione si veda Gardner 1985, capitolo xn1.
Struttura, funzione e percezione
37
terpretazioni analoghe ricavate da esperimenti psicologici sulla formazione dei concetti e delle categorie [Smith e Medin 1981]. Questi studi, analizzati nel capitolo IX, traggono delle conclusioni generali relativamente compatibili con il concetto di insiemi polimorfi: gli esseri umani non creano delle categorie tramite insiemi chiusi di singole condizioni necessarie e perciò sufficienti, dove vi sono rapporti fissi subordinati e superordinati tra i membri di una classe, ma utilizzano, invece, combinazioni statistiche o disgiuntive, variabili scalari degli attributi, oppure dei modelli; in qualche caso è possibile l'impiego di entrambe le strategie. Molti dati, ricavati principalmente da Rosch e collaboratori [cfr. Rosch e Lloyd 1978] si collegano a questioni concettuali linguistiche e in un certo senso culturali. Purtroppo sono disponibili meno dati nell' ambito della categorizzazione percettiva, ma i problemi e le conclusioni sembrano affini, come hanno suggerito Smith e Medin [198I]. Se a queste osservazioni aggiungiamo le dimostrazioni della capacità di generalizzare nei piccioni, si rinforza la tesi che, di fronte alle novità, un animale capace di adattarsi non si crea una descrizione universale chiusa, anche se è in possesso di concetti; non esiste «una voce nel cespuglio in fiamme» che suggerisce all'animale quale dovrebbe essere la sua rappresentazione del mondo. Può essere illuminante notare che, nel corso dell'evoluzione, gli oggetti naturali e gli eventi nelle nicchie ecologiche sono descrivibili allo stesso Figura 6. Regola polimorfa per gli elementi di un insieme, da Dennis e altri [19731. Gli elementi dell'insieme (il gruppo contrassegnato da S, per si) presentano almeno due proprietà tra rotondità, tinta unita o simmetria bilaterale. I nonelementi (il gruppo contrassegnato da N, per no) possiedono solo una di queste proprietà. <'
••••
.,
00&
8
~~ ~~
s
6.6.
..
~
N
~~ ~ ~ ~
r
38
Capitolo secondo
modo: per un animale che percepisce e agisce i valori sono relativi, gli insiemi sono polimorfi e, in generale, non può essere assegnato un significato ecologico assoluto agli oggetti incontrati in parti di una nicchia [cfr. Lewontin 1968; Pantin 1968]. Le uniche eccezioni derivano da studi svolti dagli etologi sulle" categorie naturali": a causa della selezione evolutiva, alcuni oggetti ricorrenti o caratteristiche relativamente costanti degli oggetti in una nicchia possono essere coerentemente e ricorsivamente riconosciuti dagli animali di una certa specie [Marler 1982; Gould e Marler 1984]. Tuttavia, queste eccezioni non sono diffuse (almeno non sono esaustive) e, al contrario, la loro esistenza rinforza soltanto la tesi. Quest' analisi lascia per ora aperta la questione iniziale sulla categorizzazione percettiva, che risulta però cOSI trasformata: quali proprietà del sistema nervoso consentono a un animale di interagire in modo adattativo con gli insiemi polimorfi? La mia ipotesi è che la variabilità nelle strutture neurali sia una di queste proprietà essenziali. 3. Variabilità e connessioni sovrapposte nelle strutture neurali.
Da quanto detto in precedenza si evince la mancanza di prove a favore dell' esistenza, a livello macroscopico, di specifiche strutture dei dati che forniscano un programma al sistema nervoso, inteso co·· me insieme di connessioni (hardwired) che si formano durante lo sviluppo e l'esperienza; inoltre, le leggi della fisica, pur rappresentando dei forti vincoli, sono insufficienti per concepire tale programma a livello macroscopico. Le implicazioni filosofiche sono chiare; se è vera questa mancanza di una struttura categorica a priori, non possiamo essere dei realisti ingenui riguardo alle questioni psicologiche [si vedano per esempio Gibson 1979, e Ullman 1980], né dei materialisti radicali ed estremisti come Democrito, il quale sosteneva che il colore e il sapore dolce e amaro sono solo convenzioni, mentre in realtà esistono solo gli atomi e il vuoto. Piuttosto che addentrarci in tali questioni filosofiche, è piu sensato valutare le possibili implicazioni di queste conclusioni ai fini della ricerca empirica. Fin qui ho posto 1'accento sulla psicologia, perché mi è servita per impostare il problema. Ora conviene cambiare direzione e accennare a uno dei temi essenziali, cioè la variabilità strutturale del sistema nervoso quale possibile soluzione al problema della categorizzazione in un mondo senza etichette. Intendo dimo-
Struttura, funzione e percezione
39
strare il possibile intreccio tra questa variabilità, la generalizzazione e i fenomeni che evidenziano le discrepanze tra mondo fisico e mondo sensoriale [Hayek 1952]. La comprensione della variabilità neurale richiede indagini approfondite in neuroanatomia, neurofisiologia, neurofarmacologia e, soprattutto, in neurobiologia dello sviluppo. Ci potremmo interrogare sulla utilità di queste indagini. Non potrebbe un sistema nervoso, cablato con precisione, generalizzare, anche se il mondo è privo di un rigoroso programma che controlli l'ordine dei propri oggetti? Per ora siamo privi di una risposta esauriente, ma, per fortuna, i dati a disposizione ci esentano dall' affrontare la questione: infatti, nelle sue ramificazioni piu fini, il sistema nervoso è molto variabile e non è cablato con una precisione comparabile a quella di un computer o di un congegno elettronico. . Possiamo individuare numerose fonti di variabilità, nello sviluppo, nell'anatomia e nella fisiologia [Edelman e Finkel 1984] (si veda il capitolo III, in particolare la tab. 4). Cominciamo dallo sviluppo. Strada facendo abbiamo compreso che, durante lo sviluppo, la formazione delle mappe neurali non dipende da marcatori molecolari specificati a priori o su indirizzi di posizione allocati nei recessi piu minuti della rete 2 [Edelman I984a; Easter e altri 1985]; invece, le mappe sono generate da complessi fattori di natura cinetica, operanti sul movimento dei neuroni e sull'estensione dei neuriti, che derivano dalla modulazione su piccole zone della superficie cellulare di molecole di adesione cellulare specifiche, o CAM, caratterizzate principalmente nei vertebrati. Come vedremo nel capitolo IV, le CAM esplicano la loro funzione determinando o regolando il movimento dei corpi cellulari e dei neuriti, variando quindi gli eventi contingenti di sviluppo. Il controllo dinamico di questi eventi epigenetici genera necessariamente la variabilità, la cui esistenza è stata dimostrata anche in animali inferiori "semplici", sebbene in essi le CAM non siano ancora state identificate'. Si consideri la figura 7 A, che rappresenta alcuni disegni schematici ricavati dagli studi di Pearson e Goodman [1979; Goodman e altri 1979] sul sistema rivelatore del movimento discendente controlaterale posto nel ganglio 2 Il problema della esistenza di specifici marcatori spaziotemporali e, quindi, del peso specifico dei fattori genetici ed epigenetici nello sviluppo del cervello è ancora aperto (si veda il capitolo v, nota IO). , In realtà, oggi sono conosciute molecole appartenenti alla stessa famiglia delle CAM anche negli invertebrati (si veda il capitolo IV, nota 5).
r 40
Struttura, funzione e percezione
Capitolo secondo
metatoracico della cavalletta migratoria 4. Si tratta di un interneurone che presenta mediamente cinque ramificazioni. L'aspetto da sottolineare è che tra i campioni prelevati da molti animali diversi, non si riscontra un'organizzazione universale. Per esempio, le ramificazioni dorsali che innervano i muscoli delle ali si ripetono qualche volta su un lato. Le ramificazioni ventrali, che innervano i muscoli estensori rapidi della tibia, qualche volta si ramificano e qualche volta no. Le variazioni osservate nella cavalletta differiscono in neuroni diversi, ma si verificano degli "errori" [Altman e Tyrer 1977] anche in strutture relativamente fisse. Analoghe variazioni nel modello di ramificazione sono state scoperte studiando lo sviluppo delle arborizzazioni nei neuroni sensoriali della sanguisuga [si vedano Kramer e Stent 1985; Kramer e altri 1985]. Potremmo obiettare che questi esempi si riferiscono a una popolazione geneticamente non omogenea; possiamo allora riferirci agli esperimenti classici di Macagno e collaboratori [1973] sulla Daphnia magna, una creatura che, in situazioni particolari, si riproduce come femmina partenogenetica generando cloni di se stessa. La figura 7 B illustra 1'assone di un recettore neuronale ommatidico del ganglio ottico destro e sinistro appartenenti a quattro esemplari geneticamente identici. Come si può notare, ogni esemplare è diverso. Infine, per onorare quello straordinario neuroscienziato che è stato Ramon y Cajal, esaminando al contempo delle strutture ripetitive in un organismo, possiamo considerare il disegno (fig. 7 C) tratto dai suoi classici studi [Ramon y Cajal 1904] sul midollo allungato del coniglio; è un esempio che illustra la straordinaria variabilità di queste strutture ripetitive, in particolare delle loro arborizzazioni terminali. Non solo le strutture ripetitive sono variabili, ma aumentano le conferme secondo cui le ramificazioni terminali dei dendriti e degli assoni, emergenti da fasci relativamente ben ordinati originatisi in cellule diverse, si espandono su un' area relativamente ampia del bersaglio e debbano, quindi, sovrapporsi in gran parte [Gilbert e Wiesel 1979; Landry e Deschenes 1981]. Questo significa che, se cellule vicine hanno una densità sinaptica elevata nell' area in cui queste arborizzazioni si ramificano, è praticamente impossibile che la cellula bersaglio identifichi da quale cellula si sono originate le sinapsi. Tut-
Figura 7. Variabilità anatomica. A) Quattro esempi di variabilità nella ramificazione del rivelatore di movimento controlaterale discendente (RMCD) nel ganglio metatoracico della Locu· sta Migratoria [da Pearson e Goodman I979]. B) Rappresentazione schematica della ra· mificazione di una fibra da un neurone recettoriale ommatidico di Daphnia magna. I neu· roni illustrati a sinistra (5) e a destra (D) appartengono a quattro animali geneticamente identici (I, II, III, IV) [da Macagno e altri I973l. C) Sezione longitudinale delle colonne posteriori e laterali del midollo spinale che mostrano l'organizzazione delle radici dorsali e l'origine dei rami collaterali [da Ram6n y Cajal I904l. Si noti la variabilità nelle strutture ripetute.
A)
D
S
**
II~
~
~
~
~
*
B) III
4 Il ganglio metatoracico degli insetti è costituito da circuiti neurali che controllano il movimento ritmicoalterriato degli arti posteriori [Pearson I977]. Tale centro neurale
è interessante perché è stato preso a modello in alcuni settori dell'Intelligenza Artificiale [Brooks I989l ai fini di creare insettoidi capaci di adattare la propria deambulazione ad ambienti accidentati.
41
IV
11!~Im.\fr~~~
C)
r 42
Capitolo secondo
tavia, questo tipo di variabilità non implica che tali reti o connessioni neurali siano casuali. Considerando le implicazioni funzionali o fisiologiche di tali scoperte, possiamo notare ulteriori segni di variabilità. In ogni istante la maggior parte delle connessioni anatomiche o sinaptiche di un neurone non sono funzionalmente espresse e, nel tempo, molte modificano la propria appartenenza. Poiché sia negli adulti che negli organismi in via di sviluppo vi sono arborizzazioni su piu livelli, con sinapsi multiple, ne deduciamo che, in molti siti, un neurone non può identificare in modo specifico e inequivocabile da quali neuroni in input, all'origine di tali arborizzazioni, provengano i segnali. Forse è ancora piu sorprendente la scoperta che nei sistemi sensoriali si verificano straordinarie modificazioni nelle mappe cerebrali corticali, come è stato determinato con i metodi neurofisiologici S [Kaas e altri 1983; si veda Edelman e Finkel 1984]. Queste variazioni si verificano anche se i confini della mappa sono definiti nettamente, molto piu nettamente di quanto preventivabile, data l'anatomia delle arborizzazioni sovrapposte appena menzionate. Dedicherò tutto il capitolo va questo problema delle mappe locali, in quanto capirne l'origine e i principi organizzativi è essenziale per poi comprendere la teoria della selezione dei gruppi neuronali. Per adesso mi limito a far notare che individui diversi (per esempio, i macachi) presentano una disposizione caratteristica dei confini delle aree 3b e I della corteccia somatosensoriale, che nell'area I i confini presentano maggiori fluttuazioni temporali, e che operazioni chirurgiche come, per esempio, l'eliminazione degli it1put, recidendo il nervo mediano, modificano significativamente la mappa in animali adulti, anche in parti di questa in cui non si presumevano proiezioni dalle aree periferiche [Kaas e altri 1983]. Anche negli adulti, se si modificano gli input periferici senza trattamenti chirurgici, per esempio riducendo la sensibilità tattile superficiale o percuotendo ripetutamente un dito, si può spostare il confine delle mappe. Esistono numerose altre osservazioni, al confine tra fisiologia, psicofisica e psicologia, non spiegabili esclusivamente nell' ambito di una concezione classica dell' apprendimento o delle teorie dell' elaborazione d'informazione. Ho già evidenziato come i piccioni, creature prive di linguaggio, abbiano una straordinaria capacità di generaliz, Questi metodi consistono nello stimolare punti specifici sulla superficie corporea e nell'individuare poi con elettrodi quali aree della corteccia sono attivate dallo stimolo periferico.
Struttura, funzione e percezione
43
zare nell'universo degli oggetti. Come esempio finale (peraltro, non esaustivo), possiamo entrare nel regno dell'esperienza percettiva provando a descrivere le impressioni soggettive. Noi, esseri umani, abbiamo una percezione coerente e unitaria, che sappiamo essere costituita da complessi sottoprocessi paralleli e da molteplici e quasi indipendenti centri neurali interconnessi. Per esempio, se ci riferiamo alla visione, in alçune specie sono state identificate almeno tredici aree cerebrali coinvolte 6 [Zeki 1981; Cowey 1981; Maunsell e Van Essen 1983; Phil1ips e altri 1984]. Recenti esperimenti psicofisici rivelano marcate differenze tra l'elaborazione visiva preattentiva inconscia delle tessiture (texture) e le esplorazioni attente Uulesz 198 4]. Né l'organizzazione delle strutture neurali, né tali analisi psicofisiche funzionali ci persuadono del fatto che la categorizzazione percettiva sia quel processo unitario o chiuso che ci appare quando percepiamo.
4. Sfide critiche ai modelli istruzionisti o a elaborazione d'informazione. Questa breve digressione su alcune caratteristiche strutturali e funzionali dei sistemi nervosi complessi mette in risalto quali difficoltà devono superare i modelli a ela~orazione d'informazione del sistema nervoso, i quali enfatizzano le analogie tra computer e cervello [si veda per esempio, Marr 1982]. Nel delineare alcuni connotati di tali modelli cercherò anche di mostrarne l'inadeguatezza quando tentano di descrivere queste caratteristiche del sistema nervoso. Nel capitolo successivo, potremo quindi valutare come queste stesse difficoltà siano risolvibili affrontando il problema della categorizzazione percettiva e della generalizzazione dal punto di vista del pensiero popolazionistico. Secondo i modelli a elaborazione d'informazione, i segnali neurali provenienti dalle zone periferiche vengono codificati nei modi piu diversi e trasformati successivamente dai vari nuclei e stazioni intermedie; i segnali sono poi ritrasformati da sistemi di trasmissione progressivamente piu sofisticati e culminano nella elaborazione da parte della corteccia cerebrale e nella generazione dei segnali in 6 Oggi sono note nel macaco almeno 32 aree corticali coinvolte nella percezione visiva e 305 percorsi che le collegano, molti dei quali reciproci e organizzati secondo una rete gerarchica con dieci livelli di elaborazione corticale [per una rassegna, cfr. Van Essen e Gallant 1994].
....-44
Capitolo secondo
output. Ovviamente, una concezione di questo tipo presume l'esistenza di regole definite che determinano un preciso cablaggio del cervello durante lo sviluppo, e una stretta parentela con la codificazione neurale 7 [Bullock 1967] e con il trasferimento d'informazione da un certo neurone a un altro. Tale concezione si occupa anche della natura della memoria, concepita come rappresentazione di eventi registrati o replicati nei loro dettagli informazionali. Il concetto di elaborazione d'informazione sostiene che tali potenzialità dipendano dalla capacità del sistema nervoso di calcolare le principali costanti del mondo fisico, un'idea, questa, che culmina discutendo di algoritmi e computazioni, nell'ipotesi che il cervello computi nel rispetto di una logica algoritmica [Marr 1982]. Le categorie degli oggetti naturali sono implicitamente incluse in classi definite o tipologie accessibili a un programma, e sviluppando l'idea all'estremo, i sostenitori di alcune versioni di questo modello ritengono che le regole e le rappresentazioni [Chomsky 1980], apparentemente parte delle strutture sintattiche e delle funzioni semantiche superiori dellinguaggio, scaturiscano da strutture neurali corrispondenti. Se, in tale . concezione del cervello, compare una variazione statistica, la si con7 Uno dei punti nodali della critica di Edelman alle concezioni riduzionistiche del cervello è quello riferito ai codici neurali e molecolari (si veda il capitolo IV), caratterizzabili dalle proprietà degli impulsi nervosi quali la frequenza, la configurazione temporale, il numero degli impulsi, e cosi via, e la cui espressione piu radicale è nella teoria di Barlow [1972) del singolo neurone percettivo. Come possibile sostegno di questa visione, nella corteccia inferotemporale dei rnacachi è stato individuato un tipo di cellula che risponde esclusivamente all'immagine di una mano [Gross e altri 1972), oppure neuroni che si attivano solo in presenza di volti di persone [Bruce e altri 1981), ma rimane dibattuta la questione se queste cellule siano specializzate esclusivamente per questa immagine e se siano realmente implicate nella percezione [a questo argomento è dedicato il volume monotematico del «Journal of Cognitive Neuroscience», III (1991), n. I, pp. 1-88; per un aggiornamento sui codici neurali si vedano Shadlen e Newsome 1994; Softky 1995]. Tuttavia, esiste una codificazione piu affine al pensiero di Edelman, teorizzata da Von der Malsburg [1986) e da Abeles [1982), e dimostrata sperimentalmente dal Wolf Singer e collaboratori [Gray e Singer 1989), e da Roger Eckhorn e collaboratori [Eckhorn e altri 1988)seç:ondo cui un codice temporale deriva dalla oscillazione sincrona di gruppi di neuroni, ed è implicata nella percezione sensoriale coerente e, forse, anche nella integrazione sensomotoria e nel richiamo mnestico [per un approfondimento si veda Engel e altri 1992a). Questo tipo di codice conferisce flessibilità e risparmio nel senso che «se cambia l'input-stimolo, le stesse cellule si possono ricombinare in associazioni assai diverse modificando le loro relazioni temporali» [ibid., p. 223). Un'altra possibile codificazione neurale compatibile con le teorie di Edelman è inclusa nelle reti neurali caotiche (si veda il capitolo ID, nota 5) le quali possono, in linea di principio, generare infiniti modi di codificazione, essendo possibili infinite orbite periodiche instabili, impiegabili ognuna come sistema di codificazione e, quindi, di elaborazione dell'informazione [per una rassegna si veda Globus e Arpaia 1994).
Struttura, funzione e percezione
45
sidera alla stregua del rumorein un segnale, che nei modelli a elaborazione d'informazione è la principale manifestazione di variabilità. Dopo questa descrizione, certamente composita, possiamo mettere i modelli a elaborazione d'informazione di fronte a un succinto elenco delle difficoltà appena evidenziate, e che documenteremo meglio nei prossimi capitoli, il quale si prefigge di evidenziare i punti nodali dei rapporti tra psicologia e struttura neurale e di rappresentare i limiti intrinseci alle diverse forme di elaborazione d'informazione: r) I fatti della biologia dello sviluppo rendono improbabile l'esistenza di un cablaggio preciso punto a punto [Edelman 1984a, b; 1985a; Easter e altri 1985]. Infatti, essi indicano che la modalità d'azione delle molecole implicate nell' adesione tra neuroni introduce negli individui della stessa specie la variabilità in parti del sistema nervoso simili per funzione. Inoltre, le piu moderne tecniche neuroanatomiche, consentendo di individuare le ramificazioni dei singoli neuroni, confermano l'esistenza della variabilità, indicano che il cablaggio preciso punto a punto non può essere il fondamento per la formazione delle mappe neurali e rivelano l'esistenza di un' enorme sovrapposizione delle arborizzazioni assonali e dendritiche. 2) I dati neurofarmacologici confermano l'esistenza di una variazione locale, indicando che strutture ripetitive possono utilizzare neurotrasmettitori differenti o essere chimicamente eterogenee in punti diversi [Chan-Palay e altri 1981; Ingram e altri 1985]. 3) Mancano le prove neurofisiologiche dell' esistenza di codici neurali diversi [Bullock 1967]. 4) A proposito dei livelli di integrazione superiore, recenti dati neurofisiologici indicano che, sebbene si possano stabilire dei confini precisi nelle mappe, tuttavia esistono immense variazioni nelle mappe della corteccia cerebrale [Kaas e altri 19 8 3]. Inoltre, questi dati indicano che, in un certo istante, la maggior parte delle sinapsi è inattiva. Se a tutto questo aggiungiamo le dimostrazioni della variabilità anatomica, ne deduciamo che, in linea di massima, il neurone debba essere" ignorante" riguar. do all' esatta provenienza degli input (per esempio delle fonti di trasmissione delle attività di altri neuroni identificabili). 5) Alcuni esperimenti di psicologia, descritti in precedenza, indicano che l'organizzazione delle reti neurali nel fenotipo con-
r
46
Capitolo secondo
sente di generalizzare, pur sulla base di pochi stimoli complessi. Tale capacità può dipendere dall'apprendimento, ma non può comunque essere spiegata con l'apprendimento, tranne nei casi piu banali. 6) La psicofisica indica che per un soggetto l'apparenza unitaria dei processi percettivi dipende dall'integrazione di piu meccanismi; sebbene non riportabili ad aree cerebrali precise, queste scoperte sono compatibili con quei dati neuroanatomici che dimostrano l'esistenza di molteplici aree neurali, parallele, ampiamente distribuite e specializzate in un'unica funzione o modalità sensoriale. 7) Un' analisi degli studi sulla formazione delle categorie percettive e concettuali indica che non esiste una teoria macroscopica esterna alla psicologia che spieghi l'ordine fisico o le forme degli oggetti, che indichi che mondo fisico e mondo sensoriale sono correlati, ma non identici, e che le descrizioni scientifiche della fisica (con tutte le loro scorte di scetticismo), pur descrivendo le regole che controllano le proprietà dell'universo fisico, non offrono a una certa specie animale alcuno strumento autonomo per categorizzare gli oggetti della percezione. Inoltre, tali descrizioni scientifiche non coincidono con le categorie verbali, sebbene qualche volta gli ordini fisici, sensoriali e verbali corrispondano. Questo elenco è certamente incompleto, ma può essere illuminante considerare come potrebbero interpretarlo, punto per punto, i sostenitori dei vari modelli istruzionisti o a elaborazione d'informazione (si veda la tab. I). Vedremo che per tali modelli si profila una crisi, evidente solo considerando globalmente i vari punti dell'elenco. Escludendo il cablaggio preciso, specificato a priori punto a punto, allora il promotore del modello a elaborazione d'informazione è spinto ad affermare che la variazione anatomica deve contribuire principalmente al rumore (e cosi prevale la ridondanza) o, altrimenti, prevale l'apprendimento. Al contrario, perché si generi un cablaggio sufficientemente preciso e dei segnali codificati interpreta bili, nonostante il rumore, egli deve presumere che durante lo sviluppo si verifichi un riconoscimento neuronale estremamente specifico; in un certo senso, si ripropone l'equivalente delle connessioni cablate dall'elettricista miniaturizzato dal neurone A al neurone B con un filo verde, dal neurone C al neurone D con un filo rosso, e cosi via. In realtà, teorie di
~
Struttura, funzione e percezione
47
questo genere sono già state proposte per spiegare la specificità dello sviluppo [cfr. Sperry 1963; Edelman 1984C]. Se il sostenitore del modello istruttivo si convincesse, in linea di massima, dell'inesistenza di connessioni specifiche allivello microscopico delle arborizzazioni terminali, potrebbe sempre suggerire che, pur essendoci a quel livello variabilità e rumore, a un livello organizzativo ~uperiore non si può non essere impressionati dall' enorme precisione delle strutture neurali [Brodal 1981]. Tuttavia, se qualcuno sostenesse che esistono prove convincenti a favore della divergenza e della sovrapposizione delle arborizzazioni neuronali proiettantesi verso numerosi e diversi neuroni localizzati in una certa area (per esempio, nella corteccia cerebrale), indicando che un certo neurone non potrebbe distinguere inequivocabilmente quelle arborizzazioni e i neuroni da cui provengono, allora potrebbe ribattere che esistono dei codici neurali, cioè, certe sequenze di segnali elettrici possono essere dei sistemi di comunicazione che identificano specifiche connessioni sinaptiche, individuando i singoli neuroni. Tuttavia, data l'enorme complessità del sistema, dovrebbe ammettere l'esistenza di un enorme numero di codici e di una rigorosa affidabilità, nonostante il rumore. Passando dalle questioni strutturali precedenti ai dati funzionali offerti dalla fisiologia e dalla psicologia, il fautore dell' elaborazione
Tabella 1. Alcune questioni strutturali e funzionali irrisolte nelle neuroscienze. Fatti
Spiegazioni proposte
È escluso il cablaggio prespecificato, punto a punto.
"Rumore" "Derivate a livelli superiori"
Non possono esistere connessioni unicamente specifiche. Le arborizzazioni divergenti sovrapposte implicano l'esistenza di un vasto numero di input non identificabili verso una cellula. La maggior parte delle connessioni anatomiche non è funzionante. Significative fluttuazioni temporali nelle mappe; mappe uniche in ciascun individuo; variabilità delle mappe negli adulti dipendente dall'input disponibile. Generalizzazione diffusa nel riconoscimento degli oggetti senza il bisogno del linguaggio. Apparenza unitaria per il percepiente dei processi percettivi, in realtà fondati su complessi sottoprocessi paralleli.
"Codici"
" Sinapsi silenti" "Sistemi alternativi"
"Segnali nascosti" "Algoritmi, computazioni, invarianti "
, 48
Capitolo secondo
d'informazione si trova di fronte a un altro problema: la maggior parte delle connessioni anatomiche che lo specialista di anatomia microscopica individua con precisione non sono attive durante il comportamento. In gergo, queste connessioni sono definite" sinapsi silenti", implicando che potrebbero funzionare, ma senza specificare come. Se poi aggiungessimo che nelle mappe del cervello si verificano significative fluttuazioni temporali, che in ogni individuo ci possono essere mappe uniche, e che la variabilità delle mappe negli adulti dipende dalla sequenza temporale degli input che si verificano nella storia individuale [Kaas e altri 1983], allora un istruzionista potrebbe sempre riferirsi all' enorme complessità del livello immediatamente superiore e appellarsi all' esistenza di sistemi neuroanatomici alternativi, la cui funzione non è stata fin ora segnalata. Per esempio, si potrebbe rispondere in modo esauriente ai dati riguardanti le mappe variabili nella corteccia somatosensoriale affermando che, in aggiunta al sistema lemniscale, anche il funicolo anteriore forma delle mappe nelle aree in questione; dopo la resezione degli input principali, la comparsa di nuove mappe potrebbe riflettere il reclutamento di questo secondo sistema. Tuttavia, come vedremo, la variabilità e la continuità delle nuove mappe sono troppo ampie per essere spiegate da ognuno di tali sistemi. Se, in questo dialogo immaginario, qualcuno facesse notare che dei sistemi cablati con precisione e codificati potrebbero a stento spiegare la notevole capacità di generalizzazione dei piccioni e di altri animali viventi in ambienti ricchi di stimoli, un istruzionista potrebbe ribattere che esistono segnali nascosti nel progetto sperimentale che li informano sulle caratteristiche stabili di un oggetto, sebbene le origini di tale stabilità rimarrebbero poi inspiegate. Certamente la ,stabilità si manifesta in chi osserva: nella percezione preattentiva Uulesz 1984] esiste una coerenza per il soggetto percepiente che sappjamo derivare da sottoprocessi svolti da differenti centri cerebrali. E a questo punto che emergono il decodificatore neurale e l' homunculus, parente stretto dell' elettricista miniaturizzato e attivo nello sviluppo del sistema nervoso. Sebbene questa non sia la sede per discutere sul problema delle apparenze unitarie in relazione alla coscienza o all' esperienza percettiva, forse non ci sbaglieremmo sul fatto che la maggior parte dei neurobiologi considera estranee a una visione scientifica la soluzione dell'homunculus e quella dualista [Popper ed Eccles 1981] al problema della coscienza. Il problema non è passato inosservato ai sostenitori dei modelli a elaborazione d'informazione: un'intelligente anche se inade-
Struttura, funzione e percezione
49
guata cambiale per la rimozione degli homunculi dai modelli a elaborazi~me d'informazione è stata firmata da Dennett [1978]. E sorprendente osservare come i neurobiologi, i quali ricusano qualsiasi interpretazione basata sugli homunculi, possano, tuttavia, credere che nelle strutture neurali operino precisi algoritmi e si verifichino computazioni e calcoli degli aspetti costanti. Questa fede persiste nonostante l'enorme variabilità strutturale e funzionale del tessuto nervoso, che condannerebbe qualunque analogo calcolatore parallelo, pur dotato dei migliori codici di correzione dell' errore, a produrre in breve tempo risultati assurdi. Gli algoritmi proposti da questi ricercatori per spiegare l'attività cerebrale funzionano perché sono stati progettati per funzionare seguendo ingegnosi e precisi modelli matematici concepiti da scienziati che vivono in una cultura fondata sulla comunicazione sociale, ma non sono stati progettati da homunculi e non vi sono prove che essi operino veramente nel cervello. Questo capitolo si è proposto due scopi: primo, proporre degli argomenti a sostegno dell'idea che la categorizzazione percettiva sia un problema di grande importanza per la neurobiologia e, secondo, fornire le prove, ricavate da differenti discipline, che rivelino l'inadeguatezza dei modelli a elaborazione d'informazione per spiegare la struttura e la funzione del cervello. Una spiegazione adeguata di queste prove richiede una teoria alternativa dell' organizzazione delle reti neurali. I capitoli succes~ivi sono dedicati proprio a una descrizione minuziosa di tale teoria e a prove supplementari che la sostengano.
,.La selezione dei gruppi neuronali
Capitolo terzo La selezione dei gruppi neuronali
Natura a posteriori dell'informazione selezionata, p. 50. - Il pensiero popolazionistico, p. 51. - I principi fondamentali della teoria della selezione dei gruppi neuronali, p. 52. - Definizione iniziale di un gruppo, p. 53. - Ampiezza, intervallo e specificità del repertorio, p. 54. - La degenerazione, p. 56. - Un modello semplice, Darwin I, p. 58. - Siti e livelli di variazione neuronale, p. 65. - Introduzione al concetto di rientro, p. 68. - La crisi delle teorÌe a elaborazione d'informazione, p. 75. - Il valore adattativo della selezione somatica, p. 79.
I.
Introduzione.
Nel capitolo precedente, ho cercato di far capire perché i modelli a elaborazione d'informazione o istruzionisti falliscono quando cercano di spiegare in modo soddisfacente tutto un insieme di conoscenze anatomiche, fisiologiche e psicologiche. Questi modelli manifestano, a qualche livello, un pensiero tipologico, o essenzialismo, che consiste nel collocare a priori delle categorie nell' ambiente, nel cervello o in entrambi. La principale difficoltà che si frappone a tali modelli è la loro incapacità di rimuovere l' homunculus (o i suoi parenti) dal cervello. Chi o che cosa decide cos'è l'informazione? Come e dove risiedono i "programmi" ideati per un riconoscimento di caratteri, dipendente dal contesto, in situazioni del tutto nuove? Gli elaboratori d'informazione devono possedere dell'informazione definita per loro a priori, proprio come la misura dell'informazione di Shannon [si veda Peirce 1961] deve specificare a priori un codice e degli strumenti che valutino la probabilità di ricevere qualunque segnale sotto quel codice. Invece, un organismo può definire tale informazione solo a posteriori (per esempio, le categorie dei segnali ricevuti possono essere definite solo dopo che i segnali sono stati ricevuti, sia a causa della s~lezione evolutiva sia come risultato dell' esperienza individuale). E proprio questa categorizzazione, vincente dal punto di vista dell'adattamento, che costituisce il riconoscimento biologico dei modelli. Poiché i modelli a elaborazione d'informazio-
5I
ne ipotizzano la presenza di categorie informazionali nell' ambiente o di programmi computazionali nel cervello generatori di un ampio spettro di comportamenti plastici, sono obbligati a prendere una posizione che ricorda la creazione emanata da un progetto, la quale ha dominato il pensiero pre-darwiniano sull' origine delle specie [Mayr 19 82 ]. . La teoria della selezione dei gruppi neuronali è il frutto di una concezione alternativa che, pur essendo alla radice di tutto il pensiero biologico, è poco familiare in neurobiologia; si tratta del pensiero popolazionistico [Mayr 1982; Edehnan e Finkel 1984], secondo cui il cervello, a livello dei suoi meccanismi neuronali, è un sistema selettivo [Edelman 1978]. Invece di supporre che il cervello lavori in maniera algoritmica, la teoria evidenzia la natura epigenetica della variabilità e dell'individualità nei repertori anatomici che costituiscono le diverse regioni cerebrali e la successiva selezione di quei particolari gruppi neuronali la cui attività corrisponde a un segnale specifico. Data l'impronta genetica, i repertori di una certa regione sono simili, per funzionamento, in individui diversi, ma presentano una marcata variabilità nella morfologia neuronale e nella configurazione neurale, in particolare nelle ramificazioni assonali e dendritiche piu fini. Nel corso dello sviluppo si genera anche una cospicua e ulteriore variabilità nelle sinapsi, che si esprime nella plasticità della struttura biochimica e nella comparsa di un numero crescente di neurotrasmettitori diversi. Questa variabilità complessiva prepara il terreno sul quale poi le esperienze percettive selezioneranno le reti attive che rispondono ripetutamente e in modo adattativo a un certo input. Tale selezione coinvolge popolazioni di sinapsi nel rispetto di precise regole epigenetiche e non vale per i neuroni presi singolarmente, riguardando, piuttosto, quei gruppi di neuroni le cui connessioni e risposte sono adattative. Di primo acchito questa concezione [Edehnan 1978, 1981; Edelman e Reeke 1982] non sembra possedere l'attraente semplicità del modello a elaborazione d'informazione. Infatti, come potrebbero tali strutture variabili, prive di codici prestabiliti, generare delle risposte neurali e comportamentali efficaci? I paradigmi del condizionamento classico e del condizionamento operante insieme ad algoritmi adattatisi evolutivamente (si veda il capitolo XI) non potrebbero spiegare meglio il comportamento percettivo e altre forme di comportamento? Quali vantaggi offre tale darwinismo neurale rispetto al modello a elaborazione d'informazione? La risposta è che la teoria selettiva, a differenza dei modelli a elaborazione d'informazione, non
r 52
La selezione dei gruppi neuronali
Capitolo terzo
richiede il posizionamento arbitrario di etichette nel cervello e nel mondo. Poiché questa teoria popolazionistica del funzionamento cerebrale richiede la variabilità delle strutture neurali, si affida solo in minima parte su dei codici, e aggira, quindi, molte difficoltà descritte nel capitolo precedente. Soprattutto, la teoria selettiva elimina l' homunculus, poiché ritiene che il comportamento motorio dell' organismo, stimolato dall' ambiente, agisca in modo dinamico selezionando le potenziali configurazioni già presenti nelle strutture neurali variabili, piuttosto che siano le strutture stesse ad essere plasmate dall'" informazione" presente nell' ambiente. Prima di considerare i dati a sostegno dell'idea che la selezione sia il meccanismo principale della funzione neurale, voglio riprendere la teoria esposta nel capitolo I ed espanderne alcune idee centrali. I tre punti cardine di questa teoria sono I) l'origine, durante lo sviluppo, della variabilità nella struttura delle reti neurali come base per 2) la selezione di gruppi neuronali presenti in tali reti con la modificazione delle forze sinaptiche in popolazioni di sinapsi e 3) l'esistenza di connessioni e di segnali rientranti che connettono in modo gerarchico repertori di gruppi organizzati in mappe, in modo da creare una continuità spazio-temporale in risposta a uno stimolo. Per il momento non parleremo del rientro e ci soffermeremo sui primi due punti. Secondo la teoria, nel corso dello sviluppo, si formano dei repertori primari di gruppi neuronali, la cui anatomia locale dipende dal tipo di cellule presenti e dai meccanismi primari di sviluppo [Cowan I973, I978]. Mentre per individui diversi di una stessa specie le strutture di una certa area cerebrale sono simili nella funzione e sono determinate da programmi genetici, nel corso dello sviluppo si verifica, invece, un'enorme variazione nelle ramificazioni piu fini e nelle connessioni stabilite dagli assoni e dai dendriti. Questi processi dello sviluppo creano reti degenerate composte da gruppi neuronali i cui alberi dendritici e le cui arborizzazioni assonali si espandono su un'area relativamente ampia (qualche millimetro) con un notevole margine di sovrapposizione. Nel corso dell'esperienza e dopo la ricezione di segnali in input, filtrati e astratti da trasduttori sensoriali, da reti che isolano i tratti distintivi e da strutture che correlano questi tratti in mappe sensomotorie e associate dal rientro, alcuni gruppi neuronali sono selezionati a vantaggio di altri in maniera competitiva. La selezione può giocare sulla variazione nella struttura e nell' attività dei gruppi, ed è mediata da almeno due regole sinaptiche indipendenti [Finkel e
53
Edelman I9 8 5] che operano in sintonia per sincronizzare l'attività elettrica e biochimica tra i neuroni di un gruppo (si veda il capitolo VII). La selezione è un processo competitivo in cui un gruppo può effettivamente sottrarre delle cellule a dei gruppi vicini in seguito a una modificazione differenziale dell' efficacia delle sinapsi. Questo meccanismo, in cui i gruppi stimolati con piu frequenza hanno maggiore probabilità di venire ulteriormente selezionati, forma un repertorio secondario costituito dai gruppi neuronali selezionati, il quale si conserva dinamicamente modulando le proprie sinapsi. Bisognerebbe sottolineare che questa selezione sinaptica opera su un substrato neuronale dinamico e molto attivo, e dipende dalla attività elettrica e biochimica del substrato stesso. La teoria della selezione dei gruppi neuronali, mentre da un lato propone i meccanismi che selezionano competitivamente un repertorio secondario a partire dal repertorio primario, deve anche farci comprendere 1'espressione e il significato adattativo delle parti selezionate in questo substrato anatomico. La variabilità strutturale nel repertorio primario deve essere congegnata in modo da ripercuotersi in una significativa variabilità funzionale nei repertori secondari, la quale ha la sua massima espressione nella percezione e nel comportamento dell' animale. Poiché riteniamo che la formazione dinamica dei gruppi neuronali sia indispensabile per l'apprendimento e per la memoria, e poiché entrambi sono evolutivamente adattativi per l'organismo, la conservazione dei repertori di quei gruppi che migliorano l'idoneità del comportamento è importante per la sopravvivenza. A .questo punto, avendo descritto i presupposti teorici, possiamo esaminare e affinare la definizione di gruppo neuronale, di degenerazione, di variabilità e di rientro, e chiederci, quindi, fino a che punto la teoria sia conciliabile con quei dati che, come abbiamo sottolineato, cosi difficilmente si accordano con i modelli istruzionisti.\
2.
Degenerazione e la definizione di un gruppo.
Prima di esaminare come si sviluppano la variab!Jità e la stabilità, consideriamo due questioni piuttosto astratte: I) la relazione tra variabilità, da un lato, e ampiezza ed eterogeneità delle strutture cerebrali distribuite, dall' altro, e 2) se strutture variabili diverse possono svolgere funzioni equivalenti. Ciò richiederà un esame del concetto
r 54
Capitolo terzo
di degenerazione; lo sviluppo di questo argomento implicherà alcune previsioni e importanti restrizioni sui meccanismi di riconoscimento dei segnali operati dai gruppi neuronali. Per prima cosa dobbiamo dare una definizione di gruppo neuronale, che affineremo e qualificheremo dopo aver considerato alcuni aspetti della neuroanatomia. Per adesso possiamo definire un gruppo neuronale come un insieme di cellule, di tipo simile o diverso, compreso tra le centinaia e le migliaia, strettamente connesse nei loro circuiti e le cui reciproche interazioni dinamiche sono ulteriormente rinforzabili dall'incremento della forza tra sinapsi. Il complesso delle cellule di un gruppo può essere plasmato da variazioni degli input, da richieste degli output, o dalla competizione con altri gruppi. Tali modificazioni non si verificano a livello anatomico, ma sono, piuttosto, il risultato di modificazioni nelle sinapsi eccitatorie e inibitorie. Possiamo definire un repertorio primario come un insieme eterogeneo di gruppi neuronali le cui connessioni estrinseche e le cui potenzialità in una certa area cerebrale si stabiliscono in parte durante l'ontogenesi e lo sviluppo. A questo punto, senza ulteriori precisazioni, riterremo valida l'ipotesi secondo cui, se un gruppo neuronale risponde in modo piu o meno specifico con output di natura elettrica e con modificazioni chimiche a un input costituito da una ben precisa configurazione spaziotemporale di segnali, allora si è verificato un "accoppiamento" tra quel gruppo e la configurazione del segnale I. Dovendo sviluppare il concetto di selezione in un repertorio di gruppi neuronali, è essenziale considerare quali requisiti debba possedere il repertorio stesso, in particolare, quelli relativi all' ampiezza I Contro i concetti di gruppo e di selezione neuronale si sono levate critiche a cui Edelman ha risposto puntualmente nel suo libro Bright Air, Brilliant Fire: on the Matter 01 the Mind [I992a, trad. it. pp. 147-5J]. Critico è il neurofisiologo Horace Barlow, sostenitore del ruolo del singolo neurone e dei codici neurali nei processi percettivi [Barlow 19721, il quale afferma (I989) che è difficile capire esattamente cosa Edelman intenda per gruppo neuronale, e critico è Francis Crick [I9891 che definisce «edelmanismo neurale» le teorie di questo libro «non essendo riuscito [Crickl a stabilire un raffronto tra la teoria della selezione naturale e ciò che avviene nello sviluppo del cervello ». Edelman definisce quest'ultima critica «derisoria, lusinghiera, ma anche fuori luogo» [Edelman 199J, p. 15Il, come comprovano le osservazioni di un evoluzionista [Michod 19891, secondo cui la teoria della selezione dei gruppi neuronali è una descrizione selezionista nello spirito del pensiero popolazionistico. A proposito dell' atteggiamento di Crick è significativa la recensione italiana al suo libro La Scienza e l'Anima. Un 'ipotesi straordinaria (I994) di Gilberto Corbellini [I9941 che evidenzia lo spirito caustico di Crick senza che sia suffragato da un'ipotesi originale sulla coscienza, anzi «alcune delle argomentazioni francamente somigliano un po' troppo a quelle elaborate in maniera ben piti articolata da Edelman e Changeux, e su basi biologicamente piti plausibili» [ibid., p. I I J]'
La selezione dei gruppi neuronali
55
e alla natura della sua variabilità. È fondamentale che il repertorio sia sufficientemente ampio, cioè, deve contenere numerosi elementi in modo da assicurare che, in presenza di un ampio spettro di input differenti e di una soglia di risposta, esista una probabilità finita di accoppiare ciascun segnale con un elemento del repertorio. Inoltre, per qualche elemento del repertorio, l'accoppiamento con l' input deve essere cosi specifico da distinguere input diversi (cioè, "riconoscerli") con un minimo margine di errore. È essenziale comprendere che, in un sistema selettivo, tale" riconoscimento" non può, in linea di massima, mai essere perfetto, ma può essere piu o meno buono solo se supera una certa soglia di riconoscimento. L'ipotesi opposta richiederebbe o un'inversione dei rapporti di causa ed effetto nei domini indipendenti (mondo e cervello) o avrebbe bisogno di un meccanismo istruttivo. Quali proprietà generali di un grande repertorio di gruppi neuronali gli consentono di riconoscere un ampio spettro di segnali, ma anche singoli segnali? Per un numero qualsivoglia grande di input diversi, scelto arbitrariamente, deve esistere nel repertorio un elevato numero di combinazioni accoppiabili a questi input (fig. 8). Un accoppiamento è definibile come una certa soglia che consente al sistema la distinzione, entro un margine definito di errore, tra due eventi strettamente correlati. Se ci sono N elementi nel repertorio ed esiste una probabilità p di un accoppiamento tra ciascun elemento e ciascun segnale, allora possiamo definire una funzione di riconoscimento r =f (p, N) che misura l'efficienza del sistema nel riconoscere un intervallo di possibili input. Si possono definire numerose funzioni di questo tipo [Edelman 1978; Lumsden 1983] in relazione alla particolare misura di efficienza scelta. Come illustra la figura 8, se N è piccolo e gli input non sono particolarmente selezionati, allora r sarà prossima a zero. Se N supera un certo valore, r aumenterà fino a che, per un dato valore di N, l'efficienza di accoppiamento non aumenta significativamente, pur aumentando l'ampiezza del repertorio. In base alle nostre asserzioni precedenti secondo cui, a ogni primo incontro, l'accoppiamento sopra la soglia non può mai essere in genere uniformemente grande e certamente non è perfetto, ne deduciamo che, nel sistema nervoso centrale, N deve essere grande. Generalmente, per semplici funzioni di riconoscimento, simili a quelle della figura 8, il valore critico di N sarà nell'ordine di l/p, ma il valore esatto dipenderà dai dettagli del modello; le considerazioni che faremo sulle interazioni non lineari e sul rientro renderanno questa semplice stima non appropriata.
r 56
Capitolo terzo
La selezione dei gruppi neuronali
A proposito possiamo ritenere che, visto il numero di cellule disponibili in ogni particolare regione del cervello umano, sarebbe realistico un repertorio costituito da almeno 106 diversi gruppi cellulari, comprendente ciascuno da 50 a IO 000 cellule. Una conseguenza importante di questo ragionamento e del concetto di accoppiamento selettivo è che, per accoppiare qualunque elevato numero di segnali o di configurazioni di segnali, il repertorio debba essere degenerato. Degenerazione significa che, posta una soglia definita, è plausibile piu di un modo soddisfacente per riconoscere un certo input. Sono pertanto necessari molteplici gruppi neuronali con strutture differenziate, ciascuna adatta a svolgere piu o meno bene la stessa funzione: la degenerazione implica che alcuni gruppi non isomorfici debbano essere isofunzionali. Forse si evince meglio la necessità della degenerazione se conside-
Figura 8. Dipendenza di due forme di funzioni di riconoscimento dal numero N di elementi presenti in un repertorio, calcolati secondo un semplice modello. In questo modello, a ogni elemento viene assegnata a priori una probabilità p costante di riconoscere un segnale scelto a caso. Qui T[ rappresenta la frazione attesa di tutti i possibili segnali che verranno riconosciuti, mentre T2 rappresenta la probabilità che venga riconosciuta piu di una frazione/(in questo caso il 63%) dei possibili segnali M. La forma della curva è insensibile al valore scelto di M se M è grande. Analogamente, se si modifica p, tutta la curva si sposta a destra o a sinistra, riflettendo la modificata specificità di riconoscimento, ma le forme delle curve non cambiano significativamente. Un modello piu realistico assegnerebbe differenti valori di p a differenti elementi del repertorio [Lumdsen I9 8 3]; questo aumenterebbe la complessità computazionale, ma la natura della dipendenza di T da N non varierebbe sostanzialmente.
57
riamo due casi estremi di riconoscimento, il primo totalmente privo di degenerazione e il secondo totalmente degenerato (fig. 9). Consideriamo per primo un repertorio in cui, per ciascun input arbitrariamente scelto, esiste un solo gruppo neuronale capace di riconoscerlo. Date queste condizioni, in un sistema che ha le potenzialità per riconoscere segnali nuovi, lo spettro deve essere insufficiente, cioè, dovrebbero esistere molti input, oltre gli n identificati dagli N gruppi, destinati a non essere riconosciuti. Invece, se sosteniamo che tale repertorio riconosce e distingue con elevata frequenza questo insieme straordinariamente ampio di nuovi segnali diversi, allora si incrina quel presupposto per cui il segnale non avrebbe un ruolo attivo nella formazione del repertorio, e il sistema sarebbe di tipo istruttivo. Ora consideriamo l'altro caso estremp, dove ogni elemento nel repertorio si accoppia con qualunque input. In questo caso, l'intervallo richiesto sarebbe soddisfatto, ma vi sarebbe una totale perdita di specificità e, quindi, sarebbero indistinguibili configurazioni di segnali distinte, ma strettamente correlate. Ne deduciamo che la composizione del repertorio debba essere congegnata in modo tale da essere inclusa tra questi due estremi e che ci siano diversi (possibilmente molti) gruppi cellulari adatti a distinguere piu o meno bene un certo segnale (cioè, quanto basta per superare la soglia necessaria per il riconoscimento) .
Figura 9. Due casi estremi di repertorio: con un unico elemento (non degenerato) e con elementi completamente degenerati. Nel primo caso, l'estensione dell'intervallo dei segnali da riconoscere (per esempio, al di là di S,,) determina un frequente errore di riconoscimento. Nel secondo caso,. si verifica una perdita di specificità e frequenti errori nel distinguere i diversi segnali poiché ogni G può rispondere a tutti i segnali.
Repertorio dei gruppi cellulari (G")
Segnali (S")
.----F===l===~~~~~=fI~·~ll G[,~,
,[ = r _ (r_p)N
Gl'
,G"
SI'
~,53, ""S",S"+[,S"+2'"
Solo singoli elementi '2 =.
M M· L (;) r{
;=fM
(r-r[)
M-. J
I
G[, ~,
Gl'
I
I
,G"
S[>
Repertorio completamente degenerato
~,
53,
,S",S"+[,S"+2'"
,.58
Capitolo terzo
Quest' analisi indica che la degenerazione è una proprietà fondamentale per riconciliare specificità e spettro di riconoscimento. Piu avanti vedremo che la degenerazione è compatibile con alcune altre proprietà del sistema nervoso centrale dell'uomo e di altre specie animali. Dobbiamo sottolineare che la degenerazione è Qna proprietà popolazionistica (cioè, richiede la variazione) che va distinta dalla ridondanza, qui impiegata solo in riferimento all' esistenza di unità o gruppi ripetuti aventi struttura e caratteristiche di risposta identiche. La ridondanza, di per sé, non basta per un riconoscimento specifico in un ampio intervallo, poiché non possiede quelle caratteristiche di sovrapposizione e di risposta differenziata necessarie per coprire l'universo dei possibili stimoli. Tuttavia, la degenerazione può essere analoga alla ridondanza nel rendere affidabile un sistema composto da elementi non affidabili [Von Neumann 1956; Winograd e Cowan 1963]. Il messaggio contenuto nell' argomentazione precedente, peraltro astratta e ipersemplificata, afferma che un sistema nervoso selettivo, per poter interagire e adattarsi alle complesse sfide di classificazione insite nella percezione del mondo, deve avere un repertorio primario degenerato. L'esistenza della degenerazione è una previsione della teoria di cui dobbiamo cercare le prove. Potremmo pensare che, nel sistema nervoso, la degenerazione vada a scapito della selettività. Tuttavia, come vedremo, anche in presenza di una notevole degenerazione anatomica, gli effetti fisiologici prodotti da specifiche connessioni afferenti o efferenti sono nettamente vincolati al comportamento delle popolazioni sinaptiche e al rientro in modo che, in un repertorio primario degenerato, si verifichino delle selezioni ben definite; solo alcuni neuroni possono essere pilotati e anche questi coprono solo una piccola frazione dell' area in cui si distribuiscono. Questi eventi favoriscono la selezione nell'ambito di un repertorio anatomicamente degenerato, formando un repertorio secondario piu adattato e meno degenerato. Allo scopo di chiarire i concetti di ampiezza del repertorio, amplificazione e degenerazione, sarà utile presentare un modello computerizzato essenziale di un sistema di riconoscimento selettivo. Per quanto astratto, questo modello, sviluppato da George N. Reeke jr e da me [Edelman 1981], ha il pregio della estrema semplicità, e non intende rispecchiare i principi di funzionamento del sistema nervoso. Riguarda, piuttosto, la similitudine tra numeri binari a 32 bit e altri numeri di 32 bit, in base a una regola di accoppiamento. L'idea guida, simile per alcuni aspetti a quelle che spiegano la risposta
La selezione dei gruppi neuronali
59
immunitaria \ consiste nel mostrare come qualunque numero binario a 32 bit, scelto a caso (" uno stimolo"), sia accoppiabile adattativamente con un sistema di' riconoscimento selettivo costituito da un repertorio di altrettanti numeri dello stesso tipo (per qualche esempio, il lettore può dare uno sguardo alla tabella 3, ampiamente descritta piu avanti). Il modello, battezzato Darwin I, è costituito da un generatore di repertori, il quale genera un repertorio di stringhe di bit casuali, da un generatore di stimoli che genera stringhe di bit di input o "stimoli" da accoppiare, da una regola di accoppiamento che ricerca gli accoppiamenti o le corrispondenze tra uno stimolo selezionato casuale e i singoli elementi del repertorio e, infine, da un amplificatore che aumenta la probabilità che gli elementi del repertorio accoppiatisi con successo agli input rispondano nuovamente in futuro. Consideriamo adesso queste caratteristiche piu da vicino. Il repertorio è privo di alcuna informazione sulla natura degli stimoli prima dell'accoppiamento tra ogni elemento del repertorio e ogni sti4 molo. Il repertorio è costituito da uno qualunque tra 10 configura9 32 zioni di bit scelti a caso tra un totale di 2 =4,3 x 10 possibili modelli. Gli stimoli consistono, inoltre, di numeri a 32 bit scelti a caso nell'universo di tutti i possibili numeri a 32 bit. In ogni sottoinsieme di stimoli, la metà dei bit è fissata secondo qualche convenzione arbitraria (per esempio tutti uno o tutti zero), e l'altra metà può variare casualmente. Per accoppiare un certo stimolo a qualunque elemento del repertorio deve essere definita una "funzione di accoppiamento". Ne sceglierò una che conta semplicemente il numero di bit identici, per posizione e valore, nelle due stringhe (elemento del repertorio e stimolo) nella fase di comparazione. Poi, si può fissare un punteggio minimo che stabilisca che un certo accoppiamento è un " riconoscimento"; per esempio, un punteggio superiore o uguale a 2 7 implica 1'esistenza di una corrispondenza tra un elemento del repertorio e uno stimolo in 27 o piu bit in qualunque posizione. Per ogni stimolo scelto e per ogni punteggio l'intero repertorio viene scandito in maniera seriale per gli accoppiamenti. Per ogni stimolo viene stilato un elenco degli accoppiamenti, e gli elementi del repertorio che realizzano i massimi punteggi di accop2 Eçlelman proviene" culturalmente" dalla immunologia al cui sviluppo egli ha con· tribuito in maniera determinante decifrando la struttura degli anticorpi [per una rasse· gna divulgativa si veda Edelman 1970], che gli è valsa l'assegnazione del premio Nobel ne11 97 z . Questa sua origine ha probabilmente influito nella sua concezione selezionista del cervello.
r 60
La selezione dei gruppi neuronali
Capitolo terzo
piamento sono amplificati. Questa amplificazione è il cuore del comportamento adattativo del sistema. Nel modello, l'amplificazione consiste nel generare un certo numero predeterminato di copie di un elemento appartenente a un repertorio vincente (un accoppiamento sopra la soglia) e nell' allocare queste copie in siti casuali della matrice del repertorio. Si può consentire al numero di copie generate di dipendere dal punteggio dell' accoppiamento o di essere fisso. Nella simulazione al computer l'ampiezza del repertorio viene mantenuta costante, e gli elementi amplificati rimpiazzano semplicemente a caso altri elementi. Se il repertorio è sufficientemente ampio rispetto al fattore di amplificazione, questa procedura genera un comportamento simile all' espansione del repertorio durante 1'amplificazione. A questo punto ci possiamo porre diverse domande chiarificatrici: Darwin I obbedisce alla funzione di riconoscimento descritta nella figura 8? Il suo riconoscimento è degenerato? Date opportune procedure di amplificazione e di soglia, può verificarsi il riconoscimento incrociato o la generalizzazione? Come dimostra la figura IO, la statistica degli accoppiamenti effettivi per diversi punteggi di soglia M e per diversi numeri N di elementi del repertorio concorda in pieno con le previsioni teoriche della funzione di riconoscimento vista nella figura 8. Inoltre, Darwin I incorpora il riconoscimento degenerato, cioè, molti elementi del repertorio possono rispondere sopra la soglia a qualunque stimolo ed essere "amplificati" di conseguenza. La tabella 2 illustra le statistiche di amplificazione espresse come media di accoppiamenti sopra la soglia, o " successi" . In queste condizioni, la risposta a stimoli di controllo non correlati non viene virtualmente modificata dalla procedura di amplificazione, dimostrando che permane una significativa attitudine a riconoscere e a rispondere a nuovi futuri stimoli appartenenti a classi differenti. I soli effetti evidenti sugli stimoli di controllo sono una leggerà riduzione nella percentuale riconosciuta, come risultato dell' ampiezza fissa del repertorio, e un aumento degli accoppiamenti trovati per stimoli riconosciuti in conseguenza al riconoscimento incrociato degli stimoli test. Le possibilità di riconoscimento incrociato sono illustrate piti in dettaglio nella tabella 3. In questo esempio sono stati impiegati quattro stimoli diversi: SI è lo stimolo test usato per l'amplificazione; S2 ed S3 sono stimoli " correlati" che differiscono da S I per la posizione di quattro e otto bit rispettivamente; S4 è uno stimolo" relativamente non correlato" che differisce da SI in venti posizioni. Prima dell'amplificazione, i quattro stimoli hanno dimostrato livelli simili di risposta, avendo
61
ognuno una media di due successi sopra il 27 come punteggio soglia di accoppiamento. Uno di questi successi, l'elemento 3579, era comune ai due stimoli SI e S2. Questo elemento rappresenta un riconoscimento preesistente, accidentale. Un tipo piti interessante di riconoscimento incrociato si origina se la soglia di amplificazione viene abbassata alla comparsa di SI. Dopo l'amplificazione di tutti
Figura lO. Confronto fra le funzioni 71 teoriche e sperimentali in funzione della soglia di accoppiamento e dell'ampiezza del repertorio in Darwin I. 71 = frazione degli stimoli presentati che ci si aspetta vengano riconosciuti. Le curve sono state calcolate secondo 7 = 1- (1 _ p)N, dove p = probabilità di riconoscere qualunque stimolo, N = numero di 1 elementi di un repertorio (si veda la fig. 8). I dati sperimentali sono presentati come linee con delle barre verticali di errore, che rappresentano le deviazioni standard di 71 per quattro serie di 100 prove ciascuna. Ogni curva è contrassegnata dalla soglia di accoppiamento M (numero di bit scelti tra 32 che devono essere identici nello stimolo e nell'elemento del repertorio affinché si verifichi il "riconoscimento") e la corrispondente probabilità p di riconoscimento. Come atteso, la distribuzione statistica degli accoppiamenti ottenuti dal modello si avvicina ai valori teorici. ~
l,O
M=26
0,8
l r
f
0,6
0,4
0,2
29
°
I,25
2,5
5
----N X
IO
3 IO· - - - - - - .
20
4°
r 62
gli elementi accoppianti SI in ventiquattro o piu posizioni, replicandoli dieci volte, si è ottenuta una risposta piu intensa a S2 e a SI per il livello del punteggio 27, cioè il valore di accoppiamento originario, Gli elementi che hanno determinato accoppiamenti sopra 27 per S2 non derivavano tutti dall'elemento 3579, che si accoppiava originariamente; infatti, sono stati amplificati anche alcuni elementi derivanti dagli accoppiamenti piu scarsi (punteggio 24-26) di SI. Cosi, gli elementi che rispondono debolmente a un certo stimolo (SI) sono amplificabili se la soglia è mantenuta bassa, rinforzando la risposta successiva a un nuovo stimolo correlato (S2), anche quando la rigidità di quella risposta è superiore a quella impiegata nell' amplificazione, Questi risultati dimostrano come il riconoscimento incrociato, generato da specificità sovrapposte proprie di un repertorio degenerato, possa incrementare nel sistema la capacità di generalizzare, cioè, di riconoscere stimoli nuovi, ma simili ad altri già incontrati, Questa potenzialità può risultare particolarmente vantaggiosa nelle fasi precoci dell' adattamento, cioè dopo pochi stimoli, ma, in seguito, potrebbe interferire con i processi altamente selettivi necessari per distinguere gli stimoli familiari nell' ambito di stimoli simili, Queste considerazioni evidenziano la necessità di qualche sistema di commutazione specializzato nel modificare le soglie di riconoTabella
Tabella 3, Riconoscimento incrociato di stimoli correlati in Darwin I". Configurazione di bit
Stimolo I) Stimoli
SI S2 (X_R)b
11110000111111001111000111110110
S3 (X-R) S4 (NX-R)C
11111101111101001111001111111011
Stimolo 2)
Risposta prima dell' amplificazione
Posizione
SI
3579
65 20 3579 3 147 3575 S3 (X-R) 233 6 82 89 S4 (NX-R) 165 8
S2 (X-R)
3) Risposta dopo l'amplificazione c
Posizione
del repertorio
SI
dell'ampli· ficazione
Media dei successi (stimoli accoppiati) Media delle prove per il primo accoppiamento Stimoli di controllo', percentuale accoppiata Media dei successi (tutti gli stimoli) Media dei successi (stimoli accoppiati) Media delle prove per il primo accoppiamento
44 0,57 1,28 447 1 38 0,48 1,28 4 801
Dopo l'amplifica.
36 0,46 1,28 4 6 59
"L'ampiezzadelrepertorioera IO 000 X 32 bit. b Amplificazione: per ogni stimolo di prova, i tre migliori accoppiamenti venivano replicati ciascuno cinque volte. c Stimoli di prova: sono stati selezionati a caso 400 stimoli da una di quattro classi, ciascuna classe avente 16 bit fissi e 16 bit casuali. cl Successi = numero medio di accoppiamenti sopra la soglia. , Stimoli di controllo: sono stati impiegati come controllo 200 stimoli aventi tutti bit casuali. Non è stata effettuata alcuna amplificazione alla presentazione di questi stimoli.
Successi
totali d 2
I I I 1001001 I 10LlOI I IIOOOI I I I 10100 11110010111101101111000110110110
3
1010000001 I I I 1 I I I I 110101 101101 IO 010101001 I I I I I 101 101 I I I I 101 101 IO 11111101111100001011011111010011
2
11111001101111001111101111101011 0001 l l 10001000101010101 1010101 I I
Elemento del repertorio 11110010111101101111000110110110
2627
11110010111101101111000110110110 11110010111101101111000110110110
26 27
11110010111101101111000110110110
47 5090 8 244
10100000011111111111010110110110
233 6 8 28 9 S4 (NX-R) 1 658
11111101111100001011011111010011
Successi
totali d 21
11110010011101101111000111110100
. .. altri 17 ... S2 (X-R)
3I
38
3 28 9
4 8 20
11110010111101101111000110110110
775 1 96 36
zione b
4,63 12,18
Elemento del repertorio
445
Statistica del riconoscimento selettivo in Darwin I, un modello essenziale al computer". Prima
o
00011110010001101010101001011111
del repertorio
Stimolo
Bit diversi daS,
01110000111111101111010110110110
2.
Stimoli di prova c, percentuale accoppiata Media dei successi (tutti gli stimoli)cl
63
La selezione dei gruppi neuronali
Capitolo terzo·
20
1010000001 I 111 1 1 1 I 110101 101 101 IO
10100000011111111111010110110110 ... altri 16 ...
S3(X-R)
11111001101111001111101111101011 00011110001000101010101101010111
" L'ampiezza del repertorio in questa simulazione era di IO 000 elementi di 3 2 bit ciascuno. b X-R = stimolo correlato, possibilmente riconosciuto per incrocio. c NX-R = stimolo relativamente non correlato, non riconosciuto per incrocio. d Numero di accoppiamenti con 27 o piò bit identici nelle stringhe dello stimolo e del repertorio.e Elementi del repertorio con punteggi di accoppiamento contro S I maggiori di 24 sono stati replicati IO volte ciascuno.
r
64
La selezione dei gruppi neuronali
Capitolo terzo
scimento in tempi e sottorepertori div:ersi di un sistema selettivo. Un sistema di questo tipo consente che la correzione del grado di precisione nell' accoppiamento corrisponda al grado di specificità già ottenuto dal repertorio. Darwin I ha un valore euristico, in quanto esemplifica alcuni requisiti propri dei sistemi selettivi in generale, incorpora te idee che abbiamo sviluppato, ma ignora la maggior parte delle caratteristiche del sistema nervoso, cioè, è privo di una elaborazione iniziale degli stimoli, non trasmette dei segnali tra gli elementi del suo repertorio, e, ovviamente, è privo di qualsiasi configurazione di rete. Invece, un automa percettivo selettivo, da noi battezzato Darwin II, e che vedremo nel capitolo x, presenta tali proprietà ed è piu simile a un sistema nervoso vero e proprio. A questo punto, possiamo ricapitolare la questione dell' ampiezza del repertorio e della degenerazione in modo meno formale. In un repertorio di grandi dimensioni, privo di degenerazione (fig. 9), può verificarsi una combinazione di eventi altamente improbabile, cosi che il gruppo I sia accoppiato al segnale I, il gruppo 2 al segnale 2, e cosi via sino al gruppo N. Ma, a un certo punto, oltre n segnali, il sistema perde completamente la propria funzionalità. Se consideriamo il caso opposto e supponiamo che ogni gruppo riconosca ogni segnale (il caso della degenerazione totale), allora ogni cosa sarà amala pena riconosciuta, ma niente sarà distinto. Quindi deduciamo che, oltre a repertori piu ampi, i sistemi selettivi devono possedere un altro requisito importante: essere, cioè, in qualche modo sintonizzati tra i due estremi, che sono, da un lato, la specificità assoluta e, dall'altro, lo spettro totale. Quando questo si verifica, ci possono essere sottili variazioni nel comportamento del sistema che consentono al1'0rganismo una flessibilità e una capacità di scelta che non avrebbe possedendo delle unità rigorosamente monofunzionali. Tuttavia, aumentare l'ampiezza dei sistemi degenerati crea un problema di efficienza. Abbiamo affermato che, dal punto di vista funzionale, nella costruzione di un sistema selettivo non si verifica alcun trasferimento d'informazione dall' oggetto riconosciuto al soggetto che sta operando il riconoscimento. I circuiti neurali che si formano nello sviluppo embrionale degli animali superiori hanno poca o nessuna informazione riguardante le loro esperienze future [cfr. Hamburger 1963, 1970]. Naturalmente, se il numero degli elementi in un repertorio è troppo basso, la probabilità di riconoscere qualunque cosa sarà molto bassa. Ma, in base alle nostre ipotesi sulla natura di un sistema selettivo, il riconoscimento non può mai essere perfetto (almeno per tutti gli elementi del sistema), e deve esistere un certo
65
valore al di sopra del quale l'aumento in ampiezza del repertorio non produce un guadagno ulteriore; quindi, per migliorare le prestazioni del sistema dobbiamo invocare altri meccanismi. Svolge ogni gruppo una cosa per volta, e potrebbero tutti i gruppi fare una cosa in ogni momento? L'ipotesi della degenerazione implica l'esistenza di elementi isofunzionali nel repertorio, nonostante siano strutturalmente molto diversi; cioè, una certa struttura può realizzare piu di un'a funzione e una certa funzione può essere svolta da piu di una struttura. Mentre in una certa fase un gruppo può realizzare una funzione, può realizzarne un' altra in un momento diverso. Poiché la degenerazione implica un mappaggio convergente con piu scelte, questa caratteristica basilare dei sistemi selettivi può manifestarsi in condizioni diverse, in dipendenza delle esigenze ambientali o anche del caso. A questo punto, guidati da queste idee, possiamo riconsiderare la variabilità come fondamento empirico della degenerazione nelle reti neurali reali. 3. Siti di variabilità.
Quali prove esistono a favore della notevole variabilità nel sistema nervoso di individui diversi, e a quali livelli si verifica? Di sicuro, la maggior parte dei neurobiologi è d'accordo sulla facilità di individuare la variabilità strutturale e funzionale, soprattutto in aree come la corteccia cerebrale o, persino, in strutture molto regolari come il cervelletto [Chan-Palay e altri 1981,1982; Ingram e altri 19 85]. Il problema consiste, piuttosto, nel definire e categorizzare questa variabilità, nel determinarne la distribuzione quantitativa e l'importanza ai vari livelli funzionali, e nel comprendere i meccanismi con cui viene generata. Poiché, secondo la teoria, la selezione dei gruppi neuronali avviene a due livelli (lo sviluppo e l'esperienza), è anche importante distinguere chiaramente tra variazione locale nella struttura (microanato mia) e variazioni dinamiche negli stati cellulari e sinaptici. Purtroppo, sono pochi gli studi relativi agli aspetti popolazionistici o numerici della struttura nervosa in situazioni sotto controllo. Tuttavia, come dimostra la tabella 4, è possibile identificare i probabili livelli in cui si verifica la variazione. Una popolazione di neuroni può variare le proprie caratteristiche strutturali o funzionali. Dal punto di vista microanatomico, i neuroni di un certa classe possono differire nella posizione, nella forma, nella dimensione del corpo cellulare, nelle connessioni e nell' organizzazione geometrica delle proprie ramificazioni assonali e dendritiche. Dal punto di vista biochi-
r 66
Capitolo terzo La selezione dei gruppi neuronali
mico, i neuroni possono variare nelle strutture intracellulari, nel flusso assoplasmatico, nel tipo di trasmettitore e nei recettori posti sulla membrana. Queste differenze biochimiche si riflettono sulle caratteristiche varianti dei campi recettivi e delle proprietà elettriche. Piu in là approfondiremo le fluttuazioni temporali dell' attività neuronale [Burns 1968; Bindman e Lippold 198I] o del tipo di neurotrasmettitore, essendo estremamente importanti nella selezione del repertorio primario e secondario. , Per ora, ci basta evidenziare che, nel corso dello sviluppo, possono nascere forme variabili di sinapsi chimiche che si conservano anTabella 4. Siti e livelli di variazione neuronale. A) Variazione nei tratti genetici e proéessi primari di sviluppo: divisione, migrazione, adesione, differenziamento, e morte cellulare (si veda la fig. 12). B) Variazione nella morfologia cellulare. I. Forma e dimensione cellulare. 2. Arborizzazioni dendritiche e assonali. a) Distribuzione spaziale. h) Ordine di ramificazione. c) Lunghezza delle ramificazioni. d) Numero delle spine. C) Variazioni nei modelli di connessione. I. Numero degli input e degli output. 2. Ordine di connessione con altri neuroni. 3· Connessioni locali contro connessioni a lungo raggio. 4· Grado di sovrapposizione delle arborizzazioni. D) Variazione nella citoarchitettonica. I. Numero o densità di cellule. 2. Spessore dei singoli strati corticali. 3· Spessore relativo degli strati sopragranulare, infragranulare e granulare. 4· Posizione dei corpi. 5· Variazione nelle colonne. 6. Variazione nelle strie o aree delle terminazioni. 7· Variazione nella anisotropia delle fibre. E) Variazione nei trasmettitori. I. Tra cellule di una popolazione. 2. Tra cellule in tempi diversi. F) Variazione nella risposta dinamica. I. N ella chimica sinaptica e nella ampiezza della sinapsi. 2. Nelle proprietà elettriche. 3· Nei rapporti eccitatorifinibitori e nelle sedi delle sinapsi. 4· Nelle modificazioni sinaptiche a breve e a lungo termine. 5· Nello stato metabolico. G) Variazione nel trasporto neuronale. H) Variazione nella interazione con la glia.
67
che in organi estremamente" regolari" come il cervelletto [C hanPalay e altri 1981, 1982]. Inoltre, un ruolo possono giocarlo le variazioni legate al dimorfismo sessuale, per esempio, nella formazione delle connessioni callosali [De Lacoste - Utamsing e Holloway 1982]. Cosa possiamo dire riguardo alle origini anatomiche della degenerazione? Esempi specifici sono osservabili nelle arborizzazioni terminali, sorprendentemente divergenti, delle fibre che afferiscono a molte regioni del sistema nervoso. Per esempio, sappiamo che i singoli assoni dei motoneuroni piramidali terminano in diversi segmenti spinali [Shinoda e altri 1981, 1982, 1986], che le fibre retinotettali possono distribuirsi su aree che coprono circa un quarto del tetto ottico [Schmidt 1982, 1985; Meyer 1980], che gli assoni delle cellule X della retina occupano un ampio spazio nel corpo genicolato laterale [Sur e Sherman 1982], che le arborizzazioni di singole fibre derivanti dal nucleo genicolato laterale possono, a propria volta, colonizzare un'intera colonna di dominanza oculare nell'area I7 [Gilbert e Wiesel 1979], e che gli assoni talamocorticali nell'area AI della corteccia uditiva devono coprire l'intera dimensione di isofrequenza, ampia 2-3 mm [Middlebrooks e Zook 1983; Merzenich e altri 1 984a]. Questi esempi non sono il solo tipo di degenerazione anatomica possibile. Per esempio, la degenerazione si manifesta nell' anatomia di alcuni fasci o tronchi nervosi, se li compariamo bilateralmente, e in questo caso non vi sono effetti funzionali. Inoltre, la selezione evolutiva e altri meccanismi, in certe specie e in certe aree neurali, possono ridurre al minimo la degenerazione [Horridge 1968; Faber e Korn 1978]. Esiste, ovviamente, un estremo bisogno di quantificare sperimentalmente la distribuzione popolazionistica delle variazioni neurali, sia statiche che dinamiche, illustrate in modo qualitativo nella tabella 4. Tuttavia, nessuno di questi esercizi avrebbe un senso se variabilità e degenerazione non avessero un legame con la funzione. Uno degli aspetti piu stimolanti a proposito del legame tra funzione e variabilità microanatomica è 1'esistenza della variabilità nelle mappe della corteccia cerebrale [Edelman e Finkel 1984; Merzenich e altri 198~]. Ci dilungheremo su tale problema negli ultimi capitoli per le seguenti ragioni: I) qui vengono a combaciare la variabilità anatomica e quella funzionale; 2) concentra l'attenzione sull'interazione tra popolazioni di neuroni; 3) si occupa molto da vicino delle relazioni input-output e, quindi, ci chiarisce l'interazione tra l'attività dei
r i
68
La selezione dei gruppi neuronali
Capitolo terzo
neuroni sensoriali, evolutisi per selezionare gli input, e quella dei neuroni che controllano il movimento e il comportamento; e 4) ci consentirà uno studio approfondito delle mappe stesse, affrontando, in par:ticolare, il perché, nonostante la variabilità emergente dallo sviluppo, si generino delle mappe funzionanti e ben coordinate. Quest'ultimo problema ci porta direttamente a spiegare che cosa è il rientro.
4. Il rientro: perché è necessaria la sua struttura e la sua funzione. Il concetto di rientro, in particolare il rientro tra mappe, è fondamentale nelle teorie selettive delle reti neurali, data la natura dei meccanismi neurali paralleli implicati nella categorizzazione del mondo fisico e date le proprietà distribuite delle popolazioni neurali che creano la degenerazione. Possiamo riassumere la questione ponendoci la seguente domanda: come possono i vari gruppi neuronali coordinare le loro risposte allo stesso input, pur essendo inseriti in una complessa catena di strutture interconnesse e mappate, come, per esempio, il sistema visivo o quello somatosensoriale? Se diversi insiemi di gruppi neuronali, posti a vari livelli e sensibili ai caratteri di un oggetto, devono riferirsi allo stesso oggetto esterno basandosi esclusivamente su un costrutto cerebrale, allora gli stati di questi gruppi devono correlarsi in tempo reale. Questa esigenza risalta ancor meglio se consideriamo le rappresentazioni di piu oggetti in movimento, che stimolano contemporaneamente diverse modalità sensoriali. Poiché il sistema nervoso centrale è parallelo e distribuito, diventa straordinariamente complesso correlare la sequenza temporale dei segnali originati da input multimodali. Nei computer, persino una parziale organizzazione di tali sequenze richiede una notevole gestione, vale a dire, indicatori di tempo o di data, accumulo delle informazioni, e un insieme complesso di etichette informazionali [Lamport 1978]. Pur essendo stati ideati degli schemi che instradano l'informazione nelle reti verso il sito di una "richiesta" senza fornire informazioni dettagliate sulla sua collocazione, tuttavia, gli schemi pongono precisi limiti al flusso locale' degli input e degli output [Sahin 1973]. Questi vincoli, la variabilità, l'organizzazione in parallelo, e la complessità del sistema nervoso ne rendono improbabile l'applicabilità. Inoltre, qualunque sistema distribuito e degenerato, privo di una relazione di ritorno con l'og-
69
getto-stimolo, ma in rapporto con le rappresentazioni neurali di quell'oggetto, deve conservare: I) rappresentazioni multiple, con etichette che correlino i tratti distintivi di una rappresentazione con quelli di altre rappresentazioni, e 2) un unico" orologio" centrale che, in tempo reale, effettui una comparazione tra gli input piu recenti. Se a questi vincoli aggiungiamo il bisogno di comparare le varie rappresentazioni neurali degenerate dell'oggetto (si veda la fig. 9), allora il carico informazionale diventa immenso. Una soluzione a questo problema è offerta dal rientro verso un sito specifico (per esempio, in una mappa di una area sensoriale primaria) dei segnali già elaborati, in modo che siano correlabili agli input futuri [Edelman 1978]. Un segnale rientrato potrebbe essere correlato ai caratteri mappati del segnale immediatamente successivo. Questa correlazione temporale potrebbe poi essere" letta" da neuroni appartenenti a gruppi di livello superiore che riconoscono i segnali rientranti accoppiati e interattivi [Edelman 1978]. Tale correlazione consentirebbe una rappresentazione spaziotemporale continua dell' oggetto e, in particolare, eliminerebbe il bisogno di elaborati sistemi di etichettatura nelle rappresentazioni dell' oggetto, alleviando dal compito di un' organizzazione temporale completa dei singoli segnali nel sistema distribuito. Ovviamente, un rientro di questo tipo non potrebbe operare in un sistema a elaborazione d'informazione dotato di flussi di dati specifici, mentre si dimostra adatto in un sistema selettivo dove sono permessi il mappaggio e l'amplificazione. Il rientro non solo consente il collegamento di segnali tra sistemi di gruppi neuronali operanti in parallelo e in tempo reale ma, come vedremo nella simulazione al computer, specifiche connessioni rientranti tra due insiemi di gruppi possono far scaturire nuove funzioni associative originariamente assenti nei gruppi isolati 3 [Edelman e Reeke 1982] (si veda il capitolo x). Uno degli effetti piu notevoli di questo tipo di rientro è la possibilità di rappresentare categorie di oggetti esterni con almeno due insiemi indipendenti di proprietà concernenti aspetti o correlazioni diverse dell' oggetto. Inoltre, il rientro è un mezzo privilegiato per favorire il collegamento 4 La cosiddetta funzione costruttiva del rientro [Tononi e altri 199 2bl. Il processo tramite cui il cervello ricompone percettivamente un oggetto o una scena dopo la scomposizione a opera degli analizzatori corticali (per il colore, il movimento, l'orientamento, ecc.) è noto come problema del legame (bindingproblem). Esiste una apparente contraddizione tra l'esistenza di aree specializzate e l'integrazione che si verifica durante la percezione e il comportamento, e per meglio comprendere l'interre3
4
70
Capitolo terzo
delle rappresentazioni neurali dell' oggetto, in particolare quelle nelle mappe. In base alle proprietà associative [Edelman 1978; Reeke ed Edelman 1984] di un sistema distribuito degenerato, ogni ciclo di rientro tra due livelli o mappe qualsiasi potrebbe attivare un numero molto elevato di gruppi neuronali associabili. Nel sistema nervoso le associazioni varierebbero di continuo in risposta a piccole variazioni negli input sensoriali, ad alterazioni degli stati motori, o a variazioni nel sistema di attivazione. Indipendentemente dalle altre funzioni che il sistema di attivazione realizza all'interno del sistema nervoso, la teoria postula [Edelman 1978] che esso possa sincronizzare le risposte cellulari richieste dal rientro e attuare un comando motorio tra i molti possibili. Se le categorizzazioni dinamiche devono realizzarsi disgiuntivamente in un sistema privo di istruzioni, allora bisogna creare almeno due astrazioni diverse e indipendenti di un oggetto-stimolo o di una categoria. Questo implica che, in risposta a un certo stimolo, non meno di due reti indipendenti debbano simultaneamente (e disgiuntivamente) effettuare l'astrazione e poi interagire tramite il rientro per formare un legame astratto di ordine superiore delle rispettive rappresentazioni. Per illustrare queste idee, abbiamo scelto una forma di rientro anatomico e dinamico, dove sono state impiegate due reti indipendenti, ma dobbiamo ricordarci che nei sistemi nervosi reali non solo sono possibili, ma probabili piu di due reti attive simultaneamente. L'esempio, che abbiamo definito coppia di classificazione, è illustrato nella figura l l. Una coppia di classificazione comprende: l) un insieme di rivelatori dei caratteri sensoriali (non necessariamente simili in specie animali diverse); 2) un secondo insieme di rivelatori di caratteri, attivo simultaneamente in una diversa modalità sensoriale o, in alternativa, un sistema sensomotorio che, per mezzo del movimento, possa correlare indipendentemente i diversi aspetti di uno stimolo, sia come categoria sia come oggetto; 3) reti indipendenti o repertori di gruppi degenerati a cui questi due insiemi si connettono separatamente, in genere effettuando un mappaggio, e 4) un mappaggio reciproco preesistente o connessione anatomica tra queste reti di ordine superiore, insieme ad alcuni meccalazione tra questi due aspetti del cervello è stata introdotta la complessità neurale [Tononi e altri I994], avente valore elevato se la separazione funzionale coesiste con l'integrazione o, viceversa, un valore basso se le componenti del sistema sono completamente separate o completamente integrate.
La selezione dei gruppi neuronali
71
nismi sinaptici che controllino o correlino la direzione e il flusso rientrante (generalmente bidirezionale) del traffico dei segnali tra le reti. Se alcuni gruppi in una rete di una mappa sono attivi simultaneamente ai gruppi di una rete in una seconda mappa, allora è possibile collegare i gruppi attivatisi indipendentemente nelle singole reti (per esempio, rinforzando le connessioni reciproche con variazioni nelle sinapsi delle fibre rientranti tra i gruppi; si veda la fig. 1 l). Nel caso che queste variazioni sinaptiche perdurino, allora l'unione tra i gruppi consentirebbe di correlare alcune caratteristiche simultanee dell' oggetto o dello stimolo. Dobbiamo assolutamente evidenziare che tale correlazione o categorizzazione per campionamento disgiuntivo in un insieme polimorfo (si veda la fig. 6) non potreqbe essere attuata da una sola rete, nemmeno nel modo piu banale. E proprio grazie alle connessioni rientranti incrociate tra le due reti che può originarsi una nuova funzione di rete. Naturalmente, l'efficacia di questo sistema dipende dalla distribuzione anatomica effettiva delle fibre rientranti e dal controllo fasico e coordinato della direzione del flusso del segnale. Nel capitolo x proporremo un esem-
Figura I ! . Una coppia di classificazione operante in tempo reale per mezzo del rientro. Il segnale in input viene campionato indipendentemente da due reti diverse, una delle quali rileva i caratteri mentre l'altra li correla. Le risposte selezionate ai livelli superiori sono messe in relazione dal rientro per mezzo di connessioni reciprocamente organizzate tra le mappe. Si veda il testo per i dettagli; un esempio esplicito viene discusso a lungo nel capitolo x.
I
I
Input
I
J
Correlatore dei caratteri (astrazione 2)
Rivelatore dei caratteri (astrazione I)
Rientro Mappa
I
Mappa
2
72
Capitolo terzo
pio dettagliato della simulazione e del modo di operare di una coppia di classificazione. Il rientro nei sistemi sensoriali non è sufficiente, da solo, affinché un sistema selettivo basato su gruppi funzioni adeguatamente. Il cervello opera ai fini dell' azione, ed è essenziale un output diretto ai sistemi motori per svolgere due compiti essenziali. Il primo è favorire la selezione degli input appropriati variando il rapporto tra sistemi sensoriali e mondo circostante tramite il movimento spontaneo o appreso. Questo focalizza o rinforza ulteriormente gli aspetti selettivi del sistema e rende possibile la correlazione dei caratteri. Un seconJo compito dei sistemi motori è quello di verificare e corroborare, sempre con l'azione, le risposte dinamiche e istantanee, come pure le connessioni rinforzate dall' attività nei gruppi dei repertori primari e secondari. Entrambi i compiti consentono di aggiornare [MacKay 1970] le risposte in questi repertori. Il rientro, pur essendo di per sé un aggiornamento continuo, viene notevolmente rinforzato dall' attività motoria correlata a una specifica funzione sensoriale e, in questo modo, numerosi errori potenziali di correlazione sono cancellabili dalle risposte motorie. Nell capitolo VIII vedremo che tale attività richiede l'esistenza di una struttura composita, che definiremo mappaggio globale. In questo contesto, l'attività motoria verifica o controlla continuamente la coerenza interna delle operazioni di un sistema rientrante. Un'ulteriore riduzione della probabilità di errore nasce dal fatto, già menzionato, che la degenerazione può essere altrettanto utile della ridondanza nell' aumentare 1'affidabilità in un sistema distribuito. Infine, 1'attività motori a rappresenta l'elemento principale [definito da Bernstein «topologico», 1967] per stabilire la continuità e la globalità di insiemi di caratteri. Il motivo per cui ci dilunghiamo sul rientro è che una delle funzioni fondamentali di un sistema nervoso complesso è quella di collegare i diversi stati paralleli di un input tetradimensionale alle diverse lamine sensoriali bidimensionali che rappresentan,o le varie modalità sensoriali sotto forma di mappe e alle diverse risposte motorie, generando cOSI una correlazione multidimensionale. Tutto questo richiede la trasformazione degli stimoli prodotti dagli oggetti in risposte all'interno delle mappe coinvolte nel rientro, assicurando cOSI la correlazione spaziotemporale tra le molteplici rappresentazioni nelle diverse aree del cervello. Inoltre, le strutture anatomiche rientranti sono indispensabili nell'interazione tra diversi nuclei e regioni cere-
La selezione dei gruppi neuronali
73
brali (avendo ciascuna evoluto funzioni diverse) garantendo la generazione di nuove funzioni e la correlazione delle diverse regioni implicate nella stessa modalità sensoriale. In conclusione, il rientro assicura una correlazione spaziotemporale delle proprietà degli oggetti esterni, una correlazione simile delle categorie interne nella memoria e, infine, la possibilità di generare nuove funzioni in un sistema parallelo. Inoltre, come abbiamo detto, il rientro elimina il bisogno (che è assoluto in un modello a elaborazione d'informazione) di marcatori spazio temporali sui segnali in reti parallele, reciprocamente connesse e sincrone. Grazie a queste proprietà, le reti rientranti non devono definire a priori o in modo istruttivo gli oggetti. Esse sono necessarie per la correlazione interna nei sistemi selettivi: in loro assenza, i differenti repertori degenerati, specializzati in funzioni neurali diverse, sarebbero privi della sintonil!, necessaria per correlare i singoli aspetti delle categorie dinamiche'. E significativo che la maggior parte delle reti neurali nel cervello dei vertebrati sia anatomicamente rientrante, tanto a brevi quanto a lunghe distanze, o in entrambe [Brodal 198Ù A tutt'oggi, non abbiamo una prova fisiologica della natura fasica del rientro 6. Tuttavia, data la natura distribuita e , Eventuali scompensi lungo le vie rientranti tra le aree cerebrali possono spiegare alcune disfunzioni del cervello. Per esempio, Semir Zeki [1993l, tra i massimi esperti di corteccia visiva, ritiene possibile che alla base delle allucinazioni e dei sogni [ibid., p. 342l, della visione cieca [ibid., p. 349l e dell'incapacità di riconoscere i volti familiari, o prosopagnosia [ibid., pp. 327-29l, vi sia <
'----'
74
Capitolo terzo
degenerata del sistema nervoso, il rientro fasico entra gioco forza, cioè se ne venisse dimostrata l'inesistenza, allora la teoria della selezione dei gruppi neuronali sarebbe probabilmente da invalidare. integrare le diverse caratteristiche in cui viene scomposta l'informazione sensoriale [esaustive rassegne sulle oscillazioni e sulle sincronizzazioni nella corteccia cerebrale sono presenti in Engel e altri 1992a e in Aertsen e Arndt 19931. L'interpretazione delle oscillazioni nel cervello è comunque dibattuta; secondo alcuni autori [Tovée e Rolls 19921, esse non spiegano l'elaborazione degli stimoli visivi statici [per una replica si veda Engel e altri 1992b1, mentre secondo altri un'estensione delle oscillazioni ad altre aree cerebrali potrebbe fondare su basi neurali qualunque attività cognitiva, compresa la coscienza [per una discussione critica si veda Barinaga 1990]. Le sincronizzazioni e le oscillazioni nel cervello hanno ispirato numerosi modelli teorici [Koenig e altri 1992; Koenig e Shillen 199 l; Shillen e Koenig 199 l, 19941. Alcuni di essi sono stati sviluppati dal gruppo di Edelman e dimostrano, per esempio, oome il rientro tra gruppi neurali simulati renda possibile la coerenza della loro attività oscillatoria [Sporns e altri 19891, la distinzione tra oggetti, o tra oggetti e sfondo [Sporns e altri 19911, come le diverse aree visive possano integrarsi [Finkel e Edelman 19891, e come tale integrazione possa consentire la simulazione di un sistema completo che percepisce e risponde, di conseguenza, con un comportamento condizionato [Tononi e altri 1992b]. Quest'ultima è considerata «la piu completa simulazione computerizzata dell'integrazione dinamica dei differenti segnali in un modello della corteccia visiva dei mammiferi» [Koch 1993, p. 207]. Un altro modello del funzionamento cerebrale che oontempla la presenza di gruppi di neuroni con attività oscillatoria si richiama alla dinamica dei sistemi non lineari, o teoria del caos [si veda Crutchfield e altri 1987]. Una delle prime dimostrazioni convincenti del caos nel cervello è stata proposta da Walter Freeman studiando la percezione degli odori nel bulbo e nella corteccia olfattiva [per una rassegna cfr. Freeman 1991; Skarda e Freeman 1987, considerabile, quest'ultimo, il "manifesto" delle teorie del caos applicate al cervello, e seguito da discussioni critiche]. In tale sistema, rilevando ed elaborando matematicamente gli elettroencefalogrammi (EEG), Freeman ha scoperto un comportamento complesso apparentemente casuale, ma con un ordine nascosto e dove, tipico del caos, vi sono, in assenza di stimoli, onde autogenerate e gruppi di neuroni che balzano globalmente e istantaneamente da uno stato di inattività a uno di attività, le cosiddette transizioni di fase della fisica; un atto percettivo consiste in un balzo esplosivo del sistema da un "bacino" di un attrattore caotico a un altro. Modelli caotici di vario tipo sono stati proposti per spiegare o simulare l'attività di reti neurali [Hjelmfelt e Ross 19941, la percezione [Hansel e Sompolinsky 19921, i ritmi del cervello [Schiff e altri 19941 e l'attività corticale [Babloyantz e Lourenço 19941. La dinamica caotica è evolutivamente diffusa, essendo presente nel cervello dei mammiferi e degli uccelli [Neuenschwander e Varela 19901 e in invertebrati, quali Hermissenda [Gelperin e Tank, 19901 e Aplysia[Wu e altri 19941, dove nel ganglio addominale la stessa rete neurale, opportunamente modulata dagli input, può controllare due differenti comportamenti, consentendo di reinterpretare, alla luce di questo nuovo paradigma globale, fenomeni neurali spiegati precedentemente in una logica piu strettamente cellulare.,Anche la psichiatria può essere rivisitata dalla teoria del caos [Globus e Arpaia 19941. E sorprendente, a proposito, il fatto che il normale stato fisiologico del cervello sia caratterizzato dal caos, mentre l'insorgere di patologie sia preannunciato da un comportamento piu regolare, se non periodico [Goldberger e altri 19901. Recenti studi su fette di cervello in vitro hanno non solo confermato il comportamento caotico, ma anche la sua controllabilità [Schiff e altri 19941, schiudendo, per esempio, nuovi scenari per l'interpretazione dell'epilessia. Gli psicologi della Gestalt hanno proposto negli anni Venti una spiegazione della percezione [per una rassegna a
La selezione dei gruppi neuronali
75
5. La forza esplicativa della teoria.
A questo punto, possiamo riesaminare le premesse della teoria per vedere come ci possono spiegare le difficoltà di cui abbiamo parlato nel capitolo II. Tali premesse sono: I) L'esistenza di repertori primari di gruppi neuronali creatisi
durante lo sviluppo, i quali sono fonte di variabilità all'interno di regioni aventi molteplici e identificabili strutture neurali. Tale variabilità scaturisce dall'equilibrio tra la selezione evolutiva di tipi specifici di neuroni e la variazione epigenetica nelle connessioni da cui, poi, emergono i repertori primari dei gruppi. Questa è la cosiddetta fase di selezione durante lo sviluppo. 2) La successiva selezione di un repertorio secondario estratto dai gruppi del repertorio primario, durante la permanenza di un animale nella propria nicchia ecologica. T aIe selezione si verifica tra popolazioni di sinapsi amplificando la forza in alcune sinapsi e diminuendola tn altre, in un processo che genera un repertorio secondario. E la cosiddetta fase della selezioriguardo si veda Rock e Palmer 19911 compatibile con le oscillazioni e sincronizzazioni nel sistema nervoso; per esempio, secondo Wertheimer «la percezione sarebbe causata dall'elettricità che fluisce nel cervello tra due regioni stimolate» [ibid., p. 621, «i segnali elettrici non fluiscono nei neuroni, ma attraverso il tessuto cerebrale» [ibid.1 e, secondo Koehler, «gli stimoli creano nel cervello dei campi elettrici che, interagendo, convergono verso uno stato di minima energia» [ibid.]. Quest'ultima concezione ha una forte analogia con alcuni modelli attuali di reti neurali, in particolare con il modello di Hopfield [I982], secondo cui l'attivazione in una rete neurale provocata da uno stimolo esterno si propaga sino a raggiungere uno stato di equilibrio di minima energia, ma è, altresi, analoga ai modelli matematici caotici seoondo i quali il cervello è rappresentabile in uno spazio a N dimensioni (N è il numero dei neuroni), il cui stato è un punto in questo iperspazio e si evolve seguendo una traiettoria sino a uno stato stabile, o attrattore caotico [Globus e Arpaia 1994, pp. 355-561. La teoria di Edelman e quella del caos cerebrale condividono alcuni aspetti: la considerazione che «la dinamica neurale possa essere concepita come un processo auto-organizzato di interazione adattativa con l'ambiente» [Skarda e Freeman 1987, p. 170], che il cervello sia privo di programmi e regole, che i neuroni a logica booleana non siano gli elementi di base nell'elaborazione di informazione e che, invece, le unità funzionali siano, analogamente ai gruppi neuronali, quelle che Freeman definisce associazioni cellulari neurali (nerve cell assemblies) [ibid.], che non esistano sistemi superiori o inferiori, l'organizzazione eterarchica di Edelman (si veda il capitolo vm), che l'integrazione tra i diversi sistemi dipenda da segnali di tipo fasico, e che piccoli segnali in input determinino ampie variazioni nel comportamento globale del cervello [Globus e Arpaia 1994]. Invece, uno dei punti discordanti tra le due teorie è che per Edelman la selezione è centrale nel funzionamento cerebrale, mentre per i teorici del caos o della neuroscienza cognitiva noncomputazionale [Globus e Arpaia 1992] è centrale la produzione di nuove soluzioni.
76
Capitolo terzo
ne pilotata dall' esperienza. Inoltre, il significato adattativo di questa selezione è diverso da quello che caratterizza la selezione nella fasi precoci di sviluppo (si veda piti avanti). In entrambe le fasi della selezione, le variazioni nel mondo esterno o fisico e quelle che si verificano nel mondo neurale sono (e devono essere) distinte nelle loro cause, almeno nelle prime o iniziali interazioni dell' animale con il proprio ambiente. 3) L'esistenza nei sistemi neurali distribuiti di un processo di rientro dinamico e tempo-dipendente in tutti i livelli di connessione (sia locale che a lungo raggio) [Mountcastle 1978]. Questo processo è possibile grazie all' anatomia rientrante, organizzata in registro (per esempio le radiazioni corticotalamiche e talamocorticali) o secondo schemi piti complessi, come quelli osservabili tra corteccia cerebrale, cervelletto e gangli basali. Uno degli esempi piti chiari di connessioni rientranti è il sistema visivo. In alcune specie di scimmie, esistono almeno quindici aree visive che svolgono funzioni diverse'. L'organizzazione funzionale delle proiezioni [Zeki 1975, 1978a] è compatibile con una connettività rientrante, infatti, sono state scoperte delle connessioni reciproche che potrebbero dare consistenza al rientro in tutte le aree visive studiate finora [Van Essen 1985]. Il rientro è necessario per assicurare che la selezione dei gruppi neuronali, ai vari livelli di un sistema nervoso a elevato grado di parallelismo, sia correlata ai segnali coerenti derivanti dagli oggetti o da altri gruppi neuronali. Questo meccanismo è richiesto a fortiori perché la teoria respinge ogni concetto riferibile a categorie informazionali fisse nel mondo fisico macroscopico e perché abbandona qualunque concetto di sito codificato o di marcatore temporale che coordina gli eventi nelle reti neurali parallele. Il concetto di rientro è un'ipotesi essenziale se vogliamo spiegare come il sistema nervoso rappresenta la continuità spaziotemporale 8. , Si veda il capitolo II, p. 43, nota 6. 8 Nuovi sviluppi tecnologici consentono di confermare e di quantificare il rientro nel cervello umano. Questo è reso possibile integrando: a) tecnologie di visualizzazione del cervello (tomografia a emissione di positroni e visualizzazione funzionale per risonanza magnetica funzionale) le quali conferiscono buona risoluzione spaziale; b) rilevazione superficiale dell'attività neurale (magnetoencefalografia o MEG, potenziale legato all'evento o ERP, campi magnetici legati all'evento o ERF) che apporta una buona risoluzione temporale; c) modelli matematici; ed) modellistica neurale. Il rientro è misurabile tramite la forza degli influssi tra diverse aree attivate, ottenibile applicando le cosiddette equazioni strutturali [Friston e altri 1993; McIntosh e altri 1994; per delle ras-
La selezione dei gruppi neuronali
77
Dopo questo riassunto, diventa istruttivo confrontare la teoria della selezione dei gruppi neuronali con gli stessi problemi analizzati nel capitolo precedente. Non saremo sorpresi se molti degli elementi che mettono in crisi i modelli istruzionisti e i modelli a elaborazione d'informazione siano rivoltati e diventino di fatto dei requisiti per la selezione dei gruppi neuronali (si veda la tab. I, il cui ordine viene qui seguito). In un sistema selettivo devono operare dei meccanismi di sviluppo che garantiscano la variabilità, pur nell' ambito di strutture comuni. Come vedremo piti avanti a proposito dello sviluppo (capitolo IV), essi si fondano su dei meccanismi molecolari. In genere, non è richiesto un cablaggio prestabilito punto per punto, per quanto non sia incompatibile con le versioni specifiche della teoria, né lo siano delle connessioni specifiche che raggiungono i dendriti in punti ben definiti. Le arborizzazioni assonali e dendritiche sovrapposte aumentano effettivamente le possibili variabilità combinatorie e la degenerazione nel repertorio primario. Inoltre, poiché la teoria presume che il neurone sia «ignorante» e privo di una informazione codificata a priori che lo raggiunge seguendo vie preferenziali, gli input che la cellula non è in grado di identificare non rappresentano una difficoltà. Non è necessario evocare le" sinapsi silenti" per spiegare che la maggior parte delle connessioni anatomiche sono inattive; in ogni momento, in un sistema selettivo la maggior parte delle forme varianti non viene selezionata. La selezione adattativa dei gruppi neuronali per mezzo di regole sinaptiche attive su popolazioni di sinapsi (come sarà illustrato nei capitoli VI e VII) può spiegarci facilmente le fluttuazioni nel tempo dei confini delle mappe, la loro individualità e la dipendenza della loro distribuzione dagli input. Il tema del mappaggio è cosi importante per la correlazione tra input e output e per la categorizzazione che ne parleremo a lungo in diversi capitoli. I problemi centrali della categorizzazione e della generalizzazione sono gli ostacoli principali che si oppongono ai modelli a elaborazione d'informazione. Pur essendo eccessivo affermare che la teoria selettiva li ha risolti completamente, abbiamo incorporato un modello segne sulla visualizzazione delle mappe cerebrali umane si veda Hylliard 1993; Fox e Woldorff 1994]'. Peter Fox e collaboratori [ibid.] hanno sviluppato un database, BrainMap, che consente di comparare mappe funzionali derivate da immagini provenienti da uno stesso soggetlo, soggetti diversi, popolazioni diverse e modalità diverse. Queste tecnologie potranno colmare la lacuna che, come lamenta Francis Crick [Crick e Jones 1993], separa ancora la conoscenza del cervello degli altri mammiferi da quella del cervello umano.
78
Capitolo terzo
della teoria in un automa in grado di realizzare una parziale categorizzazione e generalizzazione [Edelman e Reeke 1982; Reeke e Edelman 1984]. L'automa esegue queste prestazioni senza essere programmato e arricchito di una conoscenza esplicita delle categorie che esso rappresenta. Per ora dovremo accogliere queste asserzioni come un atto di fede; saranno documentate nel capitolo x. Nel modo in cui l'abbiamo incorporata nel modello, la teoria della selezione dei gruppi neuronali deve adattarsi a un mondo relativo, cangiante e polimorfo, analogamente alla teoria della selezione naturale di Darwin: cioè dal basso verso l'alto [Mayr 1982]. Sono evitate le ipotesi essenzialiste e tipologiche (o dall' alto verso il basso). Poiché le teorie selettive del funzionamento cerebrale sostengono che l'ambiente agisce dinamicamente su strutture potenziali già presenti nell'organismo, esse eliminano il problema dell'homunculus coSI come l'evoluzione ricusa la tesi di un piano prestabilito. Esse sono implicite e derivano dall' esistenza di strutture nervose varianti, espressioni evidenti della degenerazione; per essere organizzate non devono reagire da sole a categorie definite esternamente, ed essere poi interpretate da omini verdi interni. Anzi, nel capitolo x vedremo che gli homunculi sono eliminabili, senza ripercussioni sulla categorizzazione. Se teniamo conto di come la teoria della selezione dei gruppi neuronali si colloca rispetto ai diversi punti critici elencati nella tabella I, esiste un campo conoscitivo che nella migliore delle ipotesi è incompleto e nella peggiore rimane irrisolto, poiché abbiamo evitato di proposito ogni approfondimento sull'esperienza percettiva. Mi riferisco alla coerenza fenomenica del mondo sensoriale quale appare a un individuo consapevole, nonostante la pluralità di meccanismi neurali coinvolti anche in una singola modalità sensoriale. Per ora ci basta evidenziare che la teoria della selezione dei gruppi neuronali, con i suoi concetti di degenerazione e di rientro presenti ai diversi livelli gerarchici, è del tutto compatibile con l'esistenza nei sistemi nervosi complessi di molteplici rappresentazioni e nuclei funzionanti all'unisono. Il concetto di rientro ci offre un meccanismo adatto per sincronizzare le attività nervose in questi diversi livelli. Nella terza parte, affronteremo il problema di come, grazie a questi meccanismi, sia possibile generare funzioni di ordine superiore e mappaggi globali. A questo punto, può essere utile accennare come, con l'evoluzione, l'incremento delle potenzialità offerte dalla selezione dei gruppi neuronali abbia aumentato la probabilità di un comportamento adat-
La selezione dei gruppi neuronali
79
tativo e dell' apprendimento. Alla fine del capitolo XI ci chiederemo quale rapporto esiste tra queste potenzialità adattative e l'origine evolutiva di una vera elaborazione d'informazione.
6. Il significato adattativo della selezione dei gruppi neuronali. La selezione dei gruppi neuronali comprende una serie di eventi storici e irripetibili per ciascun organismo. Con l'eccezione di alcuni eventi epigenetici dello sviluppo, i singoli eventi selettivi non possono essere sotto il controllo diretto dell'evoluzione, in quanto la generazione della variabilità avviene nell' arco di vita dell'individuo. Il significato evolutivo di tale variabilità risiede nell' esigenza propria di ogni individuo di crearsi, per mezzo di reti neurali degenerate, delle categorie in condizioni ambientali fluttuanti. Di qui l'interrogativo sul significato adattativo dei meccanismi della selezione dei gruppi, la cui risposta è importante per capire gli eventi evolutivi che originano i repertori primari e i meccanismi epigenetici della selezione somatica. Poiché i neuroni non vengono istruiti (la dottrina del neurone ignorante) e poiché per un apprendimento versatile è richiesta una selezione dei gruppi che generi la categorizzazione percettiva (si veda il capitolo XI), è chiaro il vantaggio selettivo, maturato con l'evoluzione, di aumentare la dimensione e la variabilità di certi repertori neuronali e di diminuirla in altri, modificandone perciò la sensibilità alle regole di variazione sinaptica. Nuove forme di apprendimento e una pili spiccata duttilità nell' apprendimento creata da tali mutevoli strutture possono influenzare la capacità percettiva, consentendo ad alcuni fenotipi dotati di repertori particolari di essere selezionati dall' evoluzione. Come vedremo nei capitoli IV e VI, la selezione evolutiva di mappe e repertori specifici avviene in gran parte su forme mutanti che compaiono nello sviluppo e che sono dovute a variazioni epigenetiche, a loro volta causate da un nuovo comportamento dei geni regola tori. In un individuo la configurazione principale dei circuiti neurali può eventualmente consolidarsi, e la versatilità dell' apprendimento deve allora dipendere dai repertori secondari e dalla modificazione sinaptica. Presumibilmente, questo meccanismo si è evoluto a causa dei limiti temporali propri dei sistemi cellulari, vale a dire, un sistema selettivo a base neurale può rispondere abbastanza rapidamente
80
Capitolo terzo
al movimento imparando delle strategie di sopravvivenza solo con un meccanismo di amplificazione differenziale, piti che di riproduzione differenziale. È a questo punto che (ogni altra cosa essendo uguale) un organismo dotato di un ricco complesso di repertori primari e di un' efficace logica dei trasmettitori (si veda il capitolo VII) può avere maggiori opportunità per adattarsi a minacce o necessità contingenti in una nicchia ecologica in repentina trasformazione. Il grande anello dell'evoluzione (illustrato nella fig. 62) - selezione naturale --+ selezione somatica durante l' ontogenesi --+ comportamento adattativo --+ ulteriore selezione naturale nella specie - ha come punto nodale l'evoluzione di sistemi selettivi che effettuino la categorizzazione percettiva dando vita al comportamento adattativo e a un apprendimento piti efficace. L'evoluzione di tali sistemi prepara, in alcune specie, lo scenario per lo sviluppo della comunicazione sociale [Boyd e Richerson 1985] e per ulteriori conquiste evolutive rese possibili dalle funzioni cerebrali superiori. La teoria della selezione dei gruppi neuronali, poiché contempla la selezione operante sulla variabilità, si sposa con i requisiti classici del pensiero popolazionistico; infatti, essa correla la variabilità della struttura nervosa dell'individuo al comportamento e all'evoluzione. Progredendo dalla categorizzazione percettiva all' apprendimento (capitolo XI), la teoria ci fa capire come, in una specie, l'elaborazione d'informazione si consolidi con meccanismi di categorizzazione che, tuttavia, in ciascun individuo sono inesorabilmente dal basso verso l'alto·. Come vedremo piu avanti, le descrizioni proposte dall'elaborazione d'informazione sono di qualche utilità quando analizziamo alcuni aspetti dell' apprendimento ma, se applicate alla struttura del cervello e all' evoluzione dei meccanismi della categorizzazione percettiva, si trovano inesorabilmente invischiate in un ragionamento circolare. Viceversa, la teoria della selezione dei gruppi neuronali può spiegare la transizione dai processi di selezione somatica, che si verifica stocasticamente negli individui e in cui l'informazione non può essere ragionevolmente definita, a descrizioni in cui l'informazione può essere definita e stabilizzata dalla "cultura" e dalla memoria archiviata nei molteplici e irripetibili sistemi nervosi di una specie. • In sintesi, l'elaborazione d'informazione dei computers tradizionali o dell'intelligenza artificiale logico-simbolica che è dall' alto verso il basso [si veda McClelland e Plaut 1993].
Parte seconda I meccanismi epigenetici
r
Capitolo quarto I fondamenti della variabilità nello sviluppo l:
il repertorio primario
Approccio molecolare all' origine della variabilità neuronale, p. 84. - Il problema fondamentale della biologia dello sviluppo, p. 85. - I meccanismi primari dello sviluppo, p. 85. - La modulazione della superficie cellulare, p. 90. - L'espressione sequenziale delle CAM durante lo sviluppo, p. 95. - Perturbazione nella struttura bloccando la funzione delle CAM, p. 102. Ruolo causale delle CAM nella induzione: la penna, p. 107. L'ipotesi dei regolatori, p. 108. - Le regole delle CAM, p. 108. - Formazione dinamica delle strutture del sistema nervoso, p. 115. - I marcatori della chemioaffinità e la modulazione a confronto, p. 119.
I.
Introduzione.
Un aspetto centrale della teoria della selezione dei gruppi neuronali è la natura epigenetica dei meccanismi di formazione del repertorio primario e secondario; pur fondati sulle leggi della genetica, gli eventi selettivi in azione durante lo sviluppo e le esperienze favoriscono l'eterogeneità e la variabilità spaziale delle cellule e delle relative strutture. Sono eventi concatenati e lunghi, se li compariamo agli eventi intracellulari, e le cellule che vi partecipano presentano un' organizzazione spaziale interattiva e cooperativa che non potrebbe essere stata archiviata direttamente nel codice genetico. Questo capitolo cercherà di dimostrare la prima delle piu imporJ' La biologia dello sviluppo, di cui questo capitolo tratta alcuni aspetti, ha registrato un progresso «impensabile solo dieci anni fa» [Gilbert 19944, p. XVI], conseguente agli sviluppi dell'ingegneria genetica e che ha consentito l'identificazione di nuove molecole implicate nello sviluppo, l'inserimento di geni nell' embrione, l'attivazione di geni specifici in cellule specifiche e la soppressione di geni specifici in tutto l'organismo. Tale progresso ha coinvolto anche il campo delle molecole di adesione, di cui Edelman è stato il pioniere [Thiery e altri 1982; per una rassegna divulgativa cfr. Edelman 1984, 1994], che è diventato nel frattempo fiorente, con migliaia di pubblicazioni. Segnaleremo, pertanto, alcuni punti importanti emersi sull' adesione, i quali, peraltro, confermano e integrano l'ipotesi dei regolatori proposta da Edelman per lo sviluppo.
,---
84
I fondamenti della variabilità nello sviluppo .
Capitolo quarto
tanti rivendicazioni della teoria della selezione dei gruppi neuronali, vale a dire, i meccanismi molecolari epigenetici tramite cui i neuroni e la glia interagisono nello sviluppo creano una imprescindibile sorgente di variazione anatomica che si riflette nella variabilità dei repertori primari. Qual è 1'origine della variabilità anatomica nei singoli sistemi nervosi, pur nella conservazione di un assetto organizzativo speciespecifico? Questo problema, che enfatizza l'origine molecolare della configurazione neuronale, è il piu raffinato e complesso tra tutti quelli della morfogenesi. Sebbene sia probabilmente fondato, in parte, su meccanismi esclusivi del sistema nervoso, tuttavia, condivide con gli altri tipi cellulari alcune proprietà e meccanismi che plasmano tessuti di natura diversa. Pertanto, lo sviluppo del sistema nervoso andrà considerato in un contesto piu ampio, prima di riesaminare il quadro della neurogenesi cosi come è emerso in ricerche, ormai classiche [Spemann 1924, 1938; Ramon y Cajal 1929; Harrison 1935; Weiss 1939, 1955; Sperry 1965; Hamburger 1980]. Recenti studi suggeriscono un ruolo centrale per le molecole di adesione quali mediatrici in quei meccanismi di sviluppo apportatori di variazione nel repertorio primario. Il controllo dell'espressione di queste molecole si ricollega altresi agli eventi evolutivi, grazie ai quali la configurazione del sistema nervoso conserva una propria coerenza. Per cominciare, valuteremo alcune proprietà di queste molecole, compresa la loro distribuzione nel sistema nervoso e proporremo in seguito un'ipotesi generale che unifica genetica dello sviluppo, origini meccanico-chimiche della struttura neurale ed evoluzione della forma. Si tratta dell'ipotesi dei regolatori, la quale sarà riferita alla morfogenesi e alla formazione delle strutture 2, e di cui, nel capitolo VI; discuteremo le implicazioni evolutive in relazione al sistema nervoso. Realizzare quest' obiettivo ci porterà nel mondo della biologia molecolare e della biologia cellulare e ne ricaveremo, quale 'ricompensa, una spiegazione solidamente fondata dell' origine della variabilità nelle connessioni del sistema nervoso. 2 Per tale interpretazione dello sviluppo delle forme biologiche dove si incontrano «genetica, evoluzione della forma e fondamenti meccanico-chimici della struttura neurale» Edelman ha coniato il neologismo topobiologia, i cui diversi aspetti sono approfonditi nel libro omonimo [I988] e in una rassegna divulgativa [Edelman 1989a].
2.
85
Le CAM e la modulazione della superficie cellulare nel corso della morfogenesi.
Sebbene, secondo la teoria, il genoma non possa contenere inscritta tutta l'informazione relativa all'esatta posizione spaziale e temporale delle cellule coinvolte, tuttavia la morfogenesi delle strutture neurali e di quelle non neurali è sotto il controllo dei geni. Desiderando risolvere questo apparente pàradosso, possiamo impostare iI problema di fondo della morfogenesi ponendoci due domande di ampio respiro: I) Come può il codice genetico, che è monodimensionale, dirige-
re il progetto di costruzione di un animale, che è tridimensionale? 2) Possiamo rendere compatibili la risposta a questa domanda e la possibilità di rapide modificazioni morfologiche in tempi evolutivi relativamente brevi? Per rispondere a entrambe le domande dobbiamo indagare prevalentemente nella genetica dello sviluppo e negli eventi epigenetici [Raff e Kaufman 1983]. Una risposta richiede l'identificazione dei prodotti genici la cui espressione può regolare la meccanica e la chimica di quei processi primari e trainanti dello sviluppo, quali la mitosi e i movimenti morfogenetici (fig. 12), creando le condizioni per una sequenza di segnali che regoli ulteriormente l'espressione genica. Studi recenti sui meccanismi molecolari dell'adesione cellulare in animali soggetti a uno sviluppo regolativo ci hanno consentito di identificare alcune molecole che sembrano i canditati ideali per questo ruolo. Sono le cosiddette molecole di adesione cellulare (CAM) e le molecole di adesione del substrato (SAM) 3 [per alcune rassegne cfr. Edelman 19 8 3, 19 85 b , 1985d, 1985e, 1985/' 1986a; Damsky e altri 1984; J Abbiamo preferito tradurre l'acronimo SAM (Substrate Adhesion Molecules) con 'molecole di adesione del substrato', piuttosto che con' molecole di adesione al substrato', come presente negli scritti di Edelman già editi in italiano, per la ragione che Edelman include tra le SAM la fibronectina, la citotactina e i proteoglicani, che sono molecole della matrice extracellulare, cioè del substrato. Sono eventualmente definibili 'molecole di adesione al substrato' le integrine (cfr. il Glossario), molecole poco note al tempo dell'edizione originale di questo libro [1986], perché il loro ruolo è consentire un' adesione specifica e selettiva della cellula alle molecole del substrato. Edelman stesso si è accorto dell' ambiguità della definizione originale di SAM e cita le integrine includendole in quello che egli definisce il «complesso delle SAM» [Edelman 1988, trad. it. pp. 134-35].
86
Capitolo quarto
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
Edelman e Thiery 1985; Obrink 1986]. Discuterne in questa sede le proprietà e la modulazione sulla superficie cellulare ci può aiutare a chiarirne l'influsso nella formazione delle strutture neurali. Il concetto centrale è, grosso modo, sintetizzabile come segue. Le molecole di adesione uniscono le cellule in gruppi i cui confini sono delimitati da CAM aventi diversa specificità. Le proprietà di legame delle cellule unite dalle CAM sono controllate dinamicamente dalle cellule stesse sulla base di segnali che fluiscono tra i gruppi. Il legame cellulare regola di conseguenza la motilità cellulare e i segnali successivi; è cOSI che si generano le forme. La forma di una specie si conserva grazie a un controllo biochimico effettuato sui geni per le CAM da parte di geni regola tori che operano in aree morfologiche specifiche 4. Ma, poiché la funzione principale delle CAM è regolare i 4 La frase «da parte di geni regolatori che operano in aree morfologiche specifiche» è la sintesi di un ampio e recente argomento della «embriologia molecolare» che Edel-
Figura 12. Disegni dei processi primari. I meccanismi di "forza trainante' - divisione, movimento e morte cellulare - sono regolati da eventi di adesione e differenziamento. L'evento determinante è il differenziamento dipendente dall' ambiente esterno o induzione embrionale, che non riguarda singole cellule, bensl differenti aggregati cellulari. Forze trainanti
~ Divisione cellulare
Movimento cellulare
~ Morte cellulare
Meccanismi regolativi
00 Adesione cellulare
ffi~-§~ Differenziamento e induzione
87
processi cellulari dinamici e non specificare con esattezza gli indirizzi cellulari, nello sviluppo c'è spazio anche per la variabilità. A titolo dimostrativo esamineremo la struttura e il legame delle CAM, le loro modificazioni sulla superficie cellulare, e come ne viene regolata l'espressione durante lo sviluppo. In questo modo potremo discutere i dati che indicano come la modulazione del legame delle CAM influisca sulla morfologia e come la modificazione della forma influisca, di ritorno, sull'espressione delle CAM. Fino a oggi sono state isolate e caratterizzate tre CAM con diversa specificità e struttura' (fig. 13); se ne conoscono altre, non ancoman ha intuito ma non sviluppato in questo libro, e cioè quello dei geni omeotici, il quale non era ancora maturo al tempo della pubblicazione di Neuml Darwinism. Grazie ai geni omeotici è possibile interpretare sotto una nuova luce i due interrogativi che Edelman si pone a inizio di questa sezione [per delle rassegne si vedano Edelman e Jones 1993; Krurnlauf 1994; per una nomenclatura dei geni omeotici cfr. Scott 1992J. Si tratta di geni, presenti lungo la scala evolutiva animale dall'hydra all'uomo [Boncinelli e altri 1988J, che specificano l'identità di interi segmenti corporei, compresi quelli del cervello [Keynes e Krumlauf 1994; per una rassegna analitica si veda Boncinelli 1994J, e nel caso di mutazioni a loro carico, spontanee o indotte per ingegneria genetica, si determinano profondi mutamenti morfologici, tra cui lo sviluppo in un segmento corporeo di strutture che appartengono a un altro segmento (trasformazioni omeotiche) e difetti nello sviluppo del cervello [Swiatek e Gridley 1993; per una rassegna sugli effetti del gene targeting (cfr. il Glossario) nello sviluppo del sistema nervoso si veda Joyner e Guillemot 1994]. I geni omeotici dei mammiferi (geni hox) sono associati in gruppi su cromosomi diversi e sono colineari [Lel/.ris 1978J, cioè vi è corrispondenza tra l'ordine fisico lungo i cromosomi e la loro espressione/funzione lungo l'asse anteroposteriore dell'embrione [Krumlauf 1994J. I prodotti di questi geni sono proteine contenenti un motivo comune a elevato grado di omologia, l' omeodominio, che regolano l' espressione di altri geni (downstream genes). La loro elevata omologia lungo la scala evolutiva suggerisce «che esista un antenato comune per moscerini e uomini e che questo piano corporeo ancestrale sopravviva oggi nel telencefalo dell'uomo e nei parasegmenti degli insetti» [Lawrence 1992, p. 21 8J. Questo modello dello sviluppo spiega, da un lato, l'universale conservazione di alcuni piani corporei, e dall'altro le notevoli modificazioni della forma, per esempio l'evoluzione di arti sempre piu complessi [si veda Morgan e Tabin 1993J, tramite piccole mutazioni, i cui effetti vengono amplificati con un meccanismo a cascata, fornendo un ulteriore meccanismo plausibile dell' evoluzione morfologica (si veda il capitolo VI) [per una rassegna sul rapporto tra geni omeotici ed evoluzione si veda Kenyon 1994]. Edelman si è chiesto se esista una relazione causa-effetto tra i due principali tipi di molecole implicate nello sviluppo delle forme, cioè geni omeotici e molecole di adesione [Edelman e Jones 1993J, e ha sperimentalmente ricavato delle risposte affermative, almeno in vitro Gones e altri 1992a, 1992b, 1993; Goomer e altri 1994; Holst e altri 1994J, dove dimostra che i geni codificanti per N-CAM, L-CAM e citotactina sono controllati a monte (upstream) dai geni hox, e quindi, l'ipotesi dei regolatori, centrale nella concezione embriologica di Edelman (si veda la sezione dedicatale in questo capitolo), entra a pieno titolo in questo nuovo e vasto capitolo della biologia dello sviluppo. , In questo libro Edelman ha deliberatamente limitato la disamina delle molecole adesive a quelle da lui scoperte insieme ai propri collaboratori; tuttavia, negli anni a seguire sono state identificate decine di nuove molecole incluse in nuove famiglie, sono stati scoperti nuovi aspetti. dell'adesione, un complesso e dinamico rapporto tra ambien-
r 88
Capitolo quarto
ra definite nella loro natura chimica 6. La L-CAM (molecola di adesione della cellula epatica) [Cunningham e altri 1984] dipendente dal calcio' e la N-CAM (molecola di adesione delle cellule nervose), non dipendente dal calcio, sono definite CAM primarie e compaiono precocemente durante l'embriogenesi delle cellule originate da tutti gli strati germinativi. La Ng-CAM (CAM dell'interazione neuroneglia)· è una CAM secondaria non rintracciabile nei primi stadi delte extracellulare, molecole adesive e scheletro della cellula, nuovi fenomeni di modula· zione delle molecole stesse, e un' ampia diffusione evolutiva. La classificazione tassonomica di queste molecole non è univoca, quantomeno vi è divergenza tra la classificazione proposta da Edelman e quella presente nei testi ufficiali di biologia dello sviluppo; per esempio, la classificazione di Edelman [19941 prevede: a) le CAM, suddivise in: I) superfamiglia della N-CAM, e 2) superfamiglia delle caderine; b) le SAM; e c) le CJM (cell ;unctional molecules) [ibid.1, mentre la classificazione ufficiale contempla: a) le CAM, che comprendono: I) la superfamiglia delle immunoglobuline (il corrispondente della superfamiglia della N-CAM di Edelman); 2) la superfamiglia delle caderine (cfr. il Glossario) [si veda Delseg e altri 1993]; 3) le integrine (cfr. il Glossario) [Prieto e altri 1993; per una rassegna si veda Hynes 19941; 4) le selectine [McEver 19941; e, b) le molecole della matrice extracellulare [Engel 19911, delle quali è emerso il ruolo dinamico nello sviluppo e nel differenziamento [Adams e Watt 19931. Inoltre, la definizione di CJM si sfalda alla luce delle scoperte che indicano come tra le molecole che costituiscono questa famiglia vi sono sia le caderine, sia le integrine, che sono parte di altre famiglie. Molti dei progressi si devono alla biologia molecolare che «aumentando notevolmente la nostra comprensione e favorendo una sinergia tra linee di ricerca disconnesse» [Hynes 19941 è stata fonda· mentale nell'identificare nuove molecole e i' relativi domini strutturali e funzionali. I membri delle tre principali famiglie di molecole si influenzano reciprocamente creando una complessa rete di adesività [Stappert e Kemler 19931 e, inoltre, sono note diverse proteine interposte tra la molecola adesiva e lo scheletro della cellula [ibid.1, dove ciascuna è potenzialmente modulabile anche da parte della molecola adesiva stessa [Atashi e altri 19921, o, viceversa, la molecola adesiva è modulabile da esse [Hirano e altri 19921, aumentando il numero di livelli su cui si può agire per modificare il rapporto tra cellula e ambiente. Un fenomeno noto da alcuni anni [Kapfhammer e altri 19861 nello sviluppo del sistema nervoso e che ora comincia ad essere decifrato nella natura molecolare è l'inibizione dell'adesione [Edelma11. 1992bl o controadesione [Edelman 1994; per una rassegna si veda Luo e Raper 19941. E stata importante l'identificazione della prima molecola di questo tipo, la collassina, [Luo e altri 19931 il cui ruolo repulsivo favorisce la scelta della direzione del neurite in crescita. A questo genere di molecole viene anche imputata la mancata rigenerazione delle fibre nel sistema nervoso centrale [Caroni e Schwab 1988]. L'inibizione dell' adesione deriva anche da molecole dalla doppia natura, adesiva e antiadesiva, come nel caso della citotactina [prieto e altri 19921. Alcune molecole di adesione possono essere multHunzionali [Brummendorf e altri 19931 in quanto possiedono diversi domini che si legano a molecol,e diverse o svolgono funzioni differenti, ampliando pertanto le possibilità di regolazione. E anche noto che le molecole di adesione possono comportarsi come recettori e, quindi, mandare segnali ambientali alla cellula per via biochimica oltreché meccanica [Williams e altri 19921. Tutti questi fatti, succintamente illustrati, ampliano, senza contraddirlo, il quadro morforegolatore proposto in questo libro. 6 Una nuova CAM identificata pili recentemente da Edelman è la Nr-CAM [Grumet e altri 199r], simile per struttura alla Ng-CAM. 7 La L-CAM oggi è classificata tra le caderine (cfr. il Glossario). 8 La Ng-CAM media anche le interazioni neurone-neurone [Burgoon e altri 19911.
Figura 13. Schema della struttura della catena lineare di,due CAM primarie (N-CAM e L-CAM) e della CAM secondaria Ng-CAM. La N-CAM è illustrata sotto forma di due catene che differiscono per l'ampiezza del rispettivo dominio citoplasmatico. Come indica la barretta vuota, al terminale COOH, il polipeptide dg contiene in questa regione 261 residui in pili rispetto al polipeptide dp. La catena dg è osservabile solo nel sistema nervoso centrale in siti molto specifici [Murray e altri 1986b1. Non viene mostrato un terzo (JOlipeptide (pds) pili piccolo, ancorato alla membrana per mezzo di un derivato del fosfatidilinositolo. La barra verticale spessa indica la regione di attraversamento della membrana. Sotto alle catene ci sono i frammenti Fu e Frz derivati da una parziale proteolisi. Come indicano le linee verticali, la maggior parte del carboidrato è attaccato covalentemente nel dominio centrale in tre siti che sono solfatati, sebbene i punti esatti di solfatazione siano sconosciuti. Attaccato a questi carboidrati vi è l'acido polisialico. Ci sono dei siti di fosforilazione (P) analogamente ai domini del terminale COOH. Le scalette diagonali si riferiscono ai siti di attacco covalente del palmitato. La L-CAM presenta un ulteriore frammento proteolitico (Ftl), e ha quattro siti di attacco per il carboidrato (linee verticali), ma è priva di acido polisialico. E anche fosforilata nella regione terminale COOH. La Ng-CAM viene presentata sotto forma di una catena principale di 200-kD. Ci sono due componenti (135 e 80 kD) probabilmente derivate da un precursore che è stato tagliato dopo la traduzione. Ognuno è in rapporto alla catena principale di 200-kD (che potrebbe essere questo precursore), e la minore è organizzata come mostrato sulla base di un sito di fosforilazione noto. N-CAM
dg NH2
Acido ---~ Legame ---+---~ sialico
17 0kD
dp NH, 14
Dominio citoplasmatico
I
I I S04I
\ 111 PP
I
I I SO.I
\
0kD Fr
NH2
65 kD
NH2
IoSkD
I
Fr
2
L-CAM
Associato _ alla membrana
---~ Legame
NH
2
NH2
124kD 81 kD
Ng-CAM NH2 NH2
ff
III Ft
COOH
I
I / !P
COOH
~
COOH
200kD 135 kD
l"PP
!/
80 kD
PI
COOH
~COOH
90
Capitolo quarto
1'embriogenesi che compare solo nei derivati neuroectodermici, in particolare nei neuroni maturi [Grumet ed Edelman 1984; Grumet e altri 1984]. Una quarta molecola di adesione, la citotactina 9 [Grumet e altri 1985; Crossin e altri 1986] compare nelle cellule gliali in fasi successive dello sviluppo ed è implicata nello scorrimento dei neuroni sulla glia; sembra trattarsi di una proteina della matrice extracellulare o SAM localizzata anche in diverse sedi non neurali [Crossin e altri 1986]. Sono, inoltre, state identificate due CAM supplementari dipendenti dal calcio (le N e P caderine) [Hatta e altri 1985], non ancora caratterizzate chimicamente lO. Tutte le CAM finora identificate sono glicoproteine sintetizzate dalle cellule in cui esplicano la propria funzione. Le N-CAM e le L-CAM sono proteine intrinseche di membrana; questa proprietà non è stata stabilita con sicurezza per le Ng-CAM ". Le N-CAM e, forse, anche le L-CAM si legano tramite meccanismi omofilici 12 (fig. 14 A), cioè, una CAM di una cellula si lega a una CAM identica presente su una cellula adiacente. Mentre il legame delle N-CAM 9 La citotactina è definita anche tenascina [Chiquet-Ehrismann e altri 1986] o J I [Kruse e altri 1985]. La molteplice nomenclatura è dovuta alla sua scoperta contemporanea in laboratori differenti. La denominazione prevalente è tenascina. Una rassegna sulle sue diverse proprietà è presente in Erickson [1993]. Edelman ha continuato a "scrivere la storia" di questa molecola. Data la sua caratteristica e complessa sequenza spaziotemporale di espressione nello sviluppo, ne ha dapprima individuato gli elementi strutturali del controllo genico [Jones e altri 1990] e poi come questi elementi siano controllati piu a monte [Jones e altri 1992a] dai geni homeobox (si veda sopra la nota 4). Un'altra forma di controllo genico deriva dalla saldatura alternativa dell'mRNAche genera tre diverse forme di citotactina, le cui espressioni sono modulate nello spazio e nel tempo [Prieto e altri 1990]. Il comportamento della tenascina è ambivalente, essendo al contempo adesivo e antiadesivo [Lochter e altri 1991], in ragione della sua struttura modulare che'contiene molti siti di legame indipendenti. Il gruppo di Edelman ne ha studiato l'anatomia molecolare [Jones e altri 1988, 1989] determinando i domini da cui è formata e come alcuni di essi favoriscano l'appiattimento dei neuroni e l'estensione dei neuriti, mentre altri lo impediscano [Prieto e altri 1992]. Ha destato sorpresa tra i biologi dello sviluppo la scoperta che l'assenza di tenascina nei topi ingegnerizzati non produce effetti negativi s~llo sviluppo, sull' anatomia, sulla fisiologia e sul comportamento dell' animale [Saga e altri 1992]. IO Le caderine sono state caratterizzate chimicamente (cfr. il Glossario) [per un aggiornamento si veda Hynes 1992]. Il Le Ng-CAM hanno il dominio citoplasmatico, come ha successivamente dimostrato Edelman [Burgoon e altri 199I] e, quindi, sono intrinseche (cfr. il Glossario). , 12 Il repertorio delle potenzialità di legame delle N-CAM si è rivelato piu ampio. E stato, infatti, dimostrato che essa si lega anche con meccanismi eterofilici, oltreché omofilici [Murray e Jensen 1992] e che si lega anche a SAM [Grumet e altri 1993]. Un aggiornamento sui rapporti tra N-CAM e sistema nervoso è rintracciabile in Rutishauser [1993]·
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
91
non dipende dal calcio, le L-CAM dipendono da questo ione tanto per la loro integrità strutturale quanto per il loro legame; queste due CAM primarie non presentano legame o specificità incrociate. Sebbene non sia ancora stato dimostrato, le Ng-CAM, che sono secondarie, possono legarsi ai neuroni con un meccanismo eterofilico, cioè, la Ng-CAM su un neurone si lega a un altro tipo di CAM o a un tipo chimicamente diverso di recettore presente sulla glia [Grumet ed Edelman 1984; Grumet e altri 19 8 4]. Un concetto molto importante [Edelman 1976, 1983, 19 84a, 19 84b] è che la cellula controlla il proprio legame in modo dinamico, e che le CAM agiscono per regolare questo legame con diversi meccanismi di modulazione della superficie cellulare, incluse le modificazioni nella distribuzione delle CAM sulla superficie cellulare, nella loro posizione cellulare ~ polarità, e nella struttura chimica implicata nel legame (fig. 14 B). E stato dimostrato che, in diverse fasi dello sviluppo, tutti questi meccanismi si verificano per un tipo o l'altro di CAM [Edelman 1984a]. L'esempio conosciuto di modulazione chimica riguarda la presenza [Hoffman e altri 1982; Rothbard e altri 1982] di acido polisialico legato alle CAM in tre siti, precisamente nelle posizioni a-2-8 del dominio intermedio della molecola. Nella forma embrionale (E) della N-CAM, biochimicamente eterogenea, ci sono 30 grammi di acido polisialico ogni 100 grammi di proteina, mentre nella forma adulta questo si riduce a IO grammi ogni 100 grammi di proteina; con lo sviluppo, le forme E vengono progressivamente sostituite dalle forme A con ritmi che variano in funzione dell'area cerebrale. Studi in vitro indicano che le N -CAM subiscono un ricambio sulla superficie cellulare e la forma E viene sostituita da quella A, di nuova sintesi, contenente una percentuale inferiore di acido polisialico. Sebbene l'acido polisialico non sia direttamente coinvolto nel legame, le analisi cinetiche [Hoffman ed Edelman 1983] del legame delle vescicole di membrana contenenti N-CAM suggeriscono che, durante lo sviluppo, la conversione dalla forma E alla forma A può rinforzare il legame sino a quattro volte. Sembra probabile che l'acido polisialico, carico negativamente, moduli la conformazione dei siti adiacenti di legame nelle CAM o competa direttamente con il legame omofilico (fig. 14) tra cellule tramite una repulsione di carica [Edelman 1983]. Nella misura in cui la conversione dalla forma E alla A implica la regolazione da parte di enzimi specificati da geni diversi rispetto a quelli che specificano le
r 92
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
Capitolo quarto
N-CAM, e poiché questa variazione implica un ricambio sulla membrana cellulare, la sua influenza sul legame cellulare è, per forza, epigenetica. Ancora piu sorprendente rispetto agli effetti della conversione dalla forma E alla forma A è la dipendenza del legame omofilico da modificazioni nella distribuzione sulla superficie cellulare: se la forma E raddoppia la propria densità sulla membrana si verifica un aumento nella forza di legame superiore a trenta volte [Hoffman e Edelman 19 83]. Questo fenomeno dipende probabilmente da un aumento nella valenza di legame in seguito a un' associazione di tipo
Figura 14. Modalità di legame delle CAM e modulazione della superficie cellulare. A) il legame della N-CAM è omofilico, cioè, si lega al dominio di legame di una N-CAM presente su una cellula opposta. B) Rappresentazione schematica di alcune forme di modulazione locale della superficie cellulare. I diversi elementi rappresentano una glicoproteina specifica (per esempio, una N-CAM) sulla superficie cellulare. La sequenza superiore illustra la modulazione per mezzo della modificazione della diffusione e della distribuzione di una molecola specifica sulla superficie cellulare. La sequenza inferiore illustra la modulazione per mezzo di modificazioni chimiche con la comparsa di forme nuove o simili (triangoli) della molecola con attività alterate. La modulazione locale si distingue dalla modulazione globale, che coinvolge tutta la membrana, e che influisce su diversi recettori indipendentemente dalla loro specificità. Superficie cellulare
A)
Modulazione locale della superficie cellulare
B)
)J.1-tt-~
Distribuzione o posizione
~-~
Modificazione chimica
93
cis 13 tra due o piu CAM polipeptidiche sulla superficie cellulare. Studi equivalenti effettuati su diverse specie di vertebrati [Hoffman e altri 1984] indicano che il meccanismo di legame delle N-CAM si è conservato nel corso dell'evoluzione. Gli effetti non lineari di legame, derivanti da una modulazione nella chimica e nella distribuzione delle molecole di adesione, rendono possibile un' efficace commutazione locale degli stati di legame cellulare, un meccanismo compatibile con la teoria secondo cui le CAM agiscono come sensibili regolatori dinamici dell'aggregazione e del movimento cellulare. Dimostrazioni recenti indicano che si può verificare anche un' altra forma di modulazione delle N-CAM, tramite saldature (splicings) alternative di una molecola di RNA specificata da un unico gene. L'ipotesi della modulazione sottolinea come bastino pochi geni per regolare l'espressione delle CAM e, quindi, non siano necessarie grandi famiglie geniche specificanti le diverse versioni di ciascuna di queste proteine. L'analisi dei cloni di cDNA delle CAM note concorda finora con questa teoria. I dati [Murray e altri 1984] indicano che, nel topo, l'unico gene per la N-CAM è localizzato sul cromosoma 9 [D'Eustachio e altri 1985] mentre nell'uomo sul cromosoma I I [Nguyen e altri 1986] e ci sono, al massimo, tre geni (forse meno) per la L-CAM [Gallin e altri 1985]. Quindi, avendo dimostrato che esiste un unico gene che codifica per le N-CAM, è probabile che le diverse forme polipeptidiche della N -CAM derivino da eventi di saldatura alternativa dell'RNA. L'informazione sulla sequenza delle basi indica che le due maggiori forme polipeptidiche di N -CAM (le catene dg e dp) differiscono per l'ampiezza del loro dominio citoplasmatico, ma sono simili o identiche nelle altre sequenze [Hemperly e altri 1986b]; dati ancora piu attuali [Hemperly e altri 1986a] indicano che si genera, sempre per saldatura alternativa, una terza catena (pds) priva del dominio citoplasmatico e ancorata alla superficie cellulare per mezzo di prodotti intermedi del metabolismo del fosfatidilinositolo 14. Se consideriamo che il dominio grande (dg) polipeptidico (si veda la fig. 13) è esclusivo del sistema nervoso [Murray e altri 1986b] e 13 L'associazione cis riguarda CAM dislocate sulla membrana della stessa cellula e interagenti lateralmente, mentre l'associazione trans è un legame tra CAM appartenenti a membrane di cellule adiacenti o contigue. 14 Le proteine associate alla membrana cellulare, di cui le CAM sono un esempio, possono presentare tre regioni o domini: il dominio citoplasmatico, che è la porzione di proteina rivolta all'interno della cellula, il dominio transmembrana, cioè la parte che attraversa la membrana plasmatica della cellula, e il dominio extracellulare, implicato nel legame, qualora si tratti di proteine di adesione.
94
Capitolo quarto
viene espresso in siti neurali diversi rispetto a quelli in cui sono espresse le catene polipeptidiche a dominio piccolo (dp), nasce la stimolante possibilità che nel sistema nervoso si verifichi una forma specifica di modulazione della superficie cellulare per mezzo di segnali che inducono saldature alternative dell'RNA, le quali, a loro volta, modificano la percentuale di catene dg e dp sulle cellule poste in aree specifiche del sistema nervoso. Studi recenti [Murray e altri I986a, I986b] hanno rinforzato questa interpretazione: sebbene non siano ancora stati verificati legami di neuroni aventi differenti catene di N-CAM, ci attenderemmo che i legami stessi siano influenzati da interazioni differenziate con il citoplasma da parte delle due catene polipeptidiche che, per il resto, hanno identiche proprietà di legame. Tali interazioni, in particolare con il citoscheletro, potrebbero modificare 1'aggregazione o la valenza delle catene sulla superficie cellulare influendo sul legame o sul movimento cellulare. Sembra che le prime fasi della regolazione dei rispettivi geni strutturali siano all'origine del controllo dell'espressione delle CAM nei fenomeni di saldatura dei frammenti genici e, forse, nel controllo della velocità di ricambio dell'mRNA. Recentemente, allo scopo di individuare a quale livello viene controllata l'espressione della NCAM, è stato impiegato un sistema perturbativo che utilizza dei mutanti termosensibili del virus del sarcoma di Rous, il quale trasforma alcune linee cellulari del cervelletto di ratto [Greenberg e altri 1984]. I risultati [Brackenbury e Edelman, osservazioni non pubblicate] concordano con la teoria secondo cui la maggior parte del controllo avviene nella fase di trascrizione". Tutti i fatti riguardanti la modulazione delle CAM sulla superficie cellulare sono sintetizzati nella tabella 5 e in un diagramma (fig. 14 B) che rappresenta una modulazione locale della superficie cellulare [Edelman 1976, 1983, I984a]. Il concetto di fondo è che, nel corso dello sviluppo, le CAM varino nel numero di molecole per cellula, nel tipo di dominio citoplasmatico, nei siti di attacco alla membrana e nella distribuzione nelle varie parti della cellula, o che, in alternativa, siano soggette a modificazioni chimiche post-traduzionali della struttura; ciascuna di queste modulazioni da parte della cellula può modificare il comportamento di legame. La modulazione del legame delle CAM in risposta a segnali locali può modificare la dina" Lo studio del controllo della espressione genica di N-CAM ha consentito di individuare elementi di regolazione positiva e negativa in diverse specie animali (topo, ratto, uomo) e specifici per i diversi tipi cellulari [Hirsh e altri 1990l.
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
95
mica e le interazioni di quei processi primari di sviluppo che agiscono come forza trainante, causando successive modificazioni nella forma. Tali meccanismi di modulazione sono compatibili con le teorie della morfogenesi basate su eventi epigenetici [Edelman I9 8 4a , I9 84b, I9 85 b], piuttosto che sull'esistenza di marcatori di posizione specifici in ogni cellula, suggeriti in passato quale fondamento della Tabella 5. Meccanismi di modulazione delle CAM. Meccanismo
Effetto
Esempi
Bibliografia
Aumento o diminuzione nella forza di legame
Legame omofilico della N-CAM; aumento della forza da due a trenta volte
Edelmanealtri 1983; Hoffman e Edelman 19 83
Distribuzione (variazione nella sintesi o nella espressione sulla superficie cellulare)
Distribuzione differenziale (variazione nella e- Formazione dei Regole di espressio- Chuong e Edelman spressione relativa di confini per insiemi nedelleCAM 198 5a , 1985b; DaniCAM aventi diffe- cellulari N-CAM/Ng-CAM loff e altri 1986a rente specificità sulla stessa cellula)
Modulazione del dominio citoplasmatico (modificazione in Espressione selet- Espressione selettiampiezza e struttura tiva deilolipepti- va della catena dg del dominio citopla- di dg o p; intera- di N-CAM negli smatico tramite sal- zione ci toschele- strati del cervelletto datura dell'RNA) trica modificata (?)
Murray e altri 1986b
Polarità (variazione della se- Localizzazione del Piastra motoria terde su regioni selezio- legame sulla cel- minale (N-CAM); nate della cellula) lula estensione neuritica e margine guida (Ng-CAM); cellule pancreatiche esocrine
Rieger e altri 1985; Danilhoff e altri 19 86a
Chimico
(variazione post-tra- Velocità di legame Conversione E-A di Chuong e Edelman duzionale nella strut- modificate; annul- N-CAM: perdita di 1984; Hoffman e altura) lamento del lega- 2/3 dell'acido poli- tri 1982 me (?) sialico -+ aumento di quattro volte del legame
96
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
Capitolo quarto
specificità neurale [Sperry 1963, 1965; si veda Easter e altri 19 8 5]. Tuttavia, è importante sottolineare che la modulazione non esclude l'esistenza di legami specifici per le CAM, necessari nella formazione dei confini tra gruppi cellulari adiacenti.
3. Le sequenze di espressione delle CAM nel corso della embriogenesi e della neurogenesi. Se è vero che la modulazione delle CAM sulla superficie cellulare indirizza il cammino della morfogenesi, allora, durante lo sviluppo, dovremmo osservare delle configurazioni di espressione delle CAM ben definite. Sebbene ci manchino ancora i dati sufficienti sui tempi di trascrizione del gene per le CAM nei diversi siti embrionali, tuttavia, le indagini immunocitochimiche hanno consentito di disegnare le correlazioni temporali e spaziali tra l'espressione delle CAM sulla superficie cellulare, le aree di induzione embrionale e i principali eventi istogenetici. Descriveremo in primo luogo la sequenza principale di espressione per l'embrione nel suo complesso (si veda la fig. 15), valutando poi esempi piu mirati riferiti alle sequenze istogenetiche nel sistema nervoso. Nel pollo non è stata documentata la comparsa delle CAM in fasi molto precoci, mentre nel topo le L-CAM compaiono già allo stadio di due cellule [Shirayoshi e altri 1983], mentre le N-CAM compaiono dopo, nelle fasi che precedono l'induzione neurale \6. Sia le NCAM che le L-CAM sono presenti in modesta quantità nel blastoderma di pollo, prima della gastrulazione. In questa fase embrionale, quando le cellule attraversano la linea primitiva, diminuisce la quantità di ciascuna delle CAM individuabile sulle cellule migranti [Thiery e altri 1982; Edelman e altri 1983; Edelman 1984a; Crossin e altri 19 85], riflettendo presumibilmente il fatto che ne è diminuita l'espressione (down-regulation) oppure che sono state mascherate. Questo fenomeno è chiaramente individuabile nelle cellule mesoblastiche destinate a formare il mesoderma. I. L'induzione neurale è un fenomeno dello sviluppo conosciuto da parecchi decenni [Spemann 1938], ma la cui natura molecolare è rimasta a lungo enigmatica, tant'è che, ancora recentemente, nella terza edizione del piu completo testo di neurobiologia dello sviluppo si afferma che «i meccanismi biochimici dell'induzione neurale sono attualmente sconosciuti» Uacobson 19913, p. 24]. Tuttavia, piu recentemente, sono state identificate due sostanze, l'attivina e la noggina [Lamb e altri 1993; per una rassegna cfr. Green 1994], che hanno molti requisiti per essere considerati dei veri induttori neurali.
97
Al termine della gastrulazione e in coincidenza con l'induzione neurale, la distribuzione delle due CAM primarie cambia significativamente. Nella piastra e nella doccia neurale aumenta la marcatura immunofluorescente per le N-CAM e, parallelamente, scompare il segnale per le L-CAM. In maniera complementare, la marcatura per le L-CAM è piu intensa nell'ectoderma circostante mentre si affievolisce in parte la marcatura per le N-CAM (fig. 15 e 16). La migrazione delle cellule della cresta neurale [Le Douarin 1982] si accompagna a una diminuzione dell'espressione o a un mascheramento delle N-CAM sulla superficie cellulare [Thiery e altri 1982]. I cosiddetti placòdi, destinati a originare strutture neurali specializzate, esprimono inizialmente entrambe le CAM, ma alla fine perdono le L-CAM in quelle regioni che stanno differenziandosi in senso neurale [per uno studio approfondito del placòde otico, cfr. Crossin e altri 1987; Richardson e altri 1987]. Un po' piu avanti nello sviluppo, a neurulazione avvenuta, tutti i siti di induzione Figura 15. La sequenza principale nella espressione delle CAM. Diagramma schematico che illustra la sequenza temporale di espressione di alcune CAM importanti nel corso della embriogenesi del pollo. I cunei verticali a sinistra riportano a grandi linee la quantità relativa di ciascuna CAM nelle diverse parti dell' embrione - per esempio, la linea che si riferisce al blastoderma presenta sia N-CAM che L-CAM, ma quella riferita al rieuroectoderma ha una percentuale relativamente elevata di N-CAM ma poco o nulla di L-CAM. Dopo l'induzione primaria, N-CAM e L-CAM divergono nella distribuzione cellulare e vengono modulate nella loro diffusione nelle diverse regioni di induzione secondaria (t~) o di fatto diminuiscono enormemente (O) alla comparsa del mesenchiffia o al verificarsi della migrazione. Bisogna notare che i placòdi, in possesso di entrambe le CAM, riecheggiano gli eventi osservati per l'induzione neurale. Poco prima della comparsa della glia, viene espressa una CAM secondaria (Ng-CAM). Nella fase perinatale, si verifica una serie di eventi epigenetici di modulazione: la conversione dalla forma E alla forma A per le N -CAM e la ridistribuzione polare per le L-CAM. Tempo N(L~O)
N
DistribUZione relativa
~ •• '! .••••
..D.
N·cAMII O
1
Blastoderma
/ (L-CAM
!
+ N-CAM)
Conversione da E ad A
Ng·CAM
(Modulazione della polarità)
Ectoderma neurale }
Placodi neurali MEA '\
L-CAM Il
w-.,
Ectoderma non neurale }
L(N~O)
Induzione primaria
Induzioni secondarie
Fase perinatale
Mesoderma
Modulazione della polarità
Endoderma
98
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
Capitolo quarto
secondaria mostrano dei cambiamenti nella distribuzione sulla superficie cellulare delle N-CAM, delle L-CAM o di entrambe (fig. 15). Per esempio, il margine ectodermico apicale della gemma dell'arto esprime entrambe le CAM quando viene indotta la formazione dell' arto. Quando le cellule della cresta neurale migrano come ectomesenchima sulla loro superficie non viene segnalata la presenza di NCAM. Le N-CAM vengono poi riespresse, o smascherate, nei siti dove le cellule formeranno i gangli [Thiery e altri 1982]. In analogia, le cellule mesenchimali secondarie migranti - per esempio, quelle destinate a indurre i placòdi delle penne - perdono le N-CAM, riacquistandole quando si trovano contigue all' ectoderma, positivo per le LCAM, dopo la formazione degli addensamenti dermici [Chuong e Edelman 1985a, 19 8 5b]. In certe fasi una cellula può esprimere i due tipi di CAM, come si osserva per le CAM primarie nel blastoderma di pollo, per le NgCAM e le N-CAM sui neuroni. Nella formazione delle penne e nell'induzione degli annessi faringei e intestinali, le cellule derivanti dall'ectoderma o dall'endoderma possono esprimere simultaneamente L-CAM e N-CAM; lo stesso dicasi per il mesoderma del rene Figura 16. Variazione nella distribuzione delle N-CAM e delle L-CAM nella fase di formazione della piastra (induzione neurale) e della doccia neurale (neurulazione). A) Sezione trasversale della piastra neurale (pn) e della doccia neurale (dn). Le N-CAM sono presenti in grandi quantità nel cordomesoderma e nell' ectoderma neurale e in quantità modeste nell'ectoderma (ec) e nel mesoderma adiacente. B) La marcatura per le L-CAM scompare dall'ectoderma neurale e nella doccia neurale e rimane confinata all'ectoderma non neurale (ec). Prima di questi eventi, le N-CAM e le L-CAM erano presenti in tutte le regioni del blastoderma che originano a queste strutture.
99
[Crossin e altri 1985]. In generale, l'espressione delle CAM è dinamica e varia in modo che l'una o l'altra CAM tenda a scomparire durante la maturazione di tali tessuti verso lo stadio adulto 17. A questo punto possiamo correlare queste nozioni di embriologia molecolare e lo sviluppo delle strutture neurali, insieme alla loro variazione. Nell'àmbito della sequenza di espressione appena descritta, possiamo distinguere nel sistema nervoso un insieme di microsequenze (tab. 6), soprattutto quando si verificano gli eventi istogenetici del differenziamento cellulare. Dopo l'induzione neurale e la neurulazione (fig. 16), le N-CAM si manifestano in tutto il sistema nervoso. Nel pollo, allo stadio di sviluppo E 3,5 18 , la Ng-CAM, sècondaria, [Grumet e altri 1984] compare sui neuroni che già esprimono la N-CAM [Thiery e altri 1985; Daniloff e altri 1986a]. Sebbene la Ng-CAM, presente nelle associazioni neurone-neurone e neurone-glia in vitro, sia evidenziata solo sui neuroni maturi, è rintracciabile sulle stesse superfici cellulari in cui sono presenti le NCAM [Grumet e altri 1984]. Nel SNC, le Ng-CAM si trovano principalmente sui neuriti in estensione mentre vengono notate appena, se non per nulla, sul corpo cellulare. Questa modulazione della polarità (tab. 5) si riscontra anche in cellule note per la loro facoltà di migrare lungo la glia radiale, come accade, per esempio, nel cervelletto o nel midollo spinale. Nel sistema nervoso periferico ci troviamo di fronte a un quadro diverso; dopo essere comparse, le Ng-CAM rimangono espresse sui neuriti e sui corpi cellulari [Thierye altri 1985; Daniloff e altri 1986a]. Queste osservazioni indicano che le Ng-CAM compaiono con una microsequenza coerente rispetto alle sequenze di sviluppo note dell' estensione dei neuriti e della migrazione cellulare [Thiery e altri 1985; Daniloff e altri 1986a]. L'ordine con cui sono espresse, illustrato nella tabella 6, si verifica in ogni animale. Questa sequenza ordinata suggerisce che dei segnali locali correlati alla maturazione cellulare e a fattori di crescita prodotti da precursori gliali siano responsabili della comparsa e della notevole modulazione nella distri17 La regolazione dinamica della N-CAM nello sviluppo neurale viene confermata. Per esempio, nello sviluppo del topo si verificano due ondate di espressione di N-CAM: in fasi precoci (stadio E 8 - E 8,75) la N-CAM è espressa nel midollo spinale, dal livello caudale a quello cefalico, mentre il metencefalo non la esprime, e in una seconda ondata N-CAM è individuata solo nei neuroni maturi, indicando che N-CAM può specificare l'informazione di posizione nel tubo neurale in formazione [Bally-Cuif e altri 1993]. 18 Stadio E 3,5, significa tre giorni e mezzo di sviluppo embrionale.
A)
B)
100
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
Capitolo quarto
Tabella 6. Distribuzioni delle CAM primarie e secondarie con 1'età durante la morfogenesi neurale. Ng.CAM(20)
N·CAM(,O) Età
Giorni
Stadio
O
Blastoderma
Derivati non neurali
Derivati neurali
N otocorda, somite Mesoderma della piastra laterale Miocardio Mioblasto Comparsa transitoria sui: placodi tubuli mesonefrici miotubi
Piastra neurale Tubo neurale Cresta neurale: scompare dalle cellule migranti della cresta neurale; riçompare nella cresta neurale riaggregantesi
2
-I-
13
4
-I-
23
'l' 8
34
12 -+- 38
Cervelletto: fibre intrinseche
-t-
18
N-CAM concentrata nella piastra terminale su: Muscolo striato Muscolo cardiaco Testicolo Ovidutto
40
"l' nascita
A
Rimane su tutti i sistemi nervosi successivi
Midollo spinale: corpi cellulari dorsali
-+- 36
I4
l
Gangli delle radici dorsali Retina: fibre afferenti Tetto: fibre afferenti ed efferenti
Olfattivo: nervi e tratti di fibre Cervelletto: tratti di fibre afferenti ed efferenti
IO
E
Midollo spinale: corpi cellulari ventrali e neuriti Gangli simpatici Tetto: fibre intrinseche
44
+
-1
46
adulto
Cervelletto: cellule migranti Retina: Fibre intrinseche Midollo spinale: efferenti collaterali alla sostanza grigia Diminuisce nel midollo spinale: tratti mielinizzati Diminuisce nei tratti di fibre mielinizzati del cervelletto e del tetto Prevalente in: midollo spinale, retina, tetto, cervelletto, bulbo 01fattivo, tratti di fibre non mielinizzati, gangli, nervi periferici
101
buzione delle Ng-CAM sulla superficie cellulare. Infatti, studi recenti [Friedlander e altri I986] hanno dimostrato che le Ng-CAM, le quali mediano la fascicolazione dei neuriti e le interazioni tra neuroni e glia, sono presenti nella linea di cellule nervose PC I 2, e che il fattore di crescita nervoso (NGF) ne aumenta l'espressione su questo tipo di cellule. Vi è, a proposito, una concordanza con la dimostrazione compiuta nello stesso studio secondo cui le Ng-CAM sono identiche alla glicoproteina, denominata NILE 19, già nota per essere inducibile dall'NGF. Nella fase critica dello sviluppo, in cui compaiono le Ng-CAM, si notano delle variazioni di minor entità e pili durature nella distribuzione delle N-CAM su diverse superfici cellulari. Inoltre, la catena dg compare solo in aree particolari, come, per esempio, lo strato molecolare del cervelletto in sviluppo [Murray e altri I986b]. In fasi successive della microsequenza (tab. 6), quando molti tratti del sistema nervoso si sono consolidati e le fibre nervose si stanno mielinizzando, le Ng-CAM, identificate con i metodi immunoistochimici, diminuiscono sulla superficie delle cellule presenti in quei tratti del SNC destinati a diventare sostanza bianca. Questa riduzione non è stata osservata nel sistema nervoso periferico. Pili o meno contemporaneamente le N-CAM si convertono dalla forma E alla forma A [Chuong ed Edelman I984; Daniloff e altri I986a], una modificazione chimica post-trascrizionale di cui abbiamo già parlato, che in vitro aumenta la forza di legame e che, probabilmente, trasforma in modo analogo la funzionalità delle CAM in vivo. I! risultato netto che si determina con le varie forme di modulazione sulla superficie cellulare (tab. 5) che si verificano nello sviluppo, se ci riferiamo alle due CAM neuronali meglio indagate, è una sorprendente variabilità della loro distribuzione nella maggior parte delle aree del SNC (tab. 6). Viceversa, nelle aree del SNC plastiche (come il bulbo olfattivo) che, anche nell'adulto, analogamente al sistema nervoso periferico, hanno le potenzialità per formare nuove connessioni, la distribuzione relativa delle due CAM non varia. Sono state disegnate [Daniloff e altri I986a] delle mappe che illustrano le variazioni e le conservazioni in molte aree cerebrali del pollo. Dati recenti indicano che, in tempi e in tessuti particolari, si pos19 NILE è l'acronimo di Neroe growth factor Inducible Large External glycoprotein (grande glicoproteina esterna inducibile daII'NGF). NlLE e LI sono la stessa molecola, scoperta in laboratori diversi, la prima nel laboratorio di Gerald Edelman, la seconda nel laboratorio di Melitta Schachner (Bock e altri 1985].
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
Capitolo quarto
102
sono esprimere delle proteine della matrice extracellulare (o molecole di adesione del substrato, SAM) che modificano la forma con meccanismi di modulazione. Per esempio, la glicoproteina citotactina compare, in stadi embrionali precoci, nelle lamine basali, nella muscolatura liscia e nel SNC [Grumet e altri 1985; Crossin e altri 19 86]. Questa molecola, che è chiaramente una proteina esterna, distinguendosi in questo dalle CAM, compare a circa nove giorni di vita nella glia del cervello di pollo. La citotactina media l'adesione neurone-glia in vitro e anticorpi direttigli contro bloccano o ritardano la migrazione dei granuli esterni sulla glia di Bergmann in sezioni di tessuto del cervelletto [Chuong e altri 1987]. Questa proteina della matrice può cOSI essere una SAM implicata nella migrazione neuronale sulla glia radiale in vivo. Come vedremo piu avanti, la Ng-CAM non si lega a questa proteina gliale, ma sembra anch' essa svolgere un 'ruolo obbligato (e possibilmente selettivo) nella migrazione dei granuli esterni sulla glia radiale del cervelletto. Il complesso di questi risultati concorda con la teoria secondo cui la regolazione dell' espressione delle molecole di superficie (come le CAM e le SAM), che mediano l'adesione e promuovono o controllano la migrazione, è un fattore chiave nella coerenza e nella variabilità della modellazione del sistema nervoso. I dati sulle microsequenze nel sistema nervoso dimostrano che gli eventi modulatori sulla superficie, e l'espressione delle CAM e delle SAM possono verificarsi in piccole popolazioni cellulari seguendo un ordine definito. Questa conclusione è rinforzata da ulteriori studi svolti sulle microsequenze di espressione di CAM primarie durante l'istogenesi della penna [Chuong e Edelman, 1985a, 1985b] (si veda la fig. 18) e sulle interazioni neuromuscolari mediate dalle NCAM 20 [Rieger e altri 1985] (si veda la fig. 17) che suggeriscono, inoltre, come la sequenza dei segnali di espressione delle CAM sia ben localizzata nel tempo e nello spazio. 4.
e gli eventi morfogenetici fondamentali, non indicano direttamente il ruolo causale delle CAM nella morfogenesi del sistema nervoso. Se la consideriamo a priori, l'espressione delle CAM potrebbe essere tanto una causa quanto un effetto; perciò, se l'espressione delle CAM avviene seguendo un percorso ciclico e in parallelo ad altri processi, potrebbe essere contemporaneamente causa ed effetto. Attuando esperimenti perturbativi e identificando e caratterizzando i regolatori dei geni che codificano le CAM possiamo impostare la ricerca degli appropriati segnali di attivazione, e possiamo perciò studiare le sequenze causali dei controlli cellulari che influiscono sulla struttura neurale. Nelle sezioni successive del capitolo riassumeremo alcune osservazioni importanti sulla perturbazione delle CAM attinenti alloro ruolo causale, e delineeremo un modello di regolazione delle CAM verificabile nei sistemi di induzione embrionale. Questo modello, che fa parte dell'ipotesi dei regolatori, è una componente importante della teoria della selezione dei gruppi neuronali, poiché ci consente di dare un fondamento alla conservazione e alla variàbilità della struttura. In alcuni sistemi sono stati effettuati esperimenti di perturbazione della funzione o dell'espressione delle CAM [Edelman 1983, 1984a, 1985b]. Se si addizionano anticorpi anti-L-CAM essi impeFigura 17. N-CAM nella piastra motoria terminale e variazioni della distribuzione nel muscolo dopo denervazione [Rieger e altri 1985; Daniloff e altri 1986bl. Sezioni trasversali del muscolo gastrocnemio di pollo marcati con anticorpi policlonali anti-N-CAM (A-C) dimostrano che la superficie delle fibre muscolari è debolmente marcata nei muscoli normali di pollo (A). Il riquadro illustra un preparato di fibre muscolari (x 7) di pollo normale adulto. La superficie muscolare è debolmente marcata con anti-N-CAM; una piastra motoria terminale (freccia aperta) e diverse cellule mononucleate, probabilmente cellule satelliti (freccia chiusa), sono intensamente marcate. Dieci giorni dopo la resezione del nervo sciatico, si è verificato un cospicuo aumento nell'intensità per N-CAM (B); la situazione ritorna normale dopo 150 giorni (C). Barra di calibrazione = 50 iJ.m [da Daniloff e altri 1986bl.
Gli effetti della funzione delle CAM.
Le sequenze di espressione, pur rivelando una correlazione fra i tempi di comparsa delle CAM, la loro modulazione sulla superficie 20 Nella Drosophila è stata individuata una nuova molecola di adesione, la connettina, coinvolta nel riconoscimento neuroni - cellule muscolari durante lo sviluppo delle connessioni neuromuscolari [Nose e altri 1992l ed è, come la N-CAM, controllata a
monte dai geni omeotici [Gould e White 199 2].
10 3
A)
B)
C)
r-.
104
Capitolo quarto
discono un'aggregazione istiotipica della cellule epatiche" [Bertolotti e altri 1980]. Gli anticorpi anti-Ng-CAM disgregano l'organizzazione fascicolare delle fibre nervose in vitro [Hoffman e altri 1986], e gli anticorpi anti-N-CAM disorganizzano gli strati della retina di pollo espiantata in coltura [Buskirk e altri 1980]. Anticorpi anti-N-CAM interrompono in vitro la formazione delle mappe retinotettali di rana [Fraser e altri 1984]. La somministrazione di anticorpi anti-Ng-CAM in vivo a fette di cervelletto inibisce il normale movimento delle cellule granulari esterne lungo la glia radiale verso lo strato dei granuli interni [Hoffman e altri 1986]; questi anticorpi 21 L'utilizzo di anticorpi per neutralizzare 1'azione di una proteina e poterne studiare la fisiologia è stato impiegato nel passato, tuttavia, nel caso delle molecole adesive gli anticorpi possono emulare l'azione dei ligandi naturali e innescare delle risposte intracellulari [Schuch e altri 1989]. Questo è uno dei motivi per cui lo studio di queste molecole si è spostato verso la perturbazione a livello genico (gene targeting) o a livello dell'mRNA (nucleotidi antisenso). Si è scoperto che l'assenza di N-CAM nei topi ha l'effetto di ridurre del 10% il peso del cervello e del 36% le dimensioni del bulbo olfattivo e di causare un deficit nell'apprendimento spaziale [Tomasiewicz e altri 1993; Cremer e altri 1994] ma non nel comportamento motorio.
A ~\.,lV
v
O°'\.)r}P
\.)
OOOOOCPo O O
~ . 00 002;0.0°0°
00000 00(90 ~ °0° 00°0°00
°O
O
O
Figura 18. Ruolo causale delle CAM nel modulare l'induzione embrionale e nel delimitare i confini. A-B) Perturbazione della configurazione di induzione della penna nel mesoderma aggregato con N-CAM per mezzo di anti L-CAM che agiscono sull'ectoderma aggregato dalla L-CAM. Preparati interi di espianti di pelle di pollo in coltura sono stati mantenuti, fissati, marcati e osservati in luce trasmessa. Con la comparsa dei germi di induzione della penna, le condensazioni dermiche positive per la N-CAM inducono l'ectoderma positivo per la L-CAM. A) Pelle di embrione di sette giorni coltivata per tre giorni con I mgJml di Fab' non immune. B) Pelle di embrione di sette giorni coltivata per tre giorni con un mezzo contenente I mgfml di Fab' anti L-CAM. C) Ricalco del modello di condensazione del riquadro A. D) Ricalco del modello di condensazione del riquadro B. Notare, dopo la perturbazione, la trasformazione della conformazione da una disposizione esagonale dei condensati circolari a una disposizione a strie; è una dimostrazione del ruolo causale delle CAM in risposta all'induzione. E-F) Sezioni trasversali dei follicoli presenti nella fase tardiva di sviluppo nella penna dell' ala di un pollo dopo la schiusa, la quale evidenzia sequenze alternate di espressione di L-CAM (E) e di N-CAM (F) nel corso dell'istogenesi della penna nell'adulto. Le stesse sezioni sono state marcate con anticorpi fluorescenti diretti contro entrambe le CAM. La posizione delle barbule (br) inizia dal lato dorsale (il lato con il rachide) e progredisce bilateralmente verso il lato ventrale, creando un gradiente di maturazione dorsoventrale. La formazione delle barbule originatesi per ultime è indicata dalle frecce ricurve. L'anti L-CAM (E) marca tutte le cellule dell'epitelio della barbula. Una marcatura chiara anti-N-CAM inizia a comparire (F) nelle valli tra coppie di barbule. La comparsa delle N-CAM inizia circa a otto creste di distanza dall'ultima cresta formatasi e aumenta l'intensità di marca tura e la distribuzione dorsale finché non raggiunge il rachide (rc). Infine, tutte le aree cellulari che esprimono le L-CAM diventeranno cheratinizzate, e tutte le aree cellulari che esprimono le N-CAM moriranno.
B
OaO O
ooooooogo
OOood>o'OO.oO O O 0°00 o. O
go0cF O:6o~aQ~O~OO 0°0°0°0 00
P
oogo~ooo
ébooOoooO
01]0000 0°
C
0°0°0 QCPOOcP /"'\0_°
D
,
•,
l'C
r
• p
JI. F
"
r 106
Capitolo quarto
sembrano prevenire l'ingresso delle cellule nello stato molecolare. Analisi cinetiche hanno dimostrato che l'anticitotactina (e, in qualche misura, l'anti-Ng-CAM) rallentano la migrazione dei granuli già presenti nello strato molecolare [Chuong e altri 1987]. Queste osservazioni ci indicano che l'espressione contemporanea delle CAM e delle SAM, da parte dei neuroni e della glia rispettivamente, svolge un ruolo nei movimenti morfogenetici. Quando alcuni tipi di cellule nervose, comprese alcune linee cellulari di cervelletto, sono state trasformate con una forma mutante termosensibile del virus del sarcoma di Rous [Greenberg e altri 1984], se mantenute alla temperatura non permissiva, hanno conservato la loro morfologia tipica, gli stessi livelli di N-CAM dell'adulto e una normale tendenza ad aggregarsi. Invece, alla temperatura permissiva, le cellule si sono trasformate e, in poche ore, hanno ridotto Ja densità superficiale delle N-CAM e sono diventate piu mobili. E stato possibile ottenere un modello di aggregazione simile a quella delle cellule nella coltura originale spostando le cellule dalla temperatura non permissiva a quella permissiva. Tutti questi studi stanno perciò a dimostrare che l'alterazione della funzione delle CAM e delle SAM può disgregare la· morfologia. Se è corretta la teoria per cui la modulazione è alla base della struttura tissutale, ne consegue altresi che la regolazione dei livelli e dei siti di espressione delle CAM deve, a propria volta, dipendere dalla morfologia, cioè, dall'integrità del tessuto e dall'interazione collettiva di cellule scambiantisi reciprocamente dei segnali. A conferma di questa teoria si è scoperto che la perturbazione delle normali interazioni cellula-cellula e dello stato di aggregazione dei tessuti in vivo modifica l'espressione e la distribuzione delle CAM. Per esempio, le N-CAM sono presenti nella piastra terminale dei muscoli striati [Rieger e altri 1985], ma sono assenti sul resto della miofibrilla. Dopo la resezione del nervo sciatico, diminuisce la quantità di N-CAM nella piastra terminale, aumenta la marcatura per le N-CAM nel citoplasma e la molecola appare sulla superficie cellulare (fig. 17). Studi piu recenti sulla generazione e rigenerazione del nervo periferico indicano rilevanti cambiamenti nell'espressione delle N-CAM, delle Ng-CAM e della citotactina sulle cellule di Schwann nel punto della resezione, e che profonde modificazioni si verificano nei gangli delle radici dorsali e nel corno ventrale del segmento operato [Daniloff e altri 1986b]. Tutte queste scoperte dimostrano che la perturbazione della morfologia può essere accompagnata da un'alterazione della modulazione e dell'espressione delle CAM.
I fondamenti della variabilità nello s~iluppo
107
Inoltre, variazioni nella modulazione delle CAM sono state individuate in difetti genetici che si ripercuotono sulle connessioni neurali. Nella forma mutante di topo, definita staggerer 22 , che nel cervelletto presenta difetti nelle connessioni tra le fibre parallele e le cellule del Purkinje, accompagnati dalla morte di un cospicuo numero di granuli, la conversione dalla forma E alla A (o modulazione chimica) viene enormemente ritardata [Edelman e Chuong 1982]. Le N-CAM, le Ng-CAM e la citotactina sono colocalizzate, in base a una distribuzione specifica, nei nodi di Ranvier [Rieger e altri 1986]. Nei mutanti demielinizzanti di topo, come nel caso della forma trembler2J e nella patologia della piastra motoria (med) 24, le distribuzioni di queste molecole risultano alquanto modificate, evidenziando anormali relazioni tra neuroni e cellule di Schwann. Gli esperimenti di perturbazione forse piu sorprendenti sono quelli in cui (fig. 18) sono stati impiegati anticorpi diretti contro le L-CAM su espianti di cute prelevati da un pollo di sei giorni [Gallin e altri 1986]. L'epidermide è coesa dalle L-CAM, e gli addensamenti mesenchimali, induttori del mesoderma, inizialmente negativi per le N -CAM, tendono a esprimere le N -CAM non appena inducono le gemme della penna secondo una struttura esagonale [Chuong ed Edelman 1985a, 1985b]. Analoghe regolazioni nell' espressione di ciascuna CAM sono state osservate nei confini dei tessuti in diversi stadi successivi dello sviluppo della penna, che culmina nella formazione delle barbe e delle barbule (fig. 18 A-F). Durante l'ultimo stadio dell'induzione della penna si è osservato che, in coltura, anticorpi diretti contro le L-CAM (che non possono agire direttamente sul mesoderma) causano la formazione di strie di addensamento mesodermico, scompaginando la normale struttura esagonale (fig. 18 A-D). Dopo aver consentito alle colture di crescere per dieci giorni senza alcun trattamento si sono sviluppate delle strutture 22 Ossia, barcollante, dato l'effetto di questa mutazione sul comportamento del topo. Tale difetto, conosciuto da molti anni, sembra dipendere proprio da una mutazione nellocus genico della N-CAM presente nel cromosoma 9 del topo [D'Eustachio e Davisson, 1993]. Questo è un primo esempio delle possibili ricadute positive per la neurologia clinica, oltreché per la comprensione dello sviluppo, derivante dalla conoscenza della fisiologia delle molecole di adesione, e il cui sbocco sarà la terapia genica (cfr. il Glossario) [Schachner 1994; Fisher e Ray 1994; per una rassegna sulla genetica molecolare in neurologia si veda Martin 1993]. 23 La forma trembler (tremolante) del topo ha una forte analogia con una patologia demielinizzante nell'uomo, la Charcot-Marie-Tooth di tipo la. In entrambe le forme è stato individuato un difetto a carico· del gene che codifica la molecola di adesione PMP-22 [Suter e altri 1992]. 24 Med è l'acronimo di motor endplate disease (patologia della piastra motoria).
r
IOS
Capitolo quarto
filamentose regolari simili ai precursori della penna. Al contrario, le colture perturbate dall'anticorpo hanno sviluppato delle placche simili a scaglie. Poiché la L-CAM è assente nel mesoderma e non vi sono prove che la L-CAM sia un segnale diretto per il mesoderma, se ne è dedotto [Gallin e altri 1986] che la perturbazione operata dall'anti-L-CAM abbia alterato la dinamica dei segnali induttivi reciproci tra epidermide e derma. Questi esperimenti di perturbazione nello sviluppo della penna ci consentono di concludere che, oltre alloro ruolo nella formazione dei confini, le CAM possono svolgere un ruolo causale nell'induzione embrionale. Tutti questi risultati indicano che le perturbazioni nel legame delle CAM alterano la morfogenesi, e che una morfogenesi alterata modifica l'espressione delle CAM e i meccanismi di modulazione. Queste conclusioni preparano lo scenario per capire come modulazioni di questo tipo regolino la forma favorendo, al contempo, la variabilità individuale. 5. L'ipotesi dei regolatori. Le osservazioni sin qui svolte ci suggeriscono che le CAM, piuttosto che agire come semplici marca tori delle cellule differenziate, uniscono le cellule in associazioni e creano dei confini tra le associazioni stesse. Sono confini che si formano tra epitelio e mesenchima, e sono siti possibili per lo scambio dei segnali implicati nel!'induzione embrionale e negli aspetti regolativi dello sviluppo. Nello sviluppo regolativo [Weiss 1939; Slack 1983; Nieuwkoop e altri 1985] cellule con storie diverse si ritrovano associate in seguito ai movimenti morfogenetici, e ne deriva l'induzione embrionale o differenziamento derivato dall'ambiente interno. L'induzione embrionale dipende dalla posizione (a propria volta causata dai movimenti e dalla storia precedenti) e agisce su gruppi di cellule pluripotenti la cui competenza si trasforma con la storia e la fase dello sviluppo Uacobson 1966]. Se la modulazione delle CAM è correlata alla formazione dei confini tra queste associazioni, non dobbiamo aspettarci esclusivamente un ruolo causale nella formazione della struttura, come nell'induzione della penna, ma anche una reg.olarità nei modelli di espressione delle CAM nei diversi tessuti. E propri.o il tipo di regolarità individuata per due delle CAM primarie. I tessuti mesenchimali sottoposti a una conversione da parte degli epiteli e gli epiteli
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
I09
stabili manifestan.o due diverse reg.ole Q m.odalità [Cr.ossin e altri 19 85] di modulazi.one dell'espressione delle CAM (tab. 7). Nei siti di induzione le cellule delle associazi.oni che hanno seguito la reg.ola I (N ~ O ~ N), attinente alla conversione mesenchimale, delimitan.o le associazioni epiteliali che hanno seguito la reg.ola II (NL ~ N o NL ~ L). Possiamo c.ollegare queste .osservazi.oni a una c.onfigurazi.one globale piu ampia. Se, in una mappa presuntiva classica, compariam.o la distribuzione prec.oce delle CAM nel blastoderma del poll.o, .osserviamo nel blast.oderma stesso una mappa delle CAM meno dettagliata, ma congruente (fig. 19), e una sovrapposizione delle N-CAM e delle L-CAM ai confini dei tessuti presuntivi. Quando il pollo raggiunge 1.0 stadi.o adulto e si verifica la modulazi.one di tipo II, la soFigura I9. Mappa presuntiva composita delle CAM nel pollo. La' distribuzione delle N-CAM (a puntini), delle L-CAM (barre) e delle Ng-CAM (croci) su tessuti di embrioni compresi tra i cinque e i quattordici giorni di vita viene rimappata sulle cellule presuntive del tessuto nel blastoderma. Sono inoltre mostrate (punti piu grandi) delle regioni aggiuntive della marcatura transitoria per le N-CAM nelle fasi embrionali precoci (cinque giorni). Nelle fasi embrionali precoci, i confini di espressione delle CAM coincidono con i confini degli strati germinativi; cioè, i derivati di tutte e tre gli strati germinativi esprimono entrambe le CAM. In fasi successive, la coincidenza è piu limitata: le N-CAM scompaiono dall'ectoderma somatico e dall'endoderma, tranne in una popolazione cellulare nel polmone di pollo. Le L-CAM sono espresse su tutti gli epiteli ectodermici ma rimangono limitate nel mesoderma ai derivati epiteliali del sistema urogenitale. La barra verticale rappresenta la stria primitiva (SP); Ec, ectoderma intra ed extraembrionale; En, endoderma; N, sistema nervoso; No, notocorda; S, somite; MI, muscolo liscio; Ae, area emangioblastica.
r IlO
Capitolo quarto
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
Tabella 7. Siti dove si manifestano le regole epigenetiche della espressione delle CAM durante l'embriogenesi del pollo. Regola I: conversione mesenchimale"
Ectodermica N--+O--+N Cresta neurale - Nervo periferico - Gangli
Mesodermica N--+ 0--+ N Somite - Muscolo scheletrico (solo piastra terminale) - Papilla dermica (penna) Nefrotomo - Epitelio germinativo della gonade - Stroma gonadico Splancnopleura - Stroma della milza - Lamina propria dell'intestino - Alcuni mesenteri N --+ O --+ N" Somite - Condrociti Piastra laterale - Muscolaturaliscia
Regola II: epiteli b
Ectodermica NL --+ N Tubo neurale Gangli derivati dai placòdi NL --+ N Ectoderma somatico Strato germinativo Margine ectodermico apicale Ectoderma branchiale NL --+ N --+ * Lente Piastra marginale e assiale della penna NL --+ L --+ * Strato corneo Barbule della penna, rachide
Mesodermica N --+ NL --+ L Dotto di W olff Tubuli mesonefrici Dotto di Miiller
Endodermica NL --+ L Epitelio de!(la): Trachea Tratto gastrointestinale Dotto epatico Vescica biliare Tiroide Derivati faringei NL Parabronchi (epiteli polmonari)
" La regola I illustra le variazioni cicliche, o la scomparsa, delle N-CAM. Alcune di queste transizioni si verificano in concomitanza al movimento, o indicano un basso livello di CAM. I tessuti originali sono segnati sul margine sinistro. I tessuti con livelli elevati di N-CAM sono preceduti da un trattino. Dove appare un *, la CAM può essere sostituita da un prodotto del differenziamento. b La regola II illustra la sostituzione di una CAM con un'altra o la scomparsa della CAM. " indica i prodotti del differenziamento (per esempio cheratina, cristallino) con la scomparsa della CAM.
III
vrapposizione dei due tipi di CAM scompare nella maggior parte dei tessuti [Crossin e altri I985]. Tuttavia, è importante osservare che la mappa pi queste CAM primarie evidenzia come la distribuzione di ciascuna CAM attraversi i diversi confini tissutali; se consideriamo questo fatto insieme alla sequenza di espressione (fig. I6), deduciamo che le CAM svolgono un ruolo generale nello stabilire precocemente i confini durante l'istogenesi, prima dei numerosi eventi del differenziamento cellulare. L'osservazione di regole per l'espressione delle CAM primarie in associazioni cellulari confinanti e in siti diversi di induzione embrionale consente una generalizzazione assolutamente compatibile con la teoria secondo cui le CAM svolgono un ruolo primario nella formazione dei confini morfogep.etici e delle strutture che precedono il differenziamento istologico. E stato osservato che il rispetto sequenziale di queste regole in popolazioni cellulari che stanno differenziandosi si accompagna, in molte aree, a trasformazioni morfologiche e tissutali [Chuong e Edelman I985a, I985b; Crossin e altri I985] (come esempi, si vedano la tab. 7 e la fig. I8). A questo punto possiamo trarre una conclusione fondamentale. Data là natura cinetica (e, in certe aree stocastica) delle forze trainanti, cioè, il movimento, la divisione e la morte cellulare, a tali trasformazioni corrispondono necessariamente dei meccanismi variazionati all' origine della plasticità microscopica della struttura. Nel sistema nervoso· questi processi di variazione sono critici per la formazione del repertorio primario, poiché sono alla base della variabilità invocata per la teoria. Questo ritratto della regolazione meccanicochimica dei movimenti morfogenetici delle diverse lamine tissutali, delle cellule e dei meccanismi cellulari, fondato sulla regolazione dell'espressione delle CAM e delle SAM e sulla diffusione di segnali attraverso i confini dei tessuti, consente di unificare in modo coerente i meccanismi primari di adesione, movimento, divisione, morte, e induzione. L'ipotesi dei regolatori propone un quadro unificante adatto a correlare dinamismo dello sviluppo ed evoluzione [Edelman I984C]; si tratta di un concetto fondamentale per la teoria della selezione dei gruppi neuronali. Esso stabilisce che le CAM e le SAM, modulando la superficie cellulare, agiscono come regolatori indispensabili del movimento morfogenetico, dell'integrità epiteliale e dell'addensamento mesenchimale, favorendo la formazione dei confini tra le diverse associazioni cellulari che scambiano reciprocamente i segnali induttivi, non solo nel sistema nervoso, ma in tutti i tessuti. Ripren-
r 112
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
Capitolo quarto
deremo le implicazioni evolutive dell'ipotesi dei regolatori nel capitolo VI, mentre, per ora, ci limitiamo alle sue conseguenze per l'embriogenesi e l'istogenesi del sistema nervoso. Poiché in molte aree soggette a induzione l'espressione delle CAM precede quella di molti prodotti del differenziamento cellulare, l'ipotesi suggerisce che i geni preposti al controllo dell'espressione dei geni per le CAM e le SAM (geni morforegolatori) agiscano indipendentemente o prima dei geni che controllano il differenziamento specifico (geni istoregolatori). Questi dati sono compatibili con l'osservazione secondo cui l'espressione delle diverse CAM nei tessuti (fig. 19) si sovrappone ai confini della mappa presuntiva classica, i quali indicano i destini dei diversi tessuti. E possibile concepire che in un certo tipo cellulare di un gruppo e nelle cellule figlie l'espressione delle CAM segua un ciclo (fig. 20). I percorsi trasversali dell' anello esterno del ciclo attivano o disattivano l'uno o l'altro dei geni per le CAM. Seguendo le regole modali (tab. 7) [Crossin e altri 1985], l'attivazione e la disattivazione degli stessi geni per le CAM (regola I) vale nel caso delle cellule mesenchimali che contribuiscono alle aree di induzione secondaria e per le cellule della cresta neurale. Per gli epiteli viene proposta l'attivazione di un gene diverso per le CAM (regola II). L'azione successiva dei geni istoregolatori (anello interno, fig. 20) viene illustrata come l'effetto di segnali, originantisi nel nuovo ambiente tissutale, che scaturiscono dall' aggregazione cellulare, dal movimento, dalla formazione dei confini e dal ripiegamento dei tessuti, tutti dipendenti dalle CAM. E importante sottolineare che, nell' ambito di questo ciclo, le interazioni a livello cellulare dei diversi geni istoregolatori possono modificare la forma. Se, per esempio, l'espressione dei geni istoregola tori ha creato un movimento o una forma cellulare alterata, oppure nuovi eventi post-traduzionali che modificano le CAM, allora variano gli effetti sulla morfogenesi d,a parte delle successive sequenze trasversali dell'anello esterno. Un esempio conosciuto di influsso diretto su cellule contenenti N-CAM riguarda i geni istoregolatori che codificano l'enzima o gli enzimi responsabili della conversione dalla forma E alla forma A. La combinazione degli anelli interni ed esterni del ciclo e l'unione di due cicli di questo tipo nella formazione di "coppie di CAM" , le quali rispettano le regole di espressione di gruppi cellulari posti lungo il confine induttivo, potrebb~ generare gli effetti piu imprevisti nel cammino della morfogenesi. E quello che si verifica nella penna (la cui induzione iniziale viene modificata dopo aver perturbato
113
Figura 20. L'ipotesi dei regolatori esemplificata in un ciclo regolativo delle CAM e nelle sequenze epigenetiche. A) Segnali induttivi precoci (freccia in grassetto a sinistra) favoriscono la espressione del gene per le CAM. La modulazione della superficie (con variazioni nella diffusione, ridistribuzione polare nella cellula, o variazioni chimiche, come la conversione dalla forma E alla forma A) modifica la forza di legame delle cellule. Questo regola i movimenti morfogenetici, che, a loro volta, influiscono sull'induzione embrionale o sul differenziamento dipendente dall'ambiente interno. Le variazioni induttive possono ancora influire sull' espressione del gene per le CAM e sull' espressione di altri geni in tessuti specifici. Le frecce in grassetto a destra e a sinistra fanno riferimento ai segnali implicati nell'inizio dell'induzione e ancora sconosciuti. Tali segnali potrebbero dipendere dalla modulazione globale della superficie cellulare in seguito allegarne delle CAM (destra) o dal rilascio di morfògeni che influiscono sull'induzione (sinistra) o da entrambi; in ogni caso, il ciclo consente un legame meccanico-chimico tra espressione genica e morfogenesi. B) Sequenze epigenetiche basate su cicli successivi delle CAM con variazioni evolutive fondate su mutazioni nei geni morforegolatori e istoregolatori. Tale modificazione si verifica nell' ambito di vincoli morfologici posti dai cicli stessi. In un embrione si può verificare piu di un ciclo simultaneamente e cÒS! l'organizzazione dei cicli è in serie e in parallelo. A)
Ciclo delle tAM
•
I1
Induzione -
Espressione .genica e trasporto delle CAM
Im~) E~pre~sion7 di altri gem -
Ii=~"o")
Formazione di insiemi cellulari
~ B)
1
j Modulazione • superficiale
j
Modificazione del legame ) Regolazione • del movimento
Sequenze epigenetiche Sviluppo:
Struttura sufficiente
Evoluzione: Modificazione covariante dei geni regolatori per i processi primari
Selezione fenotipica
II4
Capitolo quarto
il sistema con anticorpi anti L-CAM ottenendone una nuova struttura; cfr. fig. 18 A-D). Gli ultimi stadi nella formazione della penna confermano l'esistenza di cicli in sequenza delle CAM e di applicazioni in sequenza delle regole (fig. 18 E, F). Considerando come due cicli (ciascuno correlato a CAM diverse) possano interagire tramite le regole delle CAM, siamo spinti a riconsiderare un problema molto importante rimasto insoluto: si tratta della natura dei segnali che, nella fase induttiva, attivano i geni morforegolatori e istoregolatori. Non sappiamo se questi segnali siano dei morfogeni rilasciati da cellule coese da una CAM specifica (fig. 20, freccia in grassetto a sinistra) o se, invece, derivino da alterazioni meccaniche della superficie cellulare o del citoscheletro (fig. 20, freccia in grassetto a destra) tramite u!,!a modulazione globale della superficie cellulare [Edelman 1976]. E probabile una implicazione simultanea di entrambi i segnali. Gli esperimenti che dimostrano come il fattore di crescita della cellula nervosa possa modificare 1'espressione della Ng-CAM [Friedlander e altri 1986] sono stati il primo indizio sulla natura di alcuni di questi segnali. La regolazione dell' espressione di proteine svolgenti un ruolo morfologico implicherebbe probabilmente un controllo a cascata da parte dei diversi tipi di geni che ne controllano la trascrizione. Sebbene il diagramma della figura 20 non indichi tali geni, è probabile che essi costituiscano una parte importante del percorso iniziato dai diversi morfogeni o dalla modulazione della superficie (due frecce in grassetto a destra e a sinistra). Alcune prove ragionevolmente convincenti di questo controllo a cascata sono emerse studiando l'espressione genica nell' embriogenesi della Drosophila [Scott e O'Farrell 1986]. L'analisi di tale attività genica nei vertebrati e l'estensione alla Drosophila dell'analisi molecolare dell'interazione cellulare osservata nei vertebrati, dovrebbe proporci un quadro piu realistico e dettagliato del percorso del sègnale, a cominciare dai geni per terminare con la formazione effettiva dell'organizzazione cellulare. Il quadro dinamico della regolazione della morfogenesi proposto dall' ipotesi dei regola tori implica che questi segnali debbano operare a diversi livelli. L'ipotesi implica che la cellula sia l'unità di controllo, che la superficie cellulare sia il punto nevralgico degli eventi di controllo, che l'adesione cellulare e il differenziamento organizzino le forze trainanti che sovraintendono al movimento e alla divisione cellulare, e che l'adesione crei dei gruppi di cellule; queste rilasciano dei segnali locali che si ripercuotono epigeneticamente su altri gruppi confinanti per mezzo di coppie di CAM (come esempio, si veda la fig. 18).
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
II5
Sebbene la cellula sia considerata l'unità di controllo, invece, l'unità di induzione (in grado di generare i segnali appropriati) è una associazione cellulare sufficientemente ampia, unita da un tipo di CAM primaria specifica o da una combinazione di CAM. La formazione dei confini, che correla struttura e scambio di segnali, è assicurata da CAM aventi specificità diverse e attive in ciascuna associazione. Secondo l'ipotesi dei regolatori, le CAM (e le SAM) sono il tratto d'unione tra i geni e le leggi meccanico-chimiche delle sequenze epigenetiche. I cieli in successione delle CAM, attuati in diversi contesti, rappresentano una possibile soluzione al problema del controllo meccanico-chimico della struttura in quanto, durante lo sviluppo regolativo, spaziano a diversi livelli, dal gene all'organo e, di ritorno, al gene. Questo è a fortiori vero nel sistema nervoso, sebbene la sua complessità e la sua organizzazione sinaptica possano .richiedere un sistema di segnali piu raffinato e complesso rispetto a qualunque al~ tra area morfogenetica. Attualmente sono disponibili prove sperimentali di quest'ipotesi, in particolare quelle ottenute perturbando con anticorpi anti-CAM i sistemi di induzione e le colture neuronali in vitro, e analizzando l'espressione genica con sonde specifiche di cDNA 2'. Gli esperimenti di perturbazione del sistema di induzione della penna in vitro con anticorpi anti-L-CAM hanno già dimostrato una rottura precoce della simmetria dei campi della penna, i quali si trasformano da macchie a disposizione esagonale in strie, generando, in conseguenza, strutture piatte simili a scaglie [Gallin e altri 1986]. Questi esperimenti hanno collocato definitivamente le CAM nella complessa catena causale dell'induzione embrionale e, data la loro universalità d'azione, non sarebbe sorprendente se lo sviluppo di mappe e strie nelle strutture neurali [Hubel e Wiesel 1970] presentasse dei meccanismi analoghi.
6. Variabilità e conservazione della configurazione nella struttura neurale. A questo punto possiamo unificare alcuni fatti assodati sulla formazione del sistema nervoso e alcuni aspetti dell'ipotesi dei regolatori in una concezione generale che spiega la variazione nel reperto-
2' Tale tecnica, nota come ibridazione in situ, permette di individuare specifiche molecole di mRNA nella cellula grazie a sonde di DNA loro complementari, il cDNA appunto, consentendo di sapere se, quando e dove un certo gene è stato espresso.
1I6
Capitolo quarto
rio primario ed è, perciò, centrale per la teoria della selezione dei gruppi neuronali. Il nostro proposito è correlare variazione strutturale nel sistema nervoso (si veda la tab. 4), variazione molecolare e modulazione delle CAM nel corso dell' ontogenesi, dimostrando che il numero di molecole adesive diverse può essere molto inferiore alla quantità di strutture ottenibili con la modulazione. Non sappiamo quante CAM diverse siano espresse durante la morfogenesi, ma i dati sin qui esposti indicano che, data l'esistenza di piu meccanismi modulatori, un numero relativamente esiguo di molecole modulabili (forse decine, ma non centinaia) spiegherebbe la formazione di strutture organizzate nel sistema nervoso e in altre aree. Sebbene i fatti non consentano di stimare il numero di molecole implicate nella costruzione del sistema nervoso, tuttavia, ci indicano che la regolazione dinamica delle CAM note avviene con un ordine preciso. Queste interpretazioni appaiono nella corretta prospettiva quando confrontiamo due tipi di teorie morfogenetiche: I) le teorie strutturali o della chemiospecificità rigida [Sperry 1963; cfr. Cowan e Hunt 1985; Easter e altri 1985], secondo cui le strutture neurali si formano grazie al riconoscimento complementare e specifico tra marcatori della superficie cellulare, generando un repertorio molto ampio, e 2) le teorie regolative, che propongono meccanismi di modulazione dinamica 26 [Edelman 1984b, 1985b]. In quest'ultime, secondo cui le strutture si originano selettivamente e dinamicamente con meccanismi lontani dall' equilibrio, le transizioni da uno stato di associazione cellulare a un altro dipendono dalla modulazione della struttura chimica o della distribuzione delle CAM o delle SAM'che, a loro volta, regolano forze trainanti, quali il movimento e la divisione cellulare. I meccanismi dinamici, di per sé, non possono smentire né l'una né l'altra teoria. Tuttavia, 1'esistenza, nella fase di induzione neurale, di eventi modula tori sulla superficie cellulare e la successiva comparsa delle CAM nel corso dell'induzione secondaria sono piu in sintonia con le teorie regolative della morfogenesi. È necessario e sufficiente, per esempio, impedire il legame delle N-CAM o delle Ng-CAM perché diverse aree neurali vengano scompaginate nella struttura. Le CAM neuronali variano la propria efficienza di legame essendo mo26 Il dibattito tra rigidità e regolabilità nello sviluppo neurale è ancora aperto [per delle rassegne si vedano Goodrnan e Shatz 1993; Goodrnan 1994] (cfr. il capitolo v).
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
117
dulate, sono cioè sotto il controllo della cellula; non si tratta di una famiglia molto numerosa di specie molecolari e non sono specificate da un'ampia famiglia genica. Pertanto, la stessa catena dp della NCAM, che svolge un ruolo importante nelle fasi iniziali dell'induzione neurale, è ubiquitaria nei neuroni differenziati e svolgerà un ruolo altrettanto determinante nella successiva formazione dei tessuti. La formazione delle strutture neurali dipende in modo critico dalle interazioni neurone-glia e neurone-neurone [Sidman 1974; Rakic 19 8Ia ] e, a proposito, l'espressione della Ng-CAM e della citotactina è modulabile, e non è presente un numero elevato di specie molecolari diverse. Inoltre, diversi meccanismi primari di sviluppo contribuiscono a formare la struttura neurale in un modo dinamico influenzabile dalla CAM. Un chiaro esempio è la modulazione delle CAM sulla superficie delle cellule della cresta neurale, dove si verifica la coordinazione tra il movimento cellulare e l'espressione delle CAM. Un altro esempio è la comparsa della citotactina sulle cellule gliali nei siti di transito dei neuroni. Un'ipotesi ragionevole è che l'organizzazione dei tessuti costituiti da queste cellule dipenda da una variazione nella selezione di un numero ridotto di CAM e di SAM, le quali, quindi, sono espresse in modo differenziato e interagiscono con i piu vari meccanismi in tempi diversi quando regolano il differenziamento e il movimento [Hoffman e altri 1986; Chuong e altri 1987]. Tale dinamismo nella selettività si verifica perché, nel tempo, le cellule modulano queste molecole in risposta a segnali locali che diffondono nei tessuti. Studi in vitro hanno già dimostrato [Friedlander e altri 1986] la modulabilità di una CAM in risposta a un segnale, quale, per esempio, l'NGF. Questo ritratto dinamico, sommato ai dati sulle sequenze di espressione delle CAM (fig. 15, tab. 7) è arduo da conciliare con la teoria di una specificità assoluta di posizioni, indirizzi e connessioni delle cellule nervose, e realizzato da un enorme numero di molecole diverse. Se tali indirizzi esistessero, la sequenza dei movimenti cellulari richiederebbe un' eccezionale coordinazione dell' espressione locale di ciascuna molecola nella cellula, poiché l'azione delle sequenze dei processi primari di sviluppo è incompatibile con una confusione totale e una cernita indiscriminata tra cellule. Quando si verificano incontri di questo tipo, come negli esperimenti di aggregazione istiotipica in vitro [Holtfreter 1939, 1948], si generano pseudotessuti amorfi e disorganizzati. I geni non possono contenere a priori tutta l'informazione relativa alla distribuzione spaziale delle cellule
r II8
nella rete neurale, e l'informazione locale sembra a stento sufficiente per controllare l'espressione coordinata e la soppressione di un elevato numero di marcatori nella singola cellula. Deduciamo che l'" elettricista" (il cugino in secondo grado dell' homunculus presente nello sviluppo) non esiste. In accordo con la dinamica della modulazione delle CAM, non si verifica nemmeno un cablaggio preciso nelle ramificazioni piu fini dei sistemi nervosi complessi. Una comparazione riassuntiva delle due tesi opposte sulla formazione delle strutture neurali che si basi sui rispettivi requisiti e sui dati di fatto (tab. 8), favorisce chiaramente la modulazione rispetto alla chemiospecificità rigida, dove la prima prevede non piu di poche decine di CAM, regolate dinamicamente, escludendo l'esistenza di migliaia o milioni di esse. Peraltro, possiamo supporre che i neuroni siano in grado di esprimere delle molecole non direttamente implicate nell'adesione cellulare, ma che, interagendo sulla cellula con le CAM neuronali, modulino ulteriormente le interazioni di quest'ultime. Tuttavia, dobbiamo notare che tali molecole non varierebbero la specificità di legame, ma solo la selettività, in accordo con un prospetto dinamico della formazione dei confini e delle strutture operato dalla modulazione. Secondo l'ipotesi dei regolatori l'azione di relativamente poche CAM aventi differente specificità, guidate da cinque o sei meccanismi di modulazione sulla superficie potrebbe generare un numero straordinariamente elevato di strutture neurali. La regolazione in fasi precoci dei geni per le CAM, con il conseguente e relativamente autonomo differenziamento cellulare controllato dai geni istoregolatori, come nel ciclo delle CAM, potrebbe generare un insieme potenzialmente illimitato di strutture. La variabilità delle strutture stesse scaturirebbe da fluttuazioni locali dei meccanismi di modulazione. Sebbene l'ipotesi dei regolatori ci consenta di spiegare l'origine della variabilità nel repertorio primar:io, è importante segnalare che essa può anche spiegare, in ogni specie, l'origine evolutiva della coerenza strutturale delle aree neurali [Edelman 1985C, 1986b], che deriverebbe dal controllo temporale di un ridotto numero di geni morforegolatori che regolano a monte 1'espressione delle CAM e delle SAM (si veda il capitolo VI). Nella stessa fase, in diverse regioni del 27 cervello, si creerebbero strutture simili per modalità funzionale 27
I fondamenti della variabilità nello sviluppo
Capitolo quarto
Modally, nel testo originale.
II9
dovute alla selezione evolutiva di sequenze specifiche di espressione dei geni per le CAM (tab. 7), coordinate a quelle dei geni istoregolatori. A causa degli influssi genici sulla dinamica della regolazione, la formazione delle strutture neurali può essere simile, per modalità funzionale, in individui diversi, ma deve anche variare nei singoli neuroni e nei rispettivi prolungamenti. All'interno di una struttura anatomica tridimensionale, specifica per ogni specie, la variabilità locale nelle connessioni potrebbe essere immensa. Tabella 8. Comparazione tra modulazione e chemioaffinità rigida. Modulazione
Chemioaffinità
Numero di molecole differenti
Decine
Milioni
Specificità
Ogni CAM specifica per il partner di legame Omifilica: N-CAM con N-CAM Eterofilica: Ng-CAM Due dipendenze principali dagli ioni: Ca + + per L-CAM, nessuno per N-CAM
Molto raffinata; sufficiente per distinguere ogni coppia di marca tori
Variazione di affinità
Molto elevata; dinamica
Non esplicitamente considerata ma presumibilmente riflessa nelle diverse. specificità
Le stesse molecole nelle prime e nelle ultime fasi dello sviluppo?
Si, con varie nuove aggiunte
Possibile, ma con molte nuove aggiunte
Le stesse molecole in specie diverse?
Si, con i livelli attesi di polimorfismo genetico; possibile impiego di molecole diverse in taxa molto distanti
Necessarie molte differenze per generare le dettagliate differenze strutturali tra specie
Metodo di generazione delle forme
Vincoli selettivi sulle interazioni dei processi primari
Riconoscimento specifico di marcatori cellulari complementari
Basi evolutive di una nuova forma neurale
Configurazione modificata del gene regolatore delle CAM e processi primari; ciclo modulatore delle CAM (si veda la fig. 20)
Variazioni nel numero o nel tipo di marcatori per mutazione e per espressione genica
r 120
Capitolo quarto
In questo contesto la variazione nel repertorio primario scaturisce dalla regolazione, interazione e feedback (positivo e negativo) tra adesione cellulare e altri processi di svilupp0 2'. Naturalmente, le CAM, le SAM e la loro modulazione sono una condizione necessaria, ma non sufficiente per creare strutture neurali differenziate. Come vedremo nel prossimo capitolo, per spiegare la progressiva formazione dei dettagli istologici piu microscopici del sistema nervoso abbiamo bisogno di ulteriori meccanismi: 1'attività e la modificazione sinaptica. Concludendo, il cuore della tesi appena sviluppata è che, durante lo sviluppo del sistema nervoso, i meccanismi molecolari dell' adesione cellulare siano pienamente compatibili sia con la coerenza funzionale delle mappe sia con le variazioni specifiche nelle reti neurali microscopiche, come richiedono le teorie selettive. Il proposito di questo capitolo è stato quello di rivelare la natura molecolare della variabilità. L'ipotesi dei regola tori spiega l'origine della variabilità dei gruppi neuronali con un meccanismo epigenetico molecolare. Tuttavia, non risolve del tutto il problema della formazione di specifiche mappe neuroanatomiche e funzionali nel sistema nervoso. Approfondiremo questo tema nel prossimo capitolo, dimostrando che, sebbene il problema della formazione delle mappe non sia completamente risolto, la variabilità creata dai processi primari e il controllo dell' adesione cellulare contribuiscono entrambi alla formazione delle mappe.
2' Il contFasto "ideologico" tra ipotesi regolatoria e chemioaffinità rigida, qui proposto da Edelman per spiegare il preciso sviluppo cartografico delle connessioni nel cervello sembra, con l'accrescersi delle conoscenze, risolversi a favore della regolazione. Quello che egli prevede in via ipotetica in questo capitolo, e cioè che, data l'esistenza di meccanismi modulatori diversi, un numero relativamente esiguo di molecole potrebbe spiegare la sofisticata formazione delle strutture del cervello, sembra avere riscontro reale. UlIrich e collaboratori [1995] hanno, infatti, scoperto che in una classe di molecole di adesione, le neurexine, esclusive del oervello, sono potenzialmente generabili pili di mille molecole tramite la regolazione e la modificazione genetica. Per alcune di esse è stato dimostrato che «in tutte le regioni studiate ogni tipo di neurone presenta una configurazione di coespressione distinto, a sostegno del concetto che l'espressione combinatoria delle neurexine è una proprietà regolata dei neuroni» [ibid., p. 505].
Capitolo quinto La dinamica cellulare delle mappe neurali
Conservazione e variazione in anatomia, un apparente paradosso, p. 121. - L'importanza delle mappe, p. 122. - Proprietà generali delle mappe, p. 124. - Proprietà cellulari che determinano lo sviluppo delle mappe, p. 127. - Dimostrazioni di processi primari indipendenti nella formazione delle strutture nervose, p. 128. - Competizione per le aree bersaglio, p. 133. - Modelli di ricerca del percorso da parte del neurone basati sull' ipotesi dei regolatori, p. 136. - La mappa retinotettale, p. 140. - Il controllo a piu livelli nella formazione delle mappe, p. 144· _ L'imprevista plasticità delle mappe nell'adulto, p. 146. - La competizione per la rappresentazione, p. 149· - Diffusione
e sovrapposizione delle arborizzazioni assonali e dendritiche, p. 154. - Alcune eccezioni apparenti: mappe plastiche solo in periodi critici, p. 157·
I. Introduzione.
Nei capitoli precedenti abbiamo visto quali meccanismi consentono la variabilità strutturale, funzionale e di sviluppo dei neuroni. Tuttavia, anche le convincenti dimostrazioni molecolari e cellulari riassunte nel capitolo IV non ci spiegano del tutto un insieme di fatti a favore della conservazione delle strutture neuroanatomiche, i quali potrebbero ispirare conclusioni contrarie a quelle offerte dalle dimostrazioni molecolari. Infatti, dal punto di vista neuroanatomico, quantomeno a grandezza naturale, la caratteristica piu evidente del cervello è l'ordine e la specificità [Brodal I98I], non certo la variabilità. Per esempio, come conciliamo la presenia di mappe anatomiche e funzionali nella corteccia cerebrale, che manifesta una citoarchitettonica elaborata [cfr. Schmitt e altri I 98 I; Edelman e altri I9 8 4], e la variabilità molecolare, di sviluppo e neuronale? In questo capitolo, per capire piu a fondo la natura epigenetica della struttura neurale e per sviluppare un contesto appropriato in cui discutere tale apparente paradosso, approfondiremo i principali aspetti anatomici e cellulari della neurobiologia dello sviluppo. Data
,..-----
I22
La dinamica cellulare delle mappe neurali
Capitolo quinto
la grande importanza delle mappe neurali nel contesto della teoria, esse saranno il modello di riferimento entro cui correlare la regolazione molecolare allo sviluppo e alla funzione neuroanatomica. La formazione delle mappe è un aspetto centrale nelle reti selettive dei gruppi dotati di circuiti rientranti, e svolge un ruolo preminente nell'armonizzare variazioni ambientali e strutture dinamiche presenti nel cervello. Come vedremo piu avanti, la teoria sostiene che l'evoluzione di precisi meccanismi di formazione delle mappe sia essenziale all' organismo per affrontare gli aspetti etologici e comportamentali adattativi della categorizzazione percettiva. Gli studi sugli aspetti evolutivi, di sviluppo e funzionali delle mappe sono una delle arene piu attive della neurobiologia [si veda Edelman e altri 1984]. Questo capitolo non pretende di riassumere tutto questo lavoro, ma di estrarne le dimostrazioni pro e contro la teoria della selezione dei gruppi neuronali. Vedremo come la formazione delle mappe implichi due tipi di eventi selettivi; anatomici, nella formazione dei repertori primari, e sinaptici, nella formazione dei repertori secondari; in certi stadi dello sviluppo, questi due tipi di eventi si sovrappongono per creare o consolidare mappe particolari. Come sfondo per queste prove considereremo dapprima come la teoria interpreta la formazione delle mappe. In seguito vedremo quali meccanismi controllano [Cowan 1978; Edelman e altri 1985; Purves e Lichtman 1985] lo sviluppo delle proiezioni nervose che formano le mappe, e perciò faremo una rapida esplorazione nel comportamento delle cellule durante lo sviluppo embrionale. Volendo stabilire una relazione tra le mappe formate dai tratti di fibre nervose durante l'embriogenesi e i meccanismi di modulazione delle CAM descritti 1ilel capitolo precedente, e volendo evidenziare le variabili che controllano l'anatomia delle mappe, ci occuperemo dello sviluppo delle proiezioni retinotettali [Easter e altri 1985; per rassegne si veda Edelman e altri 1985]. Infine, documenteremo la variabilità nelle mappe funzionali già formate, cioè i repertori secondari in strutture anatomiche consolidate, riesaminando i rapporti tra anatomia e funzione neurale nelle mappe dell'adulto soggette a regole citoarchitettoniche. La variabilità funzionale delle mappe nell' adulto osservata nei repertori secondari [Merzenich e altri 1983a] è una tra le dimostrazioni piu persuasive a sostegno della selezione dei gruppi neuronali. È importante notare, da subito, che la definizione di mappa può essere estremamente flessibile; infatti, anche in riferimento a specie animali con pochi neuroni e con un corredo comportamentale limi-
I23
tato, nasce la tentazione di parlare di mappaggio per ogni ordine di connessioni. In questa sede restringeremo la definizione a una struttura ordinata e all' attività di gruppi di neuroni e di ampi tratti di fibre che si proiettano verso lamine e nuclei ben identificati nella funzione e attivi in organismi dotati di un cervello specializzato nelle funzioni piu diverse [Palmer e altri 1978; Tusa e altri 198r]. L'organizzazione a mappe a cui ci riferiremo stabilisce una relazione piu o meno continua" punto-area" e "area-area". Tale restrizione vuole evitare la confusione che nascerebbe nel considerare le singole connessioni neurali contemporaneamente alle connessioni verso grandi aree, originate si nel corso dell'evoluzione per svolgere specifiche funzioni motorie o sensoriali. Questa restrizione vuole altresl rimarcare che la teoria della selezione dei gruppi neuronali evita concetti, quale quello di equipotenzialità I [Lashley 1950], ma che non è nemmeno stata concepita pensando a singoli neuroni o a insiemi di neuroni connessi casualmente.
2.
Rappresentazione e mappaggio.
Sarà bene valutare alcuni aspetti funzionali generali delle mappe prima di riassumere le variabili fisiologiche e di sviluppo che ne favoriscono la formazione. Secondo la teoria, è necessario che la maggior parte dei circuiti neurali sia organizzata nel rispetto di uno schema sovrapposto e degenerato [Edelman 1981]. A tale proposito, valgono i seguenti requisiti: I) nel repertorio primario devono esserci diversi gruppi di cellule adatti a svolgere piu o meno bene le stesse funzioni; 2) questa degenerazione può essere simile alla ridondanza nel compensare l'inaffidabilità di un sistema distribuito, ma si comporta meglio di fronte all'" imprevedibilità" impliéita in nuove I La teoria dell' equipotenzialità di Lashley sostiene che le diverse aree della cortec' cia possono indifferentemente svolgere quasi tutte le funzioni, per cui il cervello lavora in modo gestaltico 0, viceversa, che una certa funzione non è confinabile a una ben pre· cisa porzione di corteccia cerebrale, per cui i deficit funzionali sono proporzionali alla quantità di materia cerebrale danneggiata (teoria dell'azione di massa). Storicamente, tale teoria rappresenta l'espressione piu ampia dell' olismo applicato alla interpretazione del cervello e si colloca sul versante opposto rispetto allocalizzazionismo che, nelle sua forma piu estrema [Barlow 1972], ritiene che pochi neuroni posti al vertice di una gerarchia di elaborazione (cellule ipercomplesse) possano svolgere funzioni percettive specializzate (si veda il capitolo II, nota 7). Il concetto di rientro, fondamentale nella teoria di Edelman, «rende in gran parte irrilevanti le argomentazioni che oppongono il funzionamento locale del cervello a quello globale» [Tononi e altri 199 2b , p. 33 2 ].
r 12 4
o
Capitolo quinto
situazioni; 3) anche dopo la selezione dei gruppi, conseguente alle esperienze dell' animale, il repertorio primario può contenere ancora dei gruppi cellulari equivalenti dal punto di vista funzionale o, magari, piu efficaci di quelli già attivi nel repertorio secondario; e 4) durante la selezione del repertorio secondario, i gruppi neuronali possono subire un' esclusione competitiva. Queste e altre proprietà, di cui parleremo, implicano che il cervello sia un sistema distribuito [Mountcastle I97 8] dove una certa funzione è realizzabile in molti livelli diversi. Poiché i repertori dei gruppi neuronali costituiscono un sistema distribuito e degenerato, le differenze nella temporalità dei segnali, nella loro correlazione e rappresentazione, ma anche nell'archiviazione e nel recupero asso-. ciativi, diventano tutte questioni di estrema importanza. A questo punto è bene affrontare un'importante questione relativa alla natura della rappresentazione, che è il preambolo della percezione: qualunque sia il meccanismo sottostante, esso deve consentire una correlazione continua e coerente tra i diversi caratteri spaziotemporali di una struttura neurale e almeno qualche caratteristica di un oggetto esterno. Nell'affrontare il problema del rapporto tra'rappresentazione e categorizzazione possiamo porci diversi interrogativi. Il cervello deve creare necessariamente delle rappresentazioni topologiche e topografiche o mappe isomorfiche delle proprietà geometrkhe e fiskhe degli oggetti? Se si, il cervello è congegnato in modo da creare mappe in serie, per esempio, mappe di mappe? Se nell' ambiente compare il movimento, come vengono" salvati" in tempo i tratti salienti della scena o come sono correlabili a una ricomparsa della stessa scena nella rappresentazione neurale, che è fondamentale per la percezione? Il nostro modello per risolvere tali questioni sarà la corteccia cerebrale [Schmitt e altri I98I; Edelman e altri I984], ma i principi ricavatine sono probabilmente trasferibili, con alcuni ritocchi, ad altre aree organizzate a mappe. Sembra che nel cervello sia necessario almeno un livello di rappresentazione degli input sensoriali sotto forma di una mappa topografka o spaziale che rispecchi parti di oggetti nello spazio [Edelman e Finkel I9 84]. Se non fossero conservati alcuni caratteri costanti in una prima fase dell'elaborazione neurale sarebbe poi difficile far corrispondere la posizione spaziotemporale o la continuità di un oggetto (o di sue parti) nelle rappresentazioni neurali successive. Tuttavia, è sufficiente che tale mappa primitiva conservi alcuni tratti che la correlano alla continuità spaziotemporale di un oggetto, e non è
La dinamica cellulare delle mappe neurali
12 5
indispensabile un mappaggio completo punto a punto in senso matematko. Sino a ora nessuno ha dimostrato nel sistema nervoso una mappa punto a punto; invece, tutte le forme di mappaggio locale studiate, punto-area e area-area, si sono rivelate degenerate. Infatti, la sovrapposizione parzialmente incompleta osservabile nella corteccia sensoriale primaria [Mountcastle I978] sembra essere un esempio di degenerazione, un indizio dell'esistenza della degenerazione funzionale. In tali regioni il rapporto punto-area tra gli input afferenti e la rappresentazione primitiva nel cervello viene modellato sia dall'inibizione laterale sia da un insieme di proprietà dinamiche del sistema. Un esempio ovvio di dinamismo è il movimento dei recettori sensoriali rispetto alla scena esterna. Anche nel caso della percezione uditiva, dove questo non è strettamente vero, i movimenti della testa modificano significativamente la capacità di localizzare il suono [si veda Edelman e altri I987b]. L'organizzazione della corteccia cerebrale in gruppi verticali consente non solo di trasferire su una lamina bidimensionale [Mountcastle I978] le proprietà multidimensionali peculiari di una modalità sensoriale, ma aiuta anche a "tradurre" alcune proprietà fisiche degli oggetti esterni (come orientamento, inclinazione, ecc.) in proprietà neurali e in posizioni definite. Da questo punto di vista, una mappa cerebrale primaria è concepibile come un sistema di traduzione che consente di campionare e conservare la congruenza spazio temporale di porzioni selezionate nella topografia grezza della scena esterna. Questo sembra essere il ruolo prioritario svolto dalle colonne cerebrali nelle aree recettive primarie [Hubel e Wiesel I977]. Un'organizzazione di questo tipo non richiede un mappaggio denso di tutte ,le caratteristiche e, a quanto pare, non lo attua [Mountcastle I978]. Tuttavia, per la stessa ragione tale mappa locale è insufficiente per realizzare la percezione [Uttal I978, I98I], e sembrano implicate ulteriori mappe rientranti multidimensionali [Zeki I98r]' In un sistema selettivo distribuito la traduzione di prim' ordine e l'astrazione di basso livello effettuata da una mappa locale sono molto importanti perché consentono ai gruppi neuronali di ordine superiore, inseriti in un mappaggio globale (si veda il capitolo VIII), di riferirsi senza ambiguità, per mezzo del rientro, a gruppi specifici di livello inferiore già predisposti per rispondere a caratteri e proprietà specifiche di un oggetto. Da ciò evinciamo che tali mappe locali primitive debbano conservare una certa continuità che ricompone le informazioni sensoriali in arrivo, cioè, una rappresentazione
126
Capitolo quinto
interna nella prima fase di elaborazione sensoriale a cui, in seguito e per mezzo del rientro, potrà riferirsi l'elaborazione di livello superiore. In una concezione di questo tipo, le mappe locali acquisiscono i seguenti significati funzionali: I) i caratteri multidimensionali di un oggetto sono rappresentati sotto forma di mappe su una lamina corticale bidimensionale, la quale traduce alcuni caratteri fisici degli oggetti in proprietà neurali in regioni specifiche. Sebbene questa prima mappa sia caratterizzata dalla continuità, non le è richiesto di essere isomorfica rispetto a tutti i caratteri dell' oggetto; 2) la regione corticale, o dominio, di una mappa non è definita in modo univoco (sebbene i limiti dei suoi confini siano, in ultima analisi, determinati dalle proiezioni in input e in output). Piuttosto, la dimensione e la posizione effettiva delle regioni della mappa devono scaturire della competizione funzionale durante la selezione dei gruppi neuronali. Dimostreremo questa affermazione nelle ultime parti del capitolo e nel capitolo successivo; 3) la principale funzione di una mappa di questo tipo è di essere un punto di riferimento per i rapporti -input-output di livello superiore e per i mappaggi in sequenza di un sistema rientrante. Poiché altre regioni del sistema nervoso (e, in particolare, della corteccia) devono realizzare delle procedure che prevedono input multimodali, astrazioni, e procedure svincolate dalle mappe, bisogna pur conservare un' area a cui far sempre riferimento per le proprietà di continuità. Tale area è rappresentata dalla mappa locale e dai suoi domini all'interno delle aree recettorie primarie. Però, dobbiamo assolutamente tenere presente che, nel sistema degenerato rientrante ipotizzato dalla teoria, tutte le interazioni tra mappe devono conservarsi dinamicamente e riorganizzarsi per compensare gli effetti perturbativi. Approfondiremo questo aspetto dopo aver risolto il paradosso esposto a inizio capitolo, cioè, l'apparente incongruenza tra la variabilità creata dai meccanismi molecolari di sviluppo e la generazione ontogenetica di mappe anatomiche e funzionali organizzate. A tale proposito, dobbiamo rendere compatibili le conoscenze neuroanatomiche sullo sviluppo delle proiezioni e i meccanismi molecolari descritti nel capitolo precedente. Sebbene nessuna indagine sperimentale abbia fornito una spiegazione esauriente dei fondamenti del mappaggio durante lo sviluppo, tuttavia, studi cellulari svolti in sistemi diversi traggono conclusioni in pieno acc
La dinamica cellulare delle mappe neurali
12 7
modelli della chemioaffinità rigida [Sperry, 1963, 1965] proposti per la formazione del sistema nervoso. A tale proposito, un insieme corposo di studi cellulari ci fornirà il materiale per delle prime conclusioni e per dei principi generali [per alcune panoramiche, cfr. Cowan 1978; Purves e Lichtman 1985; Edelman e altri 1985].
3. I vincoli dello sviluppo nella formazione delle mappe. Come possiamo conciliare la variabilità nello sviluppo derivante dalla regolazione molecolare dinamica e l'evidenza che i tratti di fibre nervose formano una mappa organizzata? Un' analisi dei fondamenti anatomici dello sviluppo neuronale dimostra che le strutture neurali (mappe comprese) scaturiscono da una complessa miscela costituita dai processi primari di sviluppo, dalla competizione cellulare, e dall'attività neuronale. Prenderemo qui a esempio la superba analisi di Cowan [1978], il quale, studiando la formazione delle connessioni, ha enucleato tre questioni importanti: I) l'acquisizione da parte dei neuroni della potenzialità per formare strptture topografiche organizzate; 2) l'instradamento dei prolungamenti neurona1i; e 3) il contatto dei prolungamenti stessi con tipi cellulari specifici, talvolta 2 in punti precisi su strutture specializzate della cellula • Sebbene la definizione «specificità n~urale» sia stata impiegata in riferimento alle strutture anatomiche at'parentemente stereotipate del sistema nervoso, vanno comunque ben distinti gli effetti della selezione dinamica dagli effetti della specificità molecolare (si veda la tab. 8). Al fine di evidenziare l'importanza della selezione nella formazione delle strutture, descriveremo alcuni principi ricavati da ricerche sui dettagliati meccanismi cellulari dello sviluppo. Cowan [1978] sottolinea che nella formazione delle popolazioni neurali nel SNC sono individuabili alcuni eventi sequenziali (tab. 9). Essi sono la proliferazione, la migrazione, l'aggregazione, il differenziamento e la morte cellulare, la formazione di connessioni, e l'assestamento centro-periferia. Tratteremo questi eventi nell'ordine, cominciando per ciascun caso con una generalizzazione o conclusione significativa per la teoria, a cui seguiranno le dimostrazioni; una bibliogra2 In una rassegna piu recente sullo sviluppo del cervello [Gooclman e Shatz 1993], la formazione specifica delle connessioni neurali viene scomposta in tre passi interpretabili ancora alla luce del selezionismo: I) selezione del percorso, 2) selezione del bersaglio, 3) selezione dell'indirizzo.
.--
128
Capitolo quinto
fia esauriente è rintracciabile nella rassegna di Cowan [1978]. Complessivamente, queste conclusioni sono compatibili con l'ipotesi dei regolatori [Edelman I984b], descritta nel capitolo precedente. Inoltre, esse sostengono con forza che alcuni meccanismi primari dello sviluppo neurale sono indipendenti, evidenziando al contempo la natura statistica, selettiva e popolazionistica dei meccanismi stessi durante la formazione epigenetica del sistema nervoso. I) La proliferazione cellulare. La proliferazione cellulare che genera le popolazioni delle mappe nel SNC è autonoma e non dipende dagli input diretti alle mappe. Diversi esperimenti dimostrano la generazione di sottopopolazioni cellulari in scansioni definite e in sequenze specifiche. Queste sequenze possono svilupparsi dall'interno verso l'esterno (per esempio, nella corteccia cerebrale - per primo lo strato VI, per ultimo lo strato I), dall'esterno verso l'interno (per prime le cellule gangliari della retina, per ultimi i fotorecettori), o possono essere miste (nel tetto ottico del pollo, prima lo strato superficiale interno, poi gli strati profondi). La proliferazione neuronale nel SNC sembra indipendente dalle connessioni con le fibre afferenti o efferenti. I neuroni piu grandi sono generati prima dei neuroni piu piccoli; nel tronco cerebrale e nel midollo spinale è osservabile un gradiente rostrocaudale della proliferazione cellulare, infatti, lo sviluppo rostrale precede quello caudale. Nella prevalenza delle aree, la glia può comparire dopo, ma, in seguito, la proliferazione gliale (e la capacità di inclurla in stadi successivi) è assai piu cospicua della proliferazione neuronale. Nell'ultima fase della vita embrionale i tempi del ciclo cellulare sono già molto lunghi e, nell' adulto, i neuroni del SNC non proliferano piu. Al contrario, nel sistema nervoso periferico la proliferazione si verifica a migrazione ultimata, e la crescita Tabella 9. Fasi della neurogenesi [Cowan 1978]. Proliferazione cellulare Migrazione cellulare Aggregazione cellulare selettiva Citodifferenziamento neuronale Morte cellulare durante lo sviluppo neurale Formazione delle connessioni: Acquisizione della informazione posizionale Crescita assonale e ricerca del percorso Identificazione del bersaglio Assestamento centro-periferia e interrelazioni
La dinamica cellulare delle mappe neurali
12 9
è controllata dal campo di innervazione, come vedremo a proposito dell' assestamento centro-periferia [Purves 1983; Purves e Lichtman 19 83]. 2) La migrazione cellulare. lfattori implicati nella migrazione neu-
ronale sono diversi da quelli implicati nella crescita assonale. Tutti i neuroni del SNC si comportano come zingari in una fase della loro vita -la migrazione sembra verificarsi dopo l'uscita dal ciclo cellulare. Numerose dimostrazioni [Rakic I971b, I98Ia] indicano che la glia radiale costituisce molte (ma non tutte) delle vie di controllo della migrazione neuronale (fig. 2 I). Il significato fondamentale di queste osservazioni per i nostri scopi è che, in molti casi, due tipi diversi di cellula interagiscono con up ordine ben preciso per consentire il posizionamento della cellula. E difficile immaginare l'indirizzamento operato dalla glia radiale se non pensando a interazioni dinamiche e selettive tra neuroni e glia mediate dall' espressione delle CAM, alla migrazione su elementi della matrice extracellulare, come la citotactina, e alla successiva modificazione della forma delle due diverse famiglie di cellule che aderiscono reciprocamente con meccanismi eterotipici ed eterofilici 3. Gli esperimenti di Rakic [r97Ia, I97Ib, I972a, I972b, 1978, I98Ia] sono pienamente in accordo con le osservazioni secondo cui, se inattiviamo queste molecole con anticorpi mirati, impediamo una migrazione corretta dei granuli esterni in fette di cervelletto in coltura [Lindner e altri 1983; Hoffman e altri 1986; Chuong e altri 1987]. Tali meccanismi migratori, non ancora dimostrati nel sistema retinotettale, svolgono un ruolo importante nella formazione della corteccia cerebrale e cerebellare. In accordo con le osservazioni sulla modulazione della polarità delle Ng-CAM, l'estensione dei neuriti è separata dalla migrazione cellulare. Per esempio, Cowan [1978] ha evidenziato che cellule ectopiche nel tetto ottico (per esempio, una piccola percentuale che non migra verso il nucleo istmoottico) possono ancora indirizzare gli assoni verso il corretto occhio controlaterale. 3) L'aggregazione cellulare selettiva. La dimostrazione è a favore
di meccanismi epigenetici competitivi costituiti da segnali locali che inducono la regolazione o la modulazione delle CAM sulla superficie cellulare. Questo fenomeno generale è già stato approfondito nel capitolo precedente. L'unico punto da aggiungere è che, nella corteccia cerebrale, tutti i neuroni tardivi devono migrare dopo quelli già mi3
La piu importante molecola nota implicata nell' adesione neuroni-glia è l'astrotac-
tina [Edmonson e altri 1988].
,,-----
Capitolo quinto
13 0
La dinamica cellulare delle mappe neurali
Figura 21. Disegno schematico di quattro cellule della glia radiale e della coorte di neuroni migranti associati, come li ha disegnati Rakic [198Ia]. Le cellule poste tra le colonne illustrate sono state cancellate per semplificare il diagramma e sottolineare il fatto che tutti i neuroni generati nelle zone ventricolari (V) e sottoventricolari (SV) nello stesso sito (unità proliferative A-D) migrano in successione lungo la stessa fibra del fascicolo verso la piastra corticale in sviluppo (PC) e formano delle colonne radiali ontogenetiche (A-D). In ciascuna colonna i neuroni arrivati per ultimi oltrepassano i neuroni situati piti in profondità (NP), generati in tempi precedenti e giunti a occupare la posizione piti superficiale al confine tra piastra corticale in sviluppo e strato corticale (I). Le griglie della glia radiale conservano nella loro posizione finale i rapporti topografici tra la generazione di neuroni prodotti in unità proliferative e previene il disaccoppiamento che si verificherebbe se, per esempio, le cellule scegliessero un percorso diretto (linea tratteggiata) tra l'unità A e la colonna C' . A'
B'
C'
D'
- ... - ... PC NP
-
-- _
...
13 1
grati, i quali hanno formato dei gruppi, dopo aver raggiunto il sito definitivo. La modulazione delle N-CAM, delle Ng-CAM o di molecole gliali come la citotactina, pur nei diversi meccanismi, può spiegare l'adesione preferenziale e la regolazione di questo movimento en passant [Chuong e altri 1987]. 4) Il citodifferenziamento neuronale. La forma complessiva dei
neuroni sembra determinata geneticamente, mentre, al contrario, la distribuzione e la ramificazione dei prolungamenti non lo è, dipendendo dagli input. Lo sviluppo definitivo delle forme neuronali e la straordinaria variabilità epigenetica dei prolungamenti, a sua volta funzione degli input, suggerisce l'azione di un sistema complesso, dinamico e selettivo, in cui alcune variabili popolazionistiche (come le tipologie neuronali) sono fisse, mentre altre dipendono da interazioni statistiche. Il differenziamento neuronale si verifica in sincronia con l'arrivo delle afferenze e con la morte cellulare. A eccezione delle ramificazioni terminali piti fini, estremamente variabili, la maggior parte dei neuroni si differenzia in una morfologia caratteristica che, per ogni tipo, è svincolata dall'ambiente. Questo è dimostrabile in colture di tessuto [Scott e altri 1969; Fishbach 1970,1972; Banker e Cowan 1977, 1979; Dichter 1978; Peacock e altri 1979; Moonen e altri 1982; Neale e altri 1982] e in animali isogenici [Macagno e altri 1973]. In una struttura, quale il cervelletto [Rakic 1972b], l'arborizzazione dei neuroni è influenzata dalle afferenze in arrivo'. Cosi, la forma finale della ramificazione, ma non la morfologia complessiva della maggior parte dei neuroni, è influenzata dalla variazione nelle connessioni stabilite con le fibre afferenti. Nella corteccia cerebrale troviamo un'ampia variabilità nei modelli di ramificazione e nella lunghezza dei dendriti (si veda la tab. ·4). La formazione delle spine dendritiche sembra un processo autonomo, nel senso che si verifica in assenza di input, pur mostrando anch' essa una significativa variabilità. Come vedremo a proposito della proiezione retinotettale, il fenotipo finale di un neurone attivo dipende da numerosi e diversi mec, Un classico esempio del peso relativo dei fattori genetici ed epigenetici nella formazione del cervello è rappresentato dalle cellule del Purkinje, presenti nella corteccia del cervelletto, le quali, in condizioni normali, organizzano i loro rami dendritici in una forma" a palizzata", mentre, quando si verificano mutazioni geniche, questa struttura è ,Profondamente al~erat~. T ale ~.lifetto ~ s~ss~ la ripercussione epigenetic~ della ll?-0rte e/o della mancata rrugrazlOne del neuroru sltuatl a monte nella rete neurale, l granuli, come nel caso del mutante weaver [Sidman e altri 1965; per una rassegna illustrata sui circuiti della corteccia del cervelletto, si veda Llinas 1975; per una rassegna sui mutanti cerebellari, si veda Jacobson 1991 3].
r 13 2
Capitolo quinto
canismi molecolari. L'attività influisce sul differenziamento neuronale in funzione del momento iniziale dell' attività, del tipo di canali ionici presenti, della modalità di trasmissione sinaptica e del tipo di neurotrasmettitore scelto, qualora la trasmissione sia di tipo chimico. Sebbene manchino degli studi definitivi sui neuroni del sistema nervoso centrale, l'analisi delle cellule dei gangli indica che una cellula progenitrice può sintetizzare in un primo tempo noradrenalina e in una fase successiva acetilcolina [Patterson e Chun 1974; Johnson e altri 1976]. La scelta in un senso o nell'altro è determinata da variabili spaziali locali. E stato dimostrato, per esempio, che la particolare posizione raggiunta dalle cellule nella cresta neurale è il fattore decisivo per la scelta futura in senso adrenergico o colinergico [Le Douarin 1982]. Tutte queste considerazioni sottolineano quanto sia importante l'attività nel plasmare le mappe neurali, che apparirà piu chiara quando parleremo delle proiezioni retinotettali. 5) La morte cellulare. La morte cellulare si verifica durante la for-
mazione delle strutture, può essere stocastica, può coinvolgere molte cellule in una popolazione e generalmente non è preprogrammata' [Cowan e Wenger 1967; Prestige 1970; Cowan 1973; Hamburger 1975; Berg 1982]. Se la morte si verifichi spontaneamente o meno dipende dalla tempestiva formazione delle connessioni tra le cellule e il loro campo proiettivo, ed è, questa, un'ulteriore prova a sostegno dei modelli competitivi e selettivi nella formazione delle strutture nervose. Non vi è esempio piu probante della morte cellulare a favore della costruzione per selezione delle strutture nervose. Infatti, durante lo sviluppo, in alcune aree muore circa il 70% delle cellule, e tale mortalità può verificarsi in un tempo relativamente breve. In prevalenza, la morte cellulare non è pre-programmata, ma dipende dalle connessioni stabilite dal neurone con i campi di innervazione corretti. Si tratta per lo piu di un fenomeno epigenetico in gran parte stocastico; anche in alcune forme mutanti di topo, i cosiddetti granuloprivi (in particolare, la forma staggerer), la maggior parte della perdita non è pre-programmata, ma dipende, piuttosto, dall'assenza di eventi contingenti [Rakic e Sidman 1973; Messer e Smith 1977; Messer 1980]. Cosi, in due individui diversi, mentre in una regione muore, , Grande attenzione è stata rivolta negli ultimi anni alla morte cellulare programmata, o apoptosi. Si tratta di un fenomeno attivo che coinvolge alcuni geni non ancora ideQtificati, mentre è stato identificato un gene che, se attivato, previene l'apoptosi stessa. E interessante il fatto che, almeno in parte, i meccanismi che controllano la proliferazione delle cellule siano anche quelli che ne controllano la morte, come nel caso dell'oncogene myc [Evan e altri 1992; per una rassegna del controllo genico della morte cellulare si veda Freeman e altri 1993].
La dinamica cellulare delle mappe neurali
133
grosso modo, la stessa percentuale di cellule, in ogni popolazione comparabile muoiono cellule diverse. 6) La formazione delle connessioni. Il risultato della crescita dei
prolungamenti neuronali per formare e stabilizzare le connessioni dipende da un insieme complesso di meccanismi dinamici cooperativi e competitivi [Cowan 1978; Purves 1980; Purves e Lichtman 1983, 1985; Easter e altri 1985] e, in un certo grado, stocastici nella loro attività. Abbiamo già accennato a tale questione a proposito delle sinapsi neuromuscolari. La formazione delle connessioni si collega alla questione dell' assestamento centro-periferia, che vedremo dopo, e cadrà a proposito quando parleremo della formazione delle proiezioni retinotettali. In accordo con le prove secondo cui durante la crescita assonale entrano in gioco dei meccanismi dinamici, le N-CAM e le Ng-CAM sono presenti sui coni di crescita e mediano la fascicolazione [Hoffman e altri 1986]. Gli studi sulla rigenerazione muscolare, riassunti nel capitolo precedente, dimostrano l'esistenza di un ciclo di controllo reciproco tra la regolazione delle CAM e l'integrità sinaptica. E probabile che cicli analoghi siano presenti nel SNC. 7) L'assestamento centro-periferia. Le connessioni sinaptiche pos-
sono ridursi di numero quando attraversano i confini di una popolazione normale, ed esiste una regolazione quantitativa delle distribuzioni pree postsinaptiche. Due casi di innervazione periferica esemplificano questi aspetti [Purves 6 1983; Purves e Lichtmann 1983]: lo studio del midollo spinale, in cui i singoli motoneuroni sono innervati da fibre provenienti dai fusi muscolari sensibili allo stiramento, e gli eleganti studi sul sistema nervoso autonomo periferico. Nel midollo spinale, i singoli motoneuroni possono indirizzare i loro prolungamenti verso 6 Paradossalmente Dale Purves, il quale fornisce materiale sperimentale su cui ragionare in termini di selezionismo, nega valore al darwinismo neurale [Purves 1994, pp. 6-7] e propone una teoria costruzionista [ibid., p. 7]. Infatti, se da un lato egli ha sostenuto «la teoria trofica delle connessioni neurali» [Purves 1986], secondo cui «le terminazioni nervose competono per le molecole derivate dal tessuto bersaglio disponibili in quantità limitata» [ibid., p. 486], dall'altro ha affermato che «sebbene certamente si verifichi una perdita di sinapsi durante lo sviluppo - e nonostante tutta l'attenzione focalizzata sulla" potatura" e la "stabilizzazione selettiva" - questi processi regressivi sono ampiamente oscurati da una aggiunta progressiva di sinapsi e circuiti» [ibid., p. 68; Purves 1988]. Edelman ha risposto al complesso di critiche di Purves sottolineando un travisamento del proprio pensiero: «[ ... ] quando descrivo la formazione del reJiX!rtorio primario, affermo in modo esplicito che la selezione per eliminazione è insufficlente. Senza dubbio si verifica, durante lo sviluppo del sistema nervoso, ma è soltanto uno dei meccanismi selettivi; altri meccanismi di pari o maggiore importanza si verificano quando l'espressione di nuòve molecole fa si che si formino nuovi percorsi anatomici e quando le nuove sinapsi che si formano in dipendenza dell' attività neurale creano anelli per i segnali» [Edelman 1992a, trad. it. p. 151].
! I34
Capitolo quinto
segmenti distinti [Shinoda e altri 1981,1982, 1986], e insiemi di motoneuroni innervano particolari gruppi muscolari aventi una precisa disposizione lungo l'asse rostrocaudale e lungo il piano trasversale. Tuttavia, la posizione non è assoluta, e insiemi diversi di motoneuroni possono sovrapporsi, nel rispetto di un modello, che potremmo definire, degenerato. Tuttavia, le afferenze raggiungono il midollo spinale innervando i motoneuroni che a loro volta innervano il muscolo appropriato, e questo si verifica anche se i neuroni bersaglio sono circondati da neuroni estranei. Per quanto questo modello sperimentale non ci consenta degli studi diretti sulla reinnervazione, è sorprendente come l'ablazione di un ganglio della radice dorsale innervante l'avambraccio della talpa induca un ganglio adiacente a inviare prolungamenti supplettivi verso l'avambraccio stesso [Purves e Lichtmann 1983]. Tali nuove afferenze innervano i motoneuroni che controllano quel muscolo piu estesamente rispetto ai motoneuroni estranei. Questo dimostra che la formazione delle mappe è al contempo selettiva e non prede terminata da un rigido insieme di marca tori. Studi sul ganglio cervicale superiore [Purves 1983] indicano che in esso, per quanto arrivino input da neuroni pregangliari posti in almeno otto segmenti del midollo spinale, il singolo neurone sito in un certo livello riceve assoni da un sottoinsieme contiguo di afferenze. Le cellule che inviano le fibre postgangliari verso i vari distretti periferici ricevono gli input pregangliari dagli assoni posti su diversi livelli rostrocaudali nel midollo spinale. Considerata l'assenza di una mappa topografica, questi dati sembrano spiegabili con un bilancio competitivo tra classi diverse di fibre pregangliari. Questa è la principale conclusione a cui giunge Purves [1980], densa di significato per quelle teorie selettive dove la competizione svolge un ruolo preponderante 7. Sulla base di questi e altri studi, Purves e Lichtmann [1983] ritengono vi siano tre criteri da soddisfare per spiegare la formazione di specifiche strutture nervose. 1) Un primo criterio deve spiegare il numero limitato di connessioni pre- e postsinaptiche in condizioni normali, e la capacità di ridurre, nello sviluppo, le connessioni già 7 Dale Purves eJeff Lichtman [1983; Purves 1994] hanno proposto un modello per spiegare questa selezione, il quale sostiene che il supporto nutritizio al neurone presinaptico da parte del bersaglio postsinaptico viene fornito solo se entrambe le cellule sono attive contemporaneamente. Tale regola, analoga alla regola di Hebb per il rinforzo delle sinapsi (si veda il Glossario), determinerebbe una transizione da poche sinapsi realizzate da molti neuroni su una cellula bersaglio, a molte sinapsi realizzate da pochi assoni sullo s tesso bersaglio.
La dinamica cellulare delle mappe neurali
I35
formatesi attraverso i confini della popolazione normale. 2) Un secondo criterio deve spiegare il fatto che il "riconoscimento" normale è relativo, non assoluto, riflettendo piuttosto una" predisposizione" . La posizione, pur svolgendo un ruolo, non richiede per forza di essere determinata nei dettagli anatomici (questo è evidente nei gangli, che non sono topografici nella loro organizzazione). 3) Analogamente alle giunzioni neuromuscolari, la regolazione quantitativa della distribuzione pre- e postsinaptica dei neuroni deve essere possibilmente spiegata in termini di sostanze trofiche e difeedback. Tutti questi criteri evidenziano il disaccordo tra il concetto di specificità neurale e la teoria di un marcatore molecolare specifico nel riconoscimento tra neuroni. Secondo le nostre conclusioni del capitolo IV, la specificità neurale sembra in relazione con la selettività, essendo il risultato della competizione tra sistemi dinamici, piuttosto che dell' esistenza a priori di marcatori per il riconoscimento. La competizione e gli eventi epigenetici locali, al posto di eventi prestabiliti, sono temi ricorrenti in diverse fasi dell'interazione tra neuroni. Se a questo quadro aggiungiamo il controllo genetico del differenziamento neuronale si perfeziona il grado di raffinatezza con cui gli eventi epigenetici selettivi possono bilanciare conservazione e variazione, senza peraltro modificare l'interpretazione di fondo.
4. Eventi cellulari primari e selezione. A questo punto, possiamo incorporare gli aspetti generali dei meccanismi primari appena descritti nella nostra concezione di una teoria selettiva dinamica della formazione delle strutture nervose. I fatti sono a favore della teoria che, con iI procedere della divisione, della migrazione e dell' estensione dei prolungamenti neuronali, si verifichi una serie epigenetica di selezioni contingenti, in parte vincolata dalla determinazione genetica della forma neuronale. Questo insieme di eventi selettivi modifica la struttura neurale e, in ogni fase, dipende da numerosi meccanismi essenziali. Essi comprendono: la straordinaria variabilità delle arborizzazioni terminali, la loro sovrapposizione e competizione, la dipendenza della loro forma definitiva da eventi statistici locali e contingenti, dalle connessioni afferenti e dallo stato effettivo del neurone, le interazioni competitive tra fibre nervose in estensione verso territori occupati e liberi, la dipendenza della formazione delle strutture nel SNC da interazioni selettive e sequenziali tra i due grandi sistemi cellulari, i neuroni e la
r I3 6
Capitolo quinto
glia (in particolare, nel caso della migrazione), la notevole e diffusa mortalità cellulare, i processi selettivi di eliminazione 8 e stabilizzazione delle sinapsi, e l'adattamento quantitativo delle popolazioni neurali alle richieste delle aree periferiche. In ognuno di questi processi si nota 1'elaborazione e 1'estensione dei principi selettivi e regolativi proposti nel capitolo precedente. Tutti i fenomeni citati sono compatibili con i meccanismi modulatori dell' adesione cellulare e con l'interazione tra CAM a diversa specificità. Le dimostrazioni ricavate dagli studi sulle cellule sono incompatibili con la teoria del riconoscimento specifico dovuto a un im.llenso numero di marcatori cellulari, mentre assecondano perfettamente la presenza di un' enorme variabilità microscopica nelle ramificazioni terminali. Nonostante questa variabilità, i singoli neuriti guidati dai coni di crescita possono seguire dei percorsi preferenziali durante la neurogenesi, specialmente durante la formazione dei tratti nervosi. Per mettere a fuoco il ritratto che traspare da queste considerazioni, e mi riferisco al contrasto tra specificità e variabilità proposto a inizio capitolo, possiamo discutere proficuamente come la modulazione della superficie cellulare in un ciclo delle CAM o delle SAM (si veda la fig. 20) induca la formazione di strutture specifiche. Consideriamo un neurone esplorativo che estende un neurite su un substrato, per esempio la citotactina, e raggiunge un punto di svolta in cui il cono di crescita interagisce con altri neuroni e tratti neurali. A questo punto, il neurite deve scegliere in quale direzione crescere. Come può un evento di questo genere verificarsi nel sistema nervoso in assenza di miriadi di marcatori e indirizzi? Il primo punto da sottolineare è che tale neurone esplorativo deve, in genere, operare una scelta in uno spazio microscopico avente un raggio dell'ordine di pochi micron. Il secondo punto è che, in genere, in questi limiti spaziali L'eliminazione delle sinapsi nei proc~ssi di sviluppo e nell' attività continua ad essere confermata e si comincia a comprendere attraverso quali meccanismi si verifica. Con lo scopo di chiarire se l'eliminazione delle sinapsi è un processo competitivo dipendente dall'attività, Rita Balice-Gordon eJeff Lichtman [I994] hanno bloccato l'attività nella singola sinapsi neuromuscolare applicando localmente un antagonista del recettore per l'acetilcolina, l' cx-bungarotossina, e hanno osservato che, dopo poche settimane, essa scompare, mentre le terminazioni distanti pochi micrometri persistono; !'interessante controprova è l'applicazione dello stesso antagonista a tutta la giunzione neuromuscolare, e, in questo caso, non viene eliminata alcuna sinapsi, dimostrando che l'eliminazione avviene in una sinapsi inattiva solo se le sinapsi vicine rimangono attive, cioè, una sinapsi attiva tende a eliminare le sinapsi vicine inattive. Insormontabili problemi tecnici rendono, al momento, impraticabile un analogo studio della sinapsi nel cervello Uennings I994]. 8
La dinamica cellulare delle mappe neurali
I37
e in questa fase precoce, il numero di alternative è inferiore a dieci. Dato un esiguo numero di CAM e SAM (una decina circa) e circa cinque meccanismi modulatori, ci sono gli elementi sufficienti per la scelta del percorso. Supponiamo che il neurite presenti una o due CAM sulla propria superficie al momento in cui deve operare la scelta. I neuronI intorno al bersaglio o al punto di ramificazione si sono sviluppati indipendentemente, e in questa fase possono esprimere o meno le stesse CAM sulla superficie. Immaginiamo che ne siano privi. Se i neuroni bersaglio producono un segnale induttivo (morfogeno o fattore di crescita) in questo sito, il cono di crescita del neurone esplorativo può raccoglierlo e ridurre il numero di CAM sul neurone stesso oppure indurre il neurone a esprimere un nuovo tipo di CAM. L'evento indispensabile ai fini della scelta è che i neuroni bersaglio possiedano piu di un ligando per questa CAM (o lo possiedano in esclusiva) tra 1'esiguo numero di neuroni vicini. Soddisfatte queste condizioni, allora il neurone esplorativo può dirigersi verso il bersaglio. I requisiti di questo modello selettivo basato sul ciclo delle CAM sono che il rieurone bersaglio rilasci un segnale induttivo e che esprima congiuntamente la CAM appropriata, cioè, in un tempo ragionevolmente prossimo al rilascio del segnale. Varianti ovvie di questo modello implicano una modulazione differenziale delle CAM, un forte incremento facoltativo delle CAM già presenti, e simili. Il modello manifesta delle analogie con quello proposto da Bastiani e collaboratori [1985] per spiegare l'indirizzamento del cono di crescita nelle cavallette, un modello anch' esso basato sulla modulazione della superficie cellulare. Nel nostro esempio enfatizziamo gli aspetti combinatori della specificità delle CAM, la variabilità dei meccanismi di mo9 dulazione e, in minor grado, il "riconoscimento cellulare" per sé • 9 Ricerche piu recenti dimostrano l'esistenza di un gioco complesso di fattori attrattivi e repulsivi nell'indirizzamento delle principali vie nervose nel cervello, alcuni dei . quali agiscono a lunga distanza (fattori neurotropici) e non solo per contatto diretto. Infatti, esperimenti in vitro miranti a ricostituire le condizioni anatomiche in vivo hanno dimostrato che, per esempio, i neuroni del bulbo olfattivo crescono allontanandosi dal setto, e questo evento dipende da un fattore repulsivo diffuso a distanza [Pini I993], oppure che gli assoni dei neuroni sensoriali appartenenti ai gangli dorsali spinali subiscono analoga repulsione mediata da una sostanza secreta dal midollo spinale ventrale [Fitgerald e altri I993]. Anche un fenomeno noto, ma non chiarito nella sua natura molecolare, il "collasso del cono di crescita" [Kapfhammer e Raper I987], dipende da molecole repulsive a breve raggio d'azione, le quali sono CAM denominate significativamente collassina [Luo e altri I993] e semaforine [Kolodkin e altri I993; Matthes e altri I995; Messersmith e altri I995], presenti sia associate alla membrana che libere. Anche l'attrazione dei coni di crescita verso un' area specifica dipende da chemioattrattori rilasciati dalle
r 13 8
Capitolo quinto
Questo modello di indirizzamento neuronale dipende dall' esplorazione di una piccola regione da parte del cono di crescita, da segnali permissivi per il movimento (che non prosegue finché non viene trovata la corretta combinazione di segnali e di CAM nel perimetro), e dall' assorbimento di un fattore induttivo da parte del cono di crescita. In linea di massima, operata la scelta, queste condizioni non devono ripetersi per ogni fibra che segue questo percorso. Tuttavia, le fibre di un piccolo fascio nervoso potrebbero produrre una risposta modulatoria simile a quella delle fibre esplorative amplificando la risposta originale che si manifesta con un movimento piu diretto verso il segnale induttivo. Il controllo modulatorio della struttura nervosa consentito dal ciclo delle CAM è, in linea di principio, simile negli ingredienti a quanto abbiamo visto a proposito dell'induzione dei modelli di penna (si veda la fig. 20). Ciò in cui si diversifica è l'esplorazione attiva dei coni di crescita dei neuriti, l'ordine di grandezza degli eventi, e il coinvolgimento di piu meccanismi di modulazione e di piu CAM (forse decine, si veda la tab. 8). Strutture nervose specifiche pottebbero scaturire da tali elaborati eventi di "mini-induzione". Tùttavia, va notato che, sebbene valga per alcune ramificazioni, non è necessariamente la regola: infatti, nella scala immediatamente inferiore, quale la ramificazione dendritica e piu raramente la ramificazione assonale, può e deve manifestarsi una notevole variabilità. Inoltre, una volta prese le principali decisioni nella ramificazione (controllate dalla sequenza di eventi epigenetici e dall'evoluzione), la morte cellulare e la successiva re trazione del neurite possono modificare ulteriormente la struttura. La nostra conclusione di fondo è che un ciclo modulatorio impiegante un modesto numero di CAM e SAM, che si ripete epigeneticamente e che interagisce con i meccanismi cellulari primari, può generare, a opera della selezione, strutture ben definite, ma anche la aree bersaglio, come nel caso della piastra basale, dove sono state identificate due molecole omologhe, le netrine [Serafini e altri 1994; Kennedye altri 1994] che attraggono gli assoni commissurali del midollo spinale. Tali molecole, in particolare la netrina I, hanno però un comportamento bifronte potendo essere anche repulsive per gli assoni di un particolare tipo di neuroni, i motoneuroni trocleari [Colamarino e Tessier-Lavigne 1995]. Molecole tradizionalmente conosciute per avere un ruolo ben diverso, quale il neurotrasmettitore acetilcolina [Zheng e altri 1994], hanno anch'esse un effetto attrattivo, almeno in vitro, sugli assoni dei neuroni spinali di Xenopus. Se tali "induttori morfologici" regolino l'espressione e la modulazione delle molecole di adesione, come sarebbe coerente con !'ipotesi dello sviluppo di Edelman [1988, trad. it. p. 16d, non è ancora stato dimostrato.
La dinamica cellulare delle mappe neurali
139
variabilità individuale. Cowan [1978] cita, a proposito, un' annotazione anticipatrice di Ramon y Cajal: Sono stato affascinato dal problema di come un neuroblasto piriforme, privo di prolungamenti, si trasformi in quella prodigiosa forma ad albero [ ... ] che è la cellula del Purkinje. [ ... ] Ho notato che ogni ramificazione, dendritica o assonale, attraversa, durante la propria formazione, una fase, per cosi dire, caotica, di prove, durante la quale vengono emesse a caso delle guide esplorative, la maggior parte delle quali destinata a scomparire. [... ] Successivamente, quando le fibre nervose afferenti hanno raggiunto il bersaglio, o quando i neuroni si plasmano e raggiungono, nel tempo dovuto, una solidarietà funzionale, le espansioni utili si conservano e si consolidano, mentre quelle inutili o esplorative vengono riassorbite. [Ramon y Cajal 1937].
Le prove accumulatesi nel tempo confermano questa visione: l'anatomia sottostante alla formazione delle mappe è il probabile risultato di una serie di episodi locali a feedback molto complessi, e non di strutture prestabilite nei dettagli. Eventi anatomici di questo tipo creano necessariamente la variabilità. Tuttavia, dobbiamo sottolineare che, tranne alcune eccezioni, una volta completato lo sviluppo anatomico, la formazione delle mappe rimane a carico della plasticità sinaptica, in condizioni selettive generalmente diverse. Questo è il dogma principale (si veda il capitolo III) della teoria della selezione dei gruppi neuronali: lo sviluppo di circuiti degenerati procede in una direzione per generare un repertorio primario; la selezione successiva che crea il repertorio secondario coinvolge esclusivamente le sinapsi. Il dogma a senso unico implica, per esempio, che la gemmazione (sprouting) nell' adulto, osservabile nella rigenerazione delle connessioni del bulbo olfattivo [Graziadei e Monti Graziadei 1978, 1979a,1979b] o nel centro neurale che controlla il canto degli uccelli 'o [Nottebohm 1980,1981a, 198'1b] sia una variante specializzata che consente una nuova possibilità alla selezione sinaptica. In una concezione di questo tipo la sola gemmazione non può assolutamente creare strutture anatomiche e sinaptiche identiche ai circuiti preesistenti alla gemmazione stessa, sebbene possano essere equivalenti dal punto di vista funzionale. Naturalmente, il consolidamento delle connessioni definitive nel IO Nel sistema nervoso centrale la regola generale prevede che le fibre rigenerino poco o nulla. Le due eccezioni piu note sono quelle, qui citate da Edelman, del bulbo 01fattivo e dei centri canori degli uccelli. In questi centri neurali oltre alla rigenerazione, si verifica anche la produzione ex novo di neuroni [per delle rassegne divulgative, si vedano Nottebohm 1989; Biffo e Fasolo 1994].
r I4°
Capitolo quinto
SNC non coincide con la nascita o la schiusa e, secondo la specie, può coincidere con le prime forme di comportamento adulte ed essere influenzato dal comportamento stesso nell'ambiente esterno [Marler 1984]; approfondiremo questo tema nel prosieguo del capitolo e nel capitolo XI. Non contraddice la nostra teoria il fatto che alcuni modelli rigenerativi si sviluppino ripercorrendo le tracce di strutture impostate nelle prime fasi dello sviluppo.
5. L'organizzazione delle mappe durante lo sviluppo.
A questo punto, avendo descritto lo scenario dei fattori cellulari e molecolari implicati nello sviluppo delle mappe, possiamo considerare come si organizzino, di fatto, le mappe. Il primo esempio sarà un modello ben conosciuto di formazione di mappe durante lo sviluppo embrionale, cioè, la proiezione retinotettale; confronteremo poi questo esempio con l'organizzazione e la plasticità delle mappe adulte nel sistema somatosensoriale. In entrambi i casi non ne è ancora stato determinato l'esatto meccanismo, ma considerandoli insieme ricaviamo delle prove persuasive dell'esistenza di un continuum nello sviluppo, in cui la selezione dei circuiti con meccanismi di regolazione operanti sui processi primari cede gradualmente il passo a una selezione dei circuiti con meccanismi operanti nelle sinapsi. La proiezione retinotettale è il classico esempio di mappa continua generata nello sviluppo (fig. 22). Se, mentre registriamo" la superficie del tetto ottico di una rana, illuminiamo la retina con un raggio di luce puntiforme in parti vicine, la risposta elettrica (quella delle fibre presinaptiche) si manifesta sotto forma di una mappa che riproduce a grandi linee l'ottica geometrica del campo visivo, l'organizzazione della retina, e un rapporto organizzato tra retina e tetto. Sono stati gli esperimenti di Roger Sperry sul tritone [1943a, 1943b] a dare un notevole impulso all'indagine di questo sistema e a originare il concetto di chemioaffinità rigida 12 [Attardi e Sperry 1963; Sperry 1963, 1965]. Pur essendo state svolte ricerche significative " Si tratta di una registrazione dell' attività elettrica dei neuroni per mezzo di elettrodi. 12 Secondo Michael Gazzaniga, suo allievo, Roger Sperry è da considerarsi «in un certo senso, l'ultimo degli strutturalisti» [Gazzaniga 1992, p. 331, per la sua concezione rigidamente determinata dello sviluppo del cervello.
La dinamica cellulare delle mappe neurali
14 I
su altri sistemi [cfr. Schmitt e altri 1981; Edelman e altri 1985], il sistema retinotettale rimane un paradigma fondamentale: possiamo ragionevolmente supporre che una sua descrizione e spiegazione completa ci svelerà i principi della formazione di tutte le altre mappe cerebrali dei vertebrati superiori. Sono stati eseguiti diversi esperimenti sulla rigenerazione nel tetto dopo la resezione del nervo ottico. Nell' esperimento classico, l'occhio, dopo la resezione del nervo, è stato ruotato di 180 gradi; i tritoni, il cui sistema retina-tetto si era rigenerato, hanno risposto agli stimoli in modo da far pensare che i loro campi visivi fossero invertiti e fossero state scambiate la destra e la sinistra originarie. NumeFigura 22. La mappa retinotettale nello Xenopus [Fraser 1985]. Un elettrodo è stato inserito nel neuropilo del tetto in ciascuna delle posizioni numerate dell'elettrodo (Al, ed è stata determinata la regione del campo visivo che viene attivata in ciascuna posizione numerica dell' elettrodo (Bl. L'intera regione del campo visivo (illustrata in Cl che manifesta un' attività sulla punta dell'elettrodo, la quale è la somma dei segnali provenienti da molte terminazioni delle fibre ottiche, viene definita un campo recettivo multiunità. Al ~
~ Rostrale Tetto sinistro Superiore
Superiore
Cl
z ~
~
o 00n anOOo
](0 COoo t ~OOO n v ~
OOOCY
Inferiore
Inferiore
Campo visivo dell'occhio destro
Campo visivo dell' occhio destro
f
r-
14 2
Capitolo quinto
rosi esperimenti [per una rassegna, si veda Cowan e Hunt I985] hanno suggerito che certe parti della retina formavano delle mappe sulle parti del tetto che erano già state il loro bersaglio originale. Altri ricercatori [Straznicky e altri I98I] hanno ideato variazioni sul tema piu sofisticate i cui risultati hanno suggerito che la spiegazione piu plausibile fosse il riconoscimento cellulare mediato da marcatori specifici, come spiega in dettaglio la teoria della chemioaffinità. Tuttavia, successivi dati sperimentali hanno messo in difficoltà tale spiegazione della proiezione retinotettale. Per esempio, asimmetrie create sperimentalmente tra retina e tetto con un'ablazione di parti dell'una, dell'altro o di entrambi hanno dimostrato la possibilità di proiettare una retina intera [Gaze e Sharma I970] su mezzo tetto ottico, oppure una retina parziale poteva proiettarsi verso l'intero tetto controlaterale. Se desideriamo spiegare adeguatamente queste «compressioni» ed «espansioni» della mappa [Schmidt e altri I978] dobbiamo ricorrere a ulteriori e complesse modifiche della teoria della chemioaffinità rigida ". I tentativi di dimostrare che la mappa può essere spiegata con un "ordine propagato" , già presente nello sviluppo temporale delle fibre nervose, non convincono, neppure là dove, come nel nervo ottico, sono osservabili tali strutture ordinate [Scholes I979; Purves e Lichtmann I985]. Infatti, in alcuni animali, come il gatto, vi è una distribuzione alquanto confusa nel nervo e, in altri animali, gli assoni del nervo ottico si riorganizzano dopo aver raggiunto il tetto ottico. 13 Una tra le concezioni emergenti nello sviluppo del cervello è una versione" moro bida" della chernioaffinità [Walter e altri 1987; Baier e Bonhoeffer 1992]. Nel caso delle proiezioni tra retina e tetto ottico, è stato dimostrato che la propensione delle fibre della retina nasale a proiettarsi verso il tetto ottico posteriore e della retina temporale verso il tetto ottico anteriore dipende dalla distribuzione nel tetto ottico stesso di specifiche molecole repulsive distribuite secondo un gradiente rostrocaudale, le cosiddette molecole TOP. Sembra probabile, anche se non è stato dimostrato definitivamente, che la loro distribuzione sia controllata a monte;! da un particolare gene omeotico (si veda il capitolo IV, nota 4), il gene en (omologo del gene engrailed della Drosophila), implicato nella formazione di alcune aree cerebrali come il cervelletto e il tetto ottico appunto, e distribuito anch' esso secondo gradiente rostrocaudale. Se tale sequenza di eventi sarà confermata, l'ipotesi dei regolatori di Edelman sarà applicabile anche ai fenomeni implicati nella formazione delle grandi proiezioni cerebrali. Edelman e collaboratori [Gally e altri 1990; Montague e altri 1991] hanno proposto l'ipotesi dell'NO (ossido d'azoto), secondo la quale questa molecola può modificare la forza sinaptica agendo retrogradamente sui neuroni presinaptici (si veda il capitolo VII, nota 9). A conferma di ciò, è stato dimostrato [Williams e altri 1994] che l'NO, espresso nel tetto ottico, è coinvolto nella formazione delle proiezioni retino-tettali.
La dinamica cellulare delle mappe neurali
143
La prova piu convincente a sfavore di un unico insieme di marcatori prestabiliti è offerta dagli studi originali di Gaze e collaboratori [Gaze e Sharma I9701 confermati di recente da altri ricercatori. Questo lavoro è stato elegantemente riassunto da Easter e altri [I985]. La loro conclusione è che, malgrado le fibre in arrivo formino inizialmente una mappa retinotopica ordinata sul polo rostrale del tetto di Xenopus, la loro proiezione viene regolarmente modificata quando il tetto cresce per divisione cellulare. Questo fenomeno ha suggerito l'ipotesi della connessione-da-scivolamento secondo cui le sinapsi nelle mappe si formano,. si scompaginano e si riformano continuamente finché il tetto ottico si sviluppa. Inoltre, Easter [I985] ha dimostrato che nel pesce rosso, a caus~ della asimmetria di crescita tra la retina e il tetto ottico, si stabilisce una disarmonia topologica tra le due aree di crescita. Tuttavia, nei pesci di piccole dimensioni (prima che si verifichi la disarmonia) e nei pesci di grandi dimensioni le mappe non solo sono organizzate, ma anche simili [E aster I983; Easter e Stuermer I984]. Anche in questo caso, le ultime fibre in arrivo devono formare delle connessioni che spiazzano le vecchie consentendo, inoltre, a quest'ultime di formare nuove appropriate connessioni. In alcuni esperimenti riguardanti l'ipotesi della chemioaffinità, sono state tratte delle conclusioni impiegando i dati relativi ai sistemi in via di rigenerazione, mentre, in altrt esperimenti, i dati sono stati ricavati dai sistemi in via di sviluppo. E chiaro, da quanto esposto nel capitolo precedente, che i due tipi di sistema non sono sovrapponibili. Inoltre, gli esperimenti classici non distinguevano tra i diversi meccanismi cellulari di sviluppo implicati nella formazione delle sinapsi, nel riconoscimento dei tessuti bersaglio e nell'indirizzamento assonale, già descritti in questo capitolo. Nel complesso, tutte queste carenze e contraddizioni invocano un insieme alternativo di meccanismi per spiegare il mappaggio retinotettale, il quale sia svincolato dalla teoria della chemioaffinità rigida: perdipiu, è probabile che nelle diverse specie e nell' ambito di tale insieme acquistino via via maggiore rilevanza meccanismi differenti nello sviluppo delle mappe. Sebbene la dimostrazione non sia definitiva, tre o quattro osservazioni indicano che la formazione della mappa retinotettale si basi su meccanismi compatibili con la teoria della selezione dei gruppi neuronali. La prima [Schmidt I985] è che le singole fibre estendono le proprie arborizzazioni su un' area considerevole del tetto ottico. (Va rammentato che il singolo cono di crescita può avere notevo-
.-----
La dinamica cellulare delle mappe neurali
Capitolo quinto
144
li dimensioni). La seconda osservazione è che la mappa primitiva, pur essendo pili o meno organizzata, è grezza, e le singole fibre del nervo ottico hanno campi recettivi molto ampi. La mappa, inizialmente imprecisa, si perfeziona grazie all' attività: infatti, somministrando tetrodotossina alla retina tale perfezionamento viene impedito [Schmidt 1982, 1985]. Inoltre, inibendo le aree del tetto ottico nei pesci e nella rana con
Per una sintesi sui meccanismi sinaptici dipendenti dall' attività si veda la nota I 5.
145
legame della N-CAM, della Ng-CAM e della citotactina con meccanismi a feedback locale potenzialmente dipendenti dalla coattivazione delle fibre in input. Pur nell'incompletezza dello studio di tali meccanismi, i dati di cui disponiamo ci suggeriscono che una mappa organizzata scaturisce da meccanismi modulatori e dalla selezione competitiva. Figura 23. Gli effetti degli anticorpi anti-CAM sulla organizzazione delle mappe retinotettali. Il microelettrodo di metallo è stato inserito nel tetto in ciascuna posizione indicata dai punti sul tetto rappresentativo (A); l'impianto anti-N-CAM consistente in anticorpi posti su una punta di agaroso è stato effettuato nella posizione circolare prossima al centro del tetto. I cerchi grandi negli altri diagrammi rappresentano un intervallo di 200 gradi del campo visivo dell' occhio destro, il cui centro rappresenta il punto di fissazione dell' occhio. Il centro della regione di risposta del campo visivo della rana per ciascuna posizione dell'elettrodo è segnato nella riga superiore dei circoli dal codice della posizione dell'elettrodo mostrata in A. Sotto ciascuno di questi diagrammi vengono indicati i diagrammi dei campi recettivi multiunità corrispondenti. I modelli di classe I (B, in alto) ricavati con anticorpi non immuni mostrano la stessa organizzazione rettilinea dei campi recettivi per l'insieme rettilineo di posizioni degli elettrodi osservati nell'animale normale. L'ampiezza dei campi recettivi (B, in basso) nella proiezione illustrata qui era tra le piu ampie tra quelle osservate in animali con proiezioni di classe L C: modelli di classe 2 ottenuti con anti-N-CAM, mostrano una distorsione della proiezione (in alto) e un allargamento dei campi recettivi (in basso). Questa distorsione è facilmente osservabile comparando le posizioni dei campi recettivi corrispondenti B3, C3, e D3 in B e C.
B)
A) ~ A '6
~
Superiore
D 5
4 3 2 Rostrale Tetto sinistro
~
z~
e;
~
.,z ~
~
~ @<
~
~
Inferiore
Inferiore
Campo visivo dell' occhio destro
Campo visivo dell' occhio destro
! 146
Capitolo quinto
La dinamica cellulare delle mappe neurali
La nostra breve panoramica sui meccanismi cellulari implicati nella formazione del sistema nervoso durante lo sviluppo sembra anche concordare con l'idea che i repertori primari organizzati nelle mappe siano formati da una combinazione di eventi selettivi strutturali e funzionali a diversi livelli, piuttosto che da un indirizzamento prestabilito. In altre parole, il repertorio primario, come lo osserviamo in una mappa, è il risultato della selezione, e può essere modificato da eventi legati alla formazione di un repertorio secondario. Questi meccanismi selettivi potrebbero indurre una significativa variabilità anche nelle mappe dell' adulto. Quindi, secondo la teoria, non sarebbe sorprendente scoprire che questi e altri nuovi principi competitivi operino nelle mappe dell'adulto, per esempio, nella corteccia cerebrale. Sarà questo il nostro prossimo argomento, in quanto è un esempio estremamente probante di selezione dei gruppi neuronali, in particolare di sdezione del repertorio secondario mediata da modificazioni sinaptiche.
Prima di attuarla, dobbiamo sottolineare che i dati citati a esempio non implicano che le citoarchitettoniche corticali siano trascurabili o non esistano. Infatti, manterremo valida la definizione di Rose e Woolsey [1949] di campo corticale come di un'area avente una propria cito architettonica, un rapporto esclusivo con uno specifico nucleo talamico e coestensiva a un'area fisiologicamente ben identificata. È l'ultima parte di questa definizione che va analizzata attentamente alla luce degli studi che proporremo a esempio, poiché, entro certi limiti, questa parte della definizione deve essere ammorbidita o, quantomeno, reinterpretata.
Variabilità nelle mappe funzionali e riorganizzazione delle mappe. I recenti esperimenti di Merzenich e dei suoi collaboratori [Sur
6. Le mappe nell'adulto: competizione stabilizzata in circuiti fissi. Lo sviluppo non si ferma alla nascita, ma prosegue per tutta la vita di un organismo. Variano solo i meccanismi: quelli vecchi vengono plasmati o modificati, mentre con la maturazione se ne adottano di nuovi. In questa sezione dimostreremo che, nonostante la cito architettonica e l'anatomia relativamente fisse della corteccia cerebrale, frutto dello sviluppo, in alcune aree si conserva un notevole grado di individualità e di plasticità che rimodella i confini delle mappe. Questa plasticità, già rilevata in passato da Leyton e Sherrington [1917; si veda anche Walshe 1948, p. 161] è un indizio importante dei meccanismi sinaptici implicati nel mappaggio. Pur nei limiti di un'anatomia neurale relativamente statica, è evidente una straordinaria variabilità potenziale basata sulla competizione e sulle interazioni tra la struttura e l'attività sinaptica. Pertanto, la nostra indagine si sposterà dalla neurobiologia dello sviluppo alla neurofisiologia ". " Lo studio della plasticità sinaptica è un punto dove cadono le barriere tra neurobiologia dello sviluppo, neurofisiologia, neurofarmacologia e neuroscienze cognitive, in quanto i meccanismi biochimici, dipendenti dall'attività, che plasmano le sinapsi tanto nello sviluppo quanto nell'apprendimento e nell'elaborazione sensoriale sono, in parte, gli stessi. Un ruolo centrale a riguardo è svolto da un recettore del glutamato, il sottotipo NMDA (N-Metil-D-Aspartato) (si veda il capitolo VII, nota 15), il quale agisce
147
:"1
l
e altri 1980; Kaas e altri 1983; Merzenich e altri 1983a, 1983b, 1984a] confermano quest'idea. I loro studi consistono in un'analisi dettagliata di regioni ad alta densità di mappe (ogni 100-150 Ilm) nelle aree 3b e l della corteccia somatosensoriale di scimmie scoiattolo e di macachi adulti (fig. 24). Questi ricercatori hanno disegnato, come controllo, delle mappe estremamente fedeli di scimmie normali e, in tempi successivi, hanno ridisegnato le mappe delle stesse aree corticali dopo avere eseguito una o piu tra le seguenti procedure: l) la resezione dei nervi periferici, come, per esempio, il nervo mediano, sia favorendo che impedendo la rigenerazione; 2) l'amputazione di singole dita e di dita adiacenti (in genere il secondo o terzo dito); 3) alterazioni funzionali senza resezioni, con fasciature appropriate, gessature, o stimolazioni meccaniche delle dita; 4) ablazioni locali nella corteccia. I risultati di questi studi ci obbligano a ripensarealla riorganizzazione delle mappe corticali in termini di .selezione dei gruppi neuronali. L'osservazione fondamentale è che nelle scimmie adulte le mappe corticali si riorganizzano rapidamente dopo la resezione del nervo o l'amputazione del dito. come un dispositivo che registra l'arrivo di segnali concomitanti e, quindi, si comporta come una porta logica di tipo AND. Esso funziona consentendo il passaggio di ioni calcio quando vi si lega il trasmettitore e contemporaneamente la membrana è depolarizzata da altri input. La risultante cascata di eventi si ripercuote a feedback sulle fibre presinaptiche determinando un consolidamento delle connessioni sinaptiche associate con le fibre attive in sincronia [per una rassegna, si veda Nelson e Sur 1992]. Il blocco farmacologico del recettore [Cline e altri 1987] disgrega le strie che le proiezioni della retina generano nel tetto ottico, e la creazione di topi mutanti privi del recettore NMDA [Li e altri 1994; Forrest e altri 1994] impedisce la formazione delle barrellette da parte dei nervi delle vibrisse nei nuclei del trigemino, a conferma del ruolo di questa molecola , nella plasticità sinaptica dipendente dall' attività.
I Figura 24. Normali variazioni nella mappa somatosensoriale [Merzenich e altri 198411]. Nella mano di una scimmia urlatrice (in alto a destra), D, -D, si riferiscono alle dita; d, m, e p si riferiscono alle falangi distali, mediali e prossimali; P , -P4 sono i cuscinetti palmari; p/ è il cuscinetto ipotenare; e P r è il cuscinetto tenare. Le due mappe in alto a sinistra illustrano la topografia interna dell'area 3b in due diverse scimmie urlatrici adulte, mentre le due mappe in basso a destra illustrano quella dell' area I in due diverse scimmie scoiattolo. La variabilità nell'organizzazione interna dell'area I è maggiore rispetto a quella registrata nell'area 3b, ma è comunque cospicua in entrambi i campi. In questi esempi bisogna notare: I) le notevoli differenze nelle aree di rappresentazione delle dita nelle due mappe dell'area I; 2) la separazione della rappresentazione delle dita I e 2 in una mappa dell' area I (in alto) e la dislocazione continua registrata nell' altra; 3) la rappresentazione doppia e invertita del primo cuscinetto palmare e l'eminenza tenare registrata nell' area I in una scimmia (in alto) e l'organizzazione piu normale registrata nell' altra (ulteriori differenze sono riscontrabili a un esame piu attento di queste mappe); 4) la rappresentazione del dito I scomposta nell' area 3b in una scimmia (in alto), non riscontrata nell' altra; 5) la significativa differenza nel territorio di rappresentazione del dito I nell'area 3b tra le due scimmie; e 6) le differenze nella rappresentazione delle superfici dorsali delle dita nell'area 3b. D4
~
DJ
La dinamica cellulare delle mappe neurali
149
Subito dopo la resezione del nervo mediano si forma una nuova rappresentazione parziale in una parte (ma non in tutta) dell' area corticale che rappresentava iI campo del nervo mediano [Merzenich e altri 1983a] (fig. 25). Nei mesi seguenti, questa nuova rappresentazione si modifica gradualmente in modo che, dopo la resezione del nervo, 1'area cutanea rappresentata in ciascuna parte della corteccia varia nel tempo [Merzenich e altri 1983b] 16. Il campo recettivo registrato in ogni zona corticale è solo uno tra i molti campi recettivi possibili che, in diverse condizioni, potrebbero manifestarsi in quella zona. Nelle nuove mappe i campi recettivi, prima localizzati in zone corticali specifiche, possono essere occasionaImente rappresentati a varie distanze nel raggio di alcuni millimetri dalla zona originaria; cosi, qualunque campo recettivo può essere rappresentato ovunque entro un' area relativamente ampia di corteccia. Dopo la ristrutturazione delle mappe la topografia di base viene conservata, in modo che si preservino anche la continuità e la rappresentazione somatotopica globale. Nonostante i confini si spostino (come quelli tra le rappresentazioni della cute palmare e dorsale della mano, e tra quelle della mano e della faccia), durante questo processo essi sono sempre ben definiti. Per esempio, cellule poste su un lato di un confine possono rispondere esclusivamente a segnali provenienti dal palmo, mentre cellule sull' altro lato rispondono esclusivamente a stimoli originati nella cute dorsale della mano. Nelle mappe normali della mano, rappresentate nell'area 3b, le regioni palmari sono rappresentate al centro (fig. 24), mentre le rappresentazioni dorsali vengono riprodotte principalmente in aree lungo i margini medi ali e laterali della mappa che rappresenta la mano [Merzenich e altri 1983a, 1983b]. Tuttavia, la mappa normale contiene, di solito, anche piccole isole di rappresentazione dorsale sparse nel mare delle rappresentazioni palmari. Dopo la resezione del nervo mediano si origina immediatamente una rappresentazione dorsale piti ampia all'interno del campo che prima apparteneva al campo mediano palmare, organizzata prevalentemente intorno e in continuità topografica con le isole dorsali normali [Merzenich e altri 1983b]. Questi dati confermano la teoria che la base anatomica di questa piti ampia rappresentazione era potenziale, ma che, di fatto, era stata 16 Anche nell'uomo, analogamente agli altri mammiferi, è stata dimostrata a livello anatomico [Mogilner e altri 1993] la plasticità nella corteccia somatosensoriale. Tale fenomeno, rivelabile tramite la magnetoencefalografia (si veda il Glossario), è piu evidente in seguito a lesioni nelle aree periferiche o a infarti cerebrali.
r Figura 25. Variazioni temporali nelle mappe somatosensoriali in seguito a lesioni [Merzenich e altri 1983b]. Mappe corticali della mano nell' area 3 b (a sinistra) e dell' area 1 (a destra) di un'unica scimmia scoiattolo studiata prima, immediatamente dopo, e 1 1,22, e 144 giorni dopo la resezione del nervo mediano. Le regioni non derivabili dalla stimolazione cutanea sono ombreggiate in grigio scuro; le rappresentazioni della parte dorsale sono in grigio chiaro; 1-5 si riferiscono alle dita; M, mano; PI, polso; P, i diversi cuscinetti palmari; le altre abbreviazioni corrispondono a quelle della figura 24. Sequenza temporale nelle mappe dopo la resezione Area 3b
Area
I
La dinamica cellulare delle mappe neurali
151
soppressa 17. Dobbiamo rilevare che la nuova mappa dorsale si genera immediatamente solo nel territorio originale di rappresentazione della parte glabra delle dita, ma non nella regione che rappresentava il palmo, dove la rappresentazione normale non presenta isole di mappe" dorsali nella parte glabra" . Dopo la resezione del nervo mediano sono altresi osservabili, nell'area che rappresentava il nervo, grandi aree silenti in cui, cioè, le cellule non sono attivabili da alcuno stimolo periferico. Tuttavia, adiacenti a queste aree vi sono zone corticali attivate da nuovi campi recettivi. La sede delle aree silenti varia nel tempo (fig. 25); in genere si restringono, ma talvolta dopo la resezione si spostano verso una regione che in precedenza era attiva [Merzenich e altri I983b]. Dopo l'amputazione di pili dita adiacenti, rimangono alcune aree silenti mai completabili [Merzenich e altri I984a]. Questo è un indizio dei limiti della plasticità anatomica riguardo a possibili mappe alternative, essendo riservata a rappresentazioni di parti corporee ragionevolmente vicine alla rappresentazione originaria. Nella fase di riorganizzazione, le rappresentazioni di diverse aree della mano (per esempio, i cuscinetti dell'eminenza ipotenar, i cuscinetti insulari, le parti dorsali delle dita) innervate da altri nervi con campi cutanei confinanti si espandono e si contraggono in sequenze diverse [Merzenich e altri I983b,I984tll Nel tempo (in genere, settimane), nell'area 3b il nervo radiale colonizza pili intensamente rispetto al nervo ulnare una parte del territorio che apparteneva al nervo mediano, ma, nell'area I, il nervo ulnare colonizza un territorio pili ampio rispetto al nervo radiale. In due o tre settimane la rioccupazione del campo del nervo mediano è completata, ma la mappa si riorganizza internamente per mesi [Merzenich e altri I984a]. Se il nervo mediano viene suturato, consentendone la rigenerazione, esso forma inizialmente una rappresentazione frammentata, disorganizzata e multipla. Successivamente, la rappresentazione si consolida e si organizza riguadagnando una limitata rappresentazione somatotopica [Merzenich e altri I983b] e rioccupando un'area molto simile, ma non identica, a quella occupata prima della resezione. Durante la riorganizzazione sono state effettuate diverse misurazioni semiquantitative della rappresentazione e della sovrapposizione del campo recettivo, nonché delle distanze (fig. 26). Pili ampia 17 Il fenomeno che i neurobiologi dello sviluppo definiscono ipotesi dello smascheramento (unmasking hypothesis) , cioè, una riorganizzazione in seguito al reclutamento per nuove funzioni delle connessioni tal amo-corticali già esistenti.
La dinamica cellulare delle mappe neurali
Capitolo quinto
15 2
è l'area corticale relativa a una parte corporea (piu ampio il fattore d'ingrandimento della rappresentazione), piu ridotti sono i campi recettivi di quella parte corporea. Viceversa, rappresentazioni corticali piu piccole implicano campi recettivi maggiori. Cosi, la capacità di discriminare due punti, che aumenta per campi recettivi piu piccoli, è in relazione alla dimensione della rappresentazione corticale [Laskill e Spencer 1979; Merzenich e altri 19 84tl]. E degno di nota il fatto che la percentuale di sovrapposizione delle aree dei campi recettivi di due cellule corticali è una funzione monotonicamente decrescente della distanza corticale tra le due cellule (fig. 26). C'è motivo per ritenere che la funzione decresca per gradi [Merzenich e altri 1983b] raggiungendo, in animali normali, una sovrapposizione nulla, quando le distanze critiche sono di circa 600 fLm [Sur e altri 1980]. E sign.ificativo per i modelli competitivi della selezione dei gruppi neuronali che negli undici giorni successivi alla reFigura 26. Variazioni nel campo recettivo della corteccia somatosensoriale in conseguenza a una lesione periferica [Merzenich e altri 1983b]. Percentuale di sovrapposizione dei campi recettivi in funzione della distanza tra siti di registrazione corticale immediatamente dopo la resezione del nervo mediano e l 1,22, e 144 giorni dopo. I campi recettivi erano sulle parti posteriori delle falangi medie e prossimali delle dita 1-3, e la registraziflne era riferita all' area della precedente rappresentazione corticale del nervo mediano. E bene notare che l'inclinazione della retta diventa meno ripida dopo la resezione, ma che al 144· giorno si riforma il limite normale di 600-fl.m. 100
eo
o •
80 ~ o
.;;
o.
60
'B
40
~
20
l
o
o
·00
•
•
i
eo • o
o
•o•
o o
800
40 0
• o
..
• • •
•
II
giorni
o o
1200
2000
1600
:g '"c= .9 .~ c.. go ~
C/'J
100
• • •
80 60
22
giorni
100
~
•
• •• ..:•
.."
60 40
•
20
20
144
o
o
o
200
400
600
800
giorni
I
80
•• • •
40
sezione del nervo la sovrapposizione dei campi recettivi aumenti di molto, che il coefficiente angolare della funzione decrescente si riduca molte volte rispetto al normale, e che neuroni distanti 2 o piu mm possano avere campi recettivi sovrapposti. Infine, sembra esistere una distanza limite di circa 600 fLm oltre la quale non può verificarsi l'espansione della rappresentazione 18. Dopo l'amputazione di dita adiacenti, un'area silente che si estende per un raggio superiore a 600 fLm non può mai essere completamente rioccupata. Poiché i siti di rappresentazione possono, di fatto, spostarsi sino a un millimetro, questa è un'ulteriore indicazione che le basi anatomiche di queste rappresentazioni traslate dovevano già esistere in forma soppressa nelle vicinanze. Qualunque modello analitico deve spiegare in modo specifico questo valore limite di circa 600 fLm per l'espansione e la sovrapposizione dei campi recettivi. Non sono state trovate prove alcune dell'esistenza della gemmazione, periferica o centrale, dopo la resezione e la sutura del nervo. Immediatamente dopo la resezione si verificano degli assestamenti nella mappa che continuano a riorganizzarsi per mesi, mentre la gemmazione seguirebbe un diverso decorso temporale. Quand'anche la gemmazione si verificasse, non potrebbe spiegare le osservazioni sui cambiamenti precoci o immediati. Inoltre, l'area 3b e l'area I si modificano in maniera diversa, nonostante ricevano input simili. Dopo l'applicazione di procedure non invasive, come la stimolazione meccanica delle dita, si nota che nelle aree I e 3b le mappe variano in modo correlato, ed è difficile invocare la gemmazione per spiegare
o Ogiorni
•
o
o
u
.
153
o
Distanza corticale (in micron)
200
4 00
• • 600
800
18 Il modello di plasticità nella corteccia maggiormente accettato e qui proposto da Edelman, cioè l'ipotesi dello smascheramento (si veda la nota 17), è stato messo in discussione da Tim Pons e collaboratori [1991] in seguito ad esperimenti dove dimostrano che macachi sottoposti a lesione delle vie sensoriali e analizzati a dodici anni dall'intervento presentavano una riorganizzazione della corteccia ampia 10-14 mm, cioè un ordine di grandezza superiore a quanto riportato qui da Edelman. Essi basandosi su questi dati hanno proposto un modello di plasticità causato da modificazioni nei centri sottocorticali (tronco encefalico e talamo) dove sono rappreseptate le stesse aree periferiche, che si espandono proiettandosi verso la corteccia stessa. E stato, viceversa, proposto un modello neurocomputazionale [Chernjavsky 1990] affine a quello di Edelman (si veda il capitolo VII) [Pearson e altri 1987], per la formazione delle colonne corticali durante lo sviluppo che, pur non negando il ruolo degli stimoli sensoriali, previlegia l'importanza di fattori intrinseci alla dinamica e all'architettura della corteccia cerebrale, e fonda tale interpretazione su due ordini di dati: il primo è che le afferenze sensoriali alla corteccia rappresentano appena lo 0,1% di tutte le sinapsi della corteccia e, quindi, il 99,9% è dovuto a sinapsi cortico-corticali e a connessioni locali intrinseche [Braitenberg 1978], mentre il secondo è che le colonne corticali hanno pressoché tutte la stessa dimensione, nonostante le diverse modalità sensoriali ivi rappresentate abbiano scale di grandezza molto diverse.
I 154
Capitolo quinto
questa correlazione. Infine, esperimenti simili di Wall e collaboratori [Wall e Eggers 1971; Wall 1975; Devor e Wall 1981] sui fenomeni di rimappaggio nei nuclei della colonna dorsale indicano che esso si verifica rapidamente dopo il blocco dell' attività delle radici lombari spinali determinato dall'abbassamento della temperatura. Inoltre, questo fatto suggerisce che la riorganizzazione della mappa è diffusa in aree connesse dal rientro a diversi livelli. Questi fatti ci inducono a trarre una conclusione importante [Edelman e Finkel 1984] che avvalora direttamente la teoria della selezione dei gruppi neuronali: cioè, a partire da un substrato anatomico degenerato (o repertorio primario), un processo dinamico deve selezionare specifici gruppi neuronali nel repertorio secondario per formare la mappa funzionale [Merzenich e altri 1983a, 1983b]. La natura dinamica di questa selezione è indicata dai movimenti delle rappresentazioni nelle aree centrali e dalla ricomposizione del campo recettivo dopo la resezione. In verità, alcuni studi sui primati adulti [Kaas e altri 1983; Merzenich e altri 1983a, 1983b] indicano che anche la struttura della mappa normale (non lesionata) conserva un dinamismo. Questi risultati concordano con l'idea che le mappe sono riorganizzabili dalla selezione operante su una rete degenerata, e suggeriscono che l'anatomia corticale preesistente consenta una certa competizione territoriale. In altre parole, a sviluppo ultimato, rimai ne un substrato anatomico degenerato su cui la selezione agisce in ~ maniera competitiva a livello delle sinapsi e crea una mappa funzio-t naIe tra le molte mappe possibili. ' Sembra che nell'adulto il fattore determinante nella selezione competitiva sia un'intensa attività neuronale conseguente alla correlazione temporale degli input provenienti da afferenze sovrapposte [Merzenich e altri 1983a, 1983b]. Nel prossimo capitolo, dopo aver descritto alcune leggi nella formazione delle specializzazioni anatomiche, illustreremo un modello analitico [si veda Edelman e Finkel 1984] di questo intero processo, che è compatibile con la teoria della selezione dei gruppi neuronali. Tuttavia, prima di descriverlo dobbiamo citare alcuni dati neuroanatomici che dimostrano l'esistenza di ampie arborizzazioni sovrapposte nel repertorio primario. Vanno però considerati anche alcuni casi intermedi, apparentemente contraddittori, in cui la plasticità della mappa è limitata a brevi fasi critiche dello sviluppo e non sembra piu manifestarsi nell'adulto.
Arborizzazione e sovrapposizione. Desiderando spiegare come la selezione, agendo su un repertorio già formato, trasformi una mappa
La dinamica cellulare delle mappe neurali
155
e crei un repertorio secondario, è importante mostrare che l'estensione, la variabilità e la sovrapposizione delle arborizzazioni sono già presenti. L'identificazione delle vie afferenti alla corteccia somatosensoriale nel gatto, effettuata con la perossidasi del rafano da Landry e Deschenes [1981; Landry e altri 1982], rivela arborizzazioni assonali (fig. 27) molto simili a quelle osservabili nella corteccia visiva [Gilbert e Wiesel 1979, 1981]. Le singole fibre afferenti prima di raggiungere la corteccia emettono, in genere, dei rami collaterali, ciascuno dei quali si ramifica in una terminazione a cespuglio avente Figura 27. Una afferenza taIamica all'area 3b del gatto rivelata da una iniezione di perossidasi del rafano [Landry e Deschenes 1981]. Il campo recettivo era sul quinto dito. In questa sezione l'arborizzazione si estende su un' area di circa 1 mm di corteccia. I numeri romani si riferiscono agli strati corticali.
IV
v
VI
r
156
Capitolo quinto
un diametro di circa 400 {im. Spesso, due regioni a cespuglio originate dallo stesso ramo collaterale si allineano con un orientamento mediolaterale e sono separate da una regione meno densa che costituisce un intervallo di ampiezza comparabile [Landry e altri 1982]. Altri rami collaterali possono sfociare in cespugli un po' spostati, generalmente in direzione anteroposteriore, talvolta in un' altra area citoarchitettonica. Cosi, nel gatto, le terminazioni originate da una singola afferenza nell' area 3b si diffondono densamente su circa 0,5- 1 mm2 di corteccia, mentre altre regioni innervate dai rami collaterali sono un po' distanti. Sono riscontrabili differenze anatomiche significative tra il gatto e la scimmia. Per esempio, Pons e collaboratori [I982], studiando l'area 3b nel nictipiteco, hanno scoperto che, in generale, vi sono arborizzazioni piu compatte senza rami collaterali distanti. Tuttavia, la tesi di fondo non viene scalfita da queste differenze. Contrariamente a queste distanze, peraltro note, è stato difficile accertare il preciso grado di sovrapposizione anatomica tra arborizzazioni afferenti separate, soprattutto perché, attualmente, non possediamo un'informazione quantitativa sulla densità dell'innervazione corticale 19. Gli studi sulle degenerazioni hanno fatto un po' di luce a riguardo. Piccole lesioni nel talamo del gatto [Kosar e Hand 1981] producono strie degenerative nella corteccia orientate lungo l'asse anteroposteriore, larghe 80-120 {im e lunghe 2500-3000 {im. Nella scimmia [si veda Jones 1981] sono state individuate strie con diverse dimensioni utilizzando tecniche differenti. Tuttavia, le dimensioni relative indicano una marcata anisotropia anteroposteriore nelle terminazioni afferenti. In molti generi diversi di scimmia, strie degenerative osservate dopo la resezione delle fibre di associazione commissurali o interareali sono in entrambi i casi larghe 500-1000 {im e di lunghezza variabile Gones 1975; Jones e altri 1975]. Un'altra fonte di informazione per valutare il grado di sovrapposizione, malgrado provenga da una regione corticale specializzata, è 19 I principi della stereologia [Weibel 1979] associati alla ricostruzione grafica com· puterizzata tridimensionale di sezioni della corteccia saranno un indirizzo promettente per quantificarne l'innervazione; per ora esistono alcuni dati [Abeles 1991], cosi riassunti: densità neuronale = 40 ooo/mml, densità sinaptica = 8 x los/mml, densità della lunghezza assonale = 3200 m/mml, densità della lunghezza dendritica = 400 m/mml, sinapsi per neurone = 20 000, sinapsi inibitorie per neurone = 2000, sinapsi eccitatorie da fonti lontane per neurone = 9000, sinapsi eccitatorie da fonti locali per neurone = 9 000 , lunghezza dendritica per neurone = IO mm; la stima piu recente per la corteccia visiva di scimmia è di 3900 sinapsi per neurone, delle quali 1'85% sono asimmetriche e, perciò, presumibilmente eccitatorie.
La dinamica cellulare delle mappe neurali
157
data dai campi a barile delle vibrisse di topo. TI barile C-I ha un'area media di 57 000 {im2 [Pasternak e Woolsey 1975] e riceve gli input da 162 fibre periferiche che innervano la vibrissa C-I [Lee e Woolsey 1975]. Supponendo che la convergenza e la divergenza nelle sinapsi di ritrasmissione interposte non alterino significativamente il numero di fibre innervanti, possiamo calcolare in circa 20 {im la spazia tura tra fibre afferenti adiacenti. Questo calcolo implica che le fibre afferenti siano regolarmente spaziate e, quindi, non vale rigorosamente per i campi a barile in sé, suggerendo, grosso modo, quale potrebbe essere la densità di innervazione in altre regioni corticali. Sebbene questi studi riguardino specie diverse e vadano pertanto valutate le differenze che vi intercorrono, tuttavia, tali dati anatomici ci inducono a due conclusioni di estrema importanza per la teoria della selezione dei gruppi neuronali: I) esiste una significativa sovrapposizione tra le arborizzazioni assonali afferenti, forse piu spiccata in alcune direzioni rispetto ad altre; 2) ogni cellula della corteccia forma delle sinapsicon un gran numero di fibre afferenti, un fenomeno evidente se pensiamo alle possibilità di interazione tra arborizzazioni assonali diffuse e ampi alberi dendritici. Per spiegarci la possibilità di selezionare una mappa specifica nell'ambito.di questo substrato anatomico estremamente degenerato, dobbiamo analizzare la distribuzione dell' attività nella corteccia, la quale può favorire la selezione dei gruppi neuronali. Questo tema, sviluppato nel prossimo capitolo, sarà preceduto da alcuni esempi contrastanti di plasticità confinata, quale si verifica, di fatto, solo nello sviluppo, e che sembra, di primo acchito, conttaddire la nostra ipotesi.
Modificazioni nella mappa legate a periodi critici. Qualunque spiegazione delle modificazioni nell' adulto, siano esse indotte dalla resezione periferica, dalle variazioni negli stimoli recettoriali o dalle deprivazioni sensoriali, deve essere compatibile con le osservazioni che, in alcune sottoregioni corticali, si verificano modificazioni simili solo in ristrette finestre temporali dello sviluppo. Se si effettuano interventi sperimentali su tali aree in tempi successivi si riscontrano effetti scarsi o nulli. Esempi significativi sono rappresentati da variazioni nello sviluppo della corteccia visiva [Wiesel e Hubel I963a, I963b, 1965; Hubel e Wiesel 1970; Stryker e Harris 1986] e da alterazioni nell' organizzazione della corteccia somatosensoriale (campi a barile) dei roditori dopo lesioni ai follicoli delle vibrisse nella fase neonatale [Van der Loos e Woolsey 1973; Van der Loos e Dorfl 197 8].
r 15 8
Capitolo quinto
Esiste un' ampia e, per certi versi, contraddittoria letteratura sugli effetti provocati dalla chiusura, ablazione, o deprivazione di un solo occhio sulla struttura della map'pa in esemplari neonati o giovani di scimmia o di gatto (fig. 28). E un dato certo che le colonne di dominanza oculare, ben distinte nello strato IV della corteccia visiva di scimmia, compaiono solo a tre settimane dalla nascita [Rakic 1977, 1978, 1981b]. In tempi piu precoci, le fibre genicolocorticali si sovrappongono. Una netta separazione di queste colonne si verifica a circa sei settimane di vita. Se si chiude precocemente un occhio suturandolo, allora le colonne corrispondenti all' occhio deprivato si restringono mentre quelle relative all' occhio funzionante si espandono. Questi dati ci suggeriscono che le fibre dell' occhio funzionante non si retraggono e che si tratta di un altro esempio di bilancio competitivo nei tratti nervosi in sviluppo. Tuttavia, se tali
Figura 28. Colonne di dominanza oculare [Hubel e Wiesel 1977]. Autoradiografia in campo scuro della corteccia striata di un macaco adulto in cui l'occhio ipsilaterale è stato iniettato con prolina-fucoso triziata due settimane prima. Le aree marcate sono bianche. Le sezioni attraversano prevalentemente un piano perpendicolare alla superficie. Parte della superficie esposta della corteccia striata e la parte nascosta immediatamente sotto. Complessivamente, si possono contare nello stato IVc cinquantasei colonne.
La dinamica cellulare delle mappe neurali
159
trattamenti sono effettuati dopo un periodo critico non hanno piu effetto. Anche nei roditori è stata osservata un'analoga dipendenza dal periodo critico dopo lesioni ai follicoli delle vibrisse, seguite da modificazioni anatomiche nei campi a barile. Esse consistono in un allargamento e in una fusione dei campi a barile per formare bande fuse nello strato IV della corteccia somatosensoriale di ratto, e si verificano solo se la lesione periferica viene provocata entro la prima settimana dalla nascita [Van der Loos e Woolsey 1973; Woolsey e Wann 1976; Van der Laos e Dorfl 1978; Woolsey e altri 198I]. Sorge l'interrogativo sulla compatibilità tra questi dati e la perdurante plasticità osservata nelle aree 3 b e l dopo la manipolazione delle fibre afferenti dalla mano. Non possediamo ancora una risposta certa, ma dobbiamo notare che nei due casi, corteccia visiva e campi a barile, ampie modificazioni anatomiche di tipo competitivo vengono indotte mentre si stanno formando le connessioni nello sviluppo di aree corticali relativamente piccole (colonne o barili) che, eventualmente, saranno impiegate per la discriminazione spaziale fine. Peraltro, le variazioni anatomiche sono compatibili con le interazioni competitive di cui abbiamo parlato. Tuttavia, a differenza del sistema somatosensoriale, questi due sistemi coinvolgono unità funzionali bersaglio sufficientemente piccole per avere una diminuzione comparabile al campo d'innervazione delle singole fibre talamocorticali afferenti, e questo mappaggio si verifica ovviamente mentre la struttura anatomica si sta formando. Tale fenomeno può avere delle ragioni evolutive legate allo svolgimento di precisi compiti visivi e tattili deputati a discriminare aree di piccole dimensioni. Dopo il consolidamento delle strutture neuroanatomiche successivo alla fase critica non sono piu preventivabili variazioni ampie come quelle dell' area 3 b e l, dove le rappresentazioni e i confini mappati comprendono numerose fibre afferenti sovrapposte. Da un altro punto di vista, nelle colonne di dominanza oculare e nei campi a barile può esservi una corrispondenza nel confine tra la singola mappa funzionale e la singola unità anatomica formata dalle arborizzazioni assonali delle fibre provenienti dal talamo. Le interazioni competitive osservate in questi sistemi, a differenza di quelle della corteccia somatosensoriale dell' adulto, ma analogamente a quelle delle ultime fasi nella formazione della mappa retinotettale, implicano contemporaneamente la formazione di strutture anatomiche e la competizione sinaptica. Come abbiamo già indicato, questo può dipendere dal na-
I 160
Capitolo quinto
turale bisogno evolutivo di realizzare in questi due sistemi e in fasi comportamentali molto precoci un' elevata discriminazione spaziale. Questa conclusione può concordare o meno con l'osservazione secondo cui l'attività è necessaria [Schmidt 1985] per formare mappe retinotettali sofisticate, ma ci viene confermata da un interessante esperimento di blocco farmacologico nella fase critica. Nonostante le eccezioni, descritte per esteso, la plasticità sinaptica nell' adulto sembra indiscutibile: pur verificandosi in questi sistemi la gemmazione neuronale dopo le prime fasi di sviluppo, è però probabile che la maggior parte delle forze competitive derivi da modificazioni nelle sinapsi. È un aspetto che affronteremo nel prossimo capitolo, dove, in una prima fase, descriveremo le origini evolutive e l'insieme di connessioni delle aree corticali primarie, per dare poi forma ai risultati proposti in questo capitolo sulla plasticità delle mappe nei termini della selezione dei gruppi neuronali. Il motivo per cui questo modello viene descritto solo dopo alcune premesse di natura evolutiva dipende non solo dal bisogno di spiegare l'origine evolutiva di mappe diverse nella struttura e nella funzione, ma anche dal fatto che la selezione naturale agisce in maniera differenziale sulle diverse funzioni svolte da tali aree nel comportamento degli animali di una stessa specie.
7. Conclusioni.
A questo punto possiamo riassumere le nostre concezioni sullo sviluppo delle mappe. Il capitolo precedente ha documentato l'esistenza di meccanismi meccanico~chimici che legano genetica ed epigenetica con meccanismi molecolari e che favoriscono tanto la variabilità quanto la conservazione delle strutture anatomiche, come abbiamo postulato nell'ipotesi dei regolatori. In questo capitolo abbiamo riassunto una serie di processi cellulari primari dinamici, piu o meno indipendenti, compatibili con questi meccanismi, e che rappresentano lo sfondo per capire la formazione delle mappe. Malgrado molti tipi di neuroni manifestino un citodifferenziamento genetico della forma, si è scoperto che le connessioni, dopo una iniziale formazione delle mappe, possono modificarsi, che possono verificarsi interazioni competitive tra neuroni nell'innervazione dell'area bersaglio e, infine, che le arborizzazioni assonali e dendritiche possono estendersi per notevoli distanze sovrapponendosi ed essere ri-
La dinamica cellulare delle mappe neurali
~
t
Iì .,
'If.
P
~
~•,
161
modellate dall'attività di connessioni contingenti. L'elevata mortalità cellulare propria di alcuni di questi eventi di sviluppo non sembra rigidamente programmata; piuttosto, sembra correlata alle interazioni selettive tra i neuroni che competono per stabilire le opportune connessioni, e può essere stocastica. Inoltre, in molti casi è stato dimostrato che la corretta formazione di popolazioni neuronali stabilizzate dipende, anche nello sviluppo, dall' attività sinaptica e da fattori chimici non ben identificati. La generalizzazione piu singolare è che il tema dell'interazione competitiva si ripete nei contesti piu diversi; nel mappaggio retinotettale, nei fenomeni attivi in fasi perinatali critiche in sofisticati sistemi sensoriali e, nell' adulto, in modificazioni di altri sistemi sensorialiaventi campi recettivi di maggiori dimensioni. Le prove indicano, complessivamente, un' origine dinamica dei circuiti neuroanatomici, anche dei piu sofisticati e stereotipati; ipso facto, questo dinamismo implica variabilità e selezione. In alcuni casi, prevale la selezione nello sviluppo agente con mezzi meccanico-chimici sulla superficie cellulare, in altri casi la selezione dipende dall' attività sinaptica ed è particolarmente sensibile alla natura dell' input e della stimolazione in arrivo. In altri casi ancora, come nel sistema retinotettale, una forma di selezione consegue all' altra. Chiaramente, la fusione dei due meccanismi dipende dal ruolo della regione cerebrale in questione. Prima di concepire un modello teorico analitico dell'interazione di questi fattori nella creazione di mappe rientranti in un organismo adulto dobbiamo indagare le origini evolutive di strutture neurali, quali nuclei e lamine, svolgenti le piu varie funzioni. Questa considerazione delle origini evolutive delle diverse regioni diventa particolarmente importante per documentare la tesi (si veda il capitolo vrr) che le semplici mappe sono, in genere, insufficienti per la categorizzazione percettiva. Invece, sono necessarie, come dimostrerà un'ulteriore analisi, le interazioni tra complesse e molteplici mappe rientranti specializzate e 1'attività continua del sistema motorio.
,---
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
Capitolo sesto E voluzione e funzione dei sistemi distribuiti
Evoluzione dei nuclei e delle lamine, p. 162. - Localizzazione della funzione, p. 163. - Comportamento e struttura neurale, p. 164. - I grandi temi nell'evoluzione del sistema nervoso, p. 16 4. - Limiti metodologici, p. 165. - I grandi temi nell'evoluzione del sistema nervoso dei vertebrati, p. 165. - Un esempio di rete: il sistema visivo della tartaruga, p. 172. - Origini evolutive dei centri: l'ipotesi della parcellizzazione, p. 175· - Una spiegazione alternativa: eterocronia e l'ipotesi dei regolatori, p. 180. - La degenerazione come conseguenza evolutiva, p. 186. - Il modello confinamento-selezione-competizione del mappaggio corticale, p. 188. - Mutamento eterocronico, mappaggio funzionale, e selezione evolutiva, p. 200.
I.
Introduzione.
Finora, abbiamo considerato le dimostrazioni dell' origine della conservazione e della variabilità delle strutture nervose di una specie, in particolare nello sviluppo dell'individuo. Sebbene esse rappresentino il presupposto per capire alcuni aspetti della selezione dei gruppi neuronali nella formazione delle mappe locali, non spiegano le origini evolutive di strutture nervose piu ampie, come i nuclei e le lamine, né le caratteristiche neuroanatomiche regionali di mappe particolari o le interazioni rientranti tra mappe. Nessuna teoria sul cervello potrà dirsi completa finché non riuscirà a unificare i propri fondamenti teorici con l'origine evolutiva di queste strutture, in particolare con la natura distribuita posseduta da tali sistemi nei cervelli complessi [Mountcastle I978]. Per questa ragione dobbiamo rivolgerei alla neuroanatomia comparata, mettendola in relazione alle funzioni potenziali e, in modo specifico, alle spiegazioni dei fondamenti evolutivi della variabilità tra specie diverse. Ci proponiamo di spiegare esaurientemente l'organizzazione gerarchica, distribuita e a mappe del sistema nervoso delle specie piu recenti e dotate di strutture telencefaliche molto evolute. Limiteremo, pertanto, la disamina ai cordati.
163
Uno dei capisaldi della teoria è che la categorizzazione si svolga in strutture parallele e distribuite, specializzate nelle diverse modalità sensoriali; quindi, dobbiamo capire quale sia la loro origine evolutiva. Poiché la teoria sarebbe inadeguata se non rendesse compatibili i fondamenti dello sviluppo e i fatti dell' evoluzione, desideriamo altresl stabilire se esistano delle spiegazioni evolutive per la conservazione della degenerazione nelle strutture neurali, incluse le piu complesse e specifiche. Tali spiegazioni, qualora fossero soddisfacenti, riconcilierebbero ulteriormente la struttura macroscopica delle aree cerebrali di una specie e la variabilità a livello microscopico. Proponendoci di capire l'evoluzione di questi caratteri nei cervelli evoluti, affronteremo una delle principali crisi concettuali delle neuroscienze moderne -la localizzazione della funzione. Nel caso dell' evoluzione morfologica I, significa che dobbiamo collegare struttura e funzione durante la selezione naturale dei diversi fenotipi, ponendo la dovuta attenzione ai vincoli imposti dallo sviluppoIAlberch I979, I980, I982a, I982b, I987; Borner I982; Raff e Kaufmann I983; Arthur I984; Edelman I986b]. E già un problema di grande portata cercare di spiegare l'evoluzione di qualunque organo complesso, ma nel caso del cervello diventa particolarmente scoraggiante. Come ha sottolineato Ulinski [I980], il problema non è sbrigativamente risolvibile con una semplicistica correlazione tra le proprietà ambientali e l'attività di singole aree neurali, oppure prevedendo l'attività dei circuiti neurali, o ancora, assegnando categoricamente le funzioni a una certa componente neurale. Infatti, di solito, non è possibile assegnare una particolare funzione a una struttura neurale specifica, per esempio a un nucleo o a una lamina, senza I Edelman elenca i problemi irrisolti dell'evoluzione morfologica in Topobiology [1988, trad. it. p. 68]. Storicamente, nell'ambito dei temi esaminati dagli evoluzionisti, quello dello sviluppo delle forme biologiche è stato trascurato [Gould 1992] e solo da po· co tempo gli viene attribuito lo spazio opportuno [questo è, per esempio, il tema centrale del libro di biologia teorica piu stimolante degli ultimi anni The Origins olOrder: Self organization and Selection in Evolution di Stuart A. Kauffman; si veda anche il fascicolo monotematico dedicato al rapporto tra evoluzione e sviluppo dalla rivista «Bioessays», XIV (1992), n. 4]. Lo studio dello sviluppo è perciò diventanto «il punto di incontro dove integrare gli studi meccanici e riduzionistici dei geni con i resoconti storici e narrativi della filogenesi della vita» [Gould 1992, p. 275]. Stephen Gould individua in due ragioni di fondo la riscoperta del rapporto tra sviluppo ed evoluzione: la prima è «l'eliminazione delle barriere teoriche» Ubid., p. 277] nell'ambito del darwinismo, come, per esempio, l'espansione delle forze e dei livelli evolutivi, prima centrati sull'individuo, e che negli ultimi vent'anni sono sia scesi allivello dei geni e sia saliti allivello delle specie, e, secondo, «la riduzione delle barriere pratiche» [ibid., p. 278], grazie allo sviluppo della biologia molecolare che, per esempio, in una prospettiva eterocronica, ha identificato e caratterizzato i cosiddetti geni eterocronici in Caenorhabditis elegans [Ambros 1988].
r i
16 4
Capitolo sesto
Evoluzione e funzione dei sistemi distrihuiti
una garanzia che quella funzione sia svolta esclusivamente da quella struttura o, viceversa, che quella struttura non possa svolgere altre funzioni [Mountcastle 1978]. D'altra parte, data la notevole specificità di alcuni sistemi sensoriali, non è ragionevole l'ipotesi alternativa, come quella di Lashley [1950; si veda Orbach 1982], secondo cui le funzioni globali sono rappresentate in maniera diffusa ed equipotenziale 2. Il mio pensiero a riguardo O'unico concordante con la teoria della selezione dei gruppi neuronali) è che le risposte funzionali globali dipendano da interazioni dinamiche tra singole e specifiche componenti, organizzate in repertori di gruppi neuronali o in popolazioni appartenenti a mappe rientranti, e non da un rigido assegnamento di una funzione a una specifica area anatomica. Sebbene vincolate dai segnali in input e in output, le cellule o i gruppi di un repertorio non svolgono necessariamente sempre la stessa funzione; tuttavia, repertori primari diversi differiscono nella loro attività in aree cerebrali completamente diverse. La funzione di queste entità può essere tempo-dipendente ed essere determinata dalla dinamica competitiva dei gruppi neuronali: cioè, la stessa componente può funzionare diversamente in contesti differenti. Inoltre, come indicano i dati della fisiologia, nei sistemi piu grandi si verifica effettivamente una ripartizione della funzione globale: questo è senz' altro vero, per esempio, per le funzioni svolte da specifiche aree sensoriali primarie. Tuttavia, come vedremo nel prossimo capitolo, anche in alcune di queste aree, che sono cito architettonicamente ben caratterizzate, può essere fuorviante una distinzione troppo netta tra funzioni sensoriali e funzioni motorie. Un problema straordinariamente complesso per la teoria dell' evoluzione è certamente quello di cogliere il nesso tra comportamento e struttura neurale. Non solo le variabili neurali stesse sono determinate da reti non lineari, ma vi si aggiunge un complesso di relazioni non lineari tra la categorizzazione delle variabili ambientali e le specifiche risposte comportamentali. Nonostante queste difficoltà, possiamo delineare alcuni problemi correlati di livello inferiore che vanno risolti prima di affrontare in modo soddisfacente questi problemi di livello superiore, non foss' altro che da un punto di vista teorico. Nel corso del capitolo valuteremo questi problemi in successione. Essi riguardano: I) le caratteristiche generali delle reti neurali, dei gruppi e delle cellule nei diversi taxa, quali sono emerse con la varia2
Si veda il capitolo v, nota
I.
165
zione evolutiva; 2) i fondamenti della variabilità tra specie e dell' aumento in complessità e in specificità dei sistemi nervosi durante l'evoluzione; 3) il rapporto tra tali modificazioni evolutive, la genetica dello sviluppo e la natura dei vincoli imposti dallo sviluppo sulle variazioni evolutive, come l'abbiamo proposta nell'ipotesi dei regolatori; e 4) alcuni presupposti funzionali con cui la selezione naturale può influire sul fenotipo. Questi problemi verranno chiariti approfondendo le proprietà dinamiche delle mappe somatosensoriali degli animali adulti (si veda il capitolo v), in particolare nel rapporto delle mappe con i sistemi distribuiti [Mountcastle 1978]. Infatti, l'analisi si soffermerà sui principi evolutivi, morfogenetici e fisiologici già discussi da cui emergerà una definizione piu perfezionata di gruppo neuronale. Questi problemi rappresentano una sfida eccezionale, sono interdipendenti, e richiedono lo studio di un insieme corposo di dati che, ovviamente, non possiamo riassumere tutti per esteso. Cercheremo piuttosto di tracciarne le interrelazioni. Il primo problema verrà affrontato con alcune generalizzazioni descrittive proprie della neuroanatomia comparata. Per gli altri tre problemi ci baseremo sui principi organizzativi della teoria della selezione dei gruppi neuronali, che mettono in relazione l'evoluzionè morfologica e i vincoli imposti durante lo sviluppo dall'ipotesi dei regolatori, di cui abbiamo parlato nel capitolo IV. A quel punto potremo gettare le fondamenta per una teoria che spieghi contemporaneamente la variabilità tra specie e l'origine di nuove e piu complesse strutture cerebrali. Solo allora potremo sintetizzare tutte le conoscenze anatomiche e i risultati funzionali realizzando un modello ispirato a una regione evoluta, la corteccia somatosensoriale. Il modello ci consentirà di capire come la selezione naturale possa agire sul fenotipo e selezionare le forme varianti di una regione cerebrale attiva.
2.
Variazione evolutiva nelle reti neurali.
Nel lungo cammino della filogenesi il cervello si rivela come il piu complesso fra tutti gli organi e il telencefalo come la piu variabile fra le regioni cerebrali. Data la generale tendenza dei sistemi evolutivi ad ascendere verso una maggiore complessità [Stebbins 1968] e, data la ben nota complessità comportamentale degli animali dotati di un cervello sviluppato, non è in sé un fatto sorprendente. Come dimostrerà una breve rassegna dell' evoluzione neurale nei cordati e nei
r
166
Capitolo sesto
vertebrati [Masterton e altri 1976a; Sarnat e Netsky 198I], nonostante questa variabilità è ancora possibile individuare alcune tendenze che rimandano all' origine comune di caratteri conservatisi nel sistema nervoso di specie diverse. Per esempio, Ebbesson [I980] ha evidenziato che il tronco cerebrale inferiore ha numerosi caratteri condivisi dalla maggior parte delle specie di vertebrati; al contrario, le aree del tetto, del talamo e del telencefalo presentano marcate differenze. Poiché le funzioni di una certa area cerebrale non sono sempre localmente definibili, tali deduzioni evolutive ricavate dalla neuroanatomia comparata [Dullemeijer 1974] si basano essenzialmente su criteri morfologici e strutturali; cioè, possiamo dedurre l' omologia solo per le strutture anatomiche, ma non per la funzione [cfr. Masterton e altri 1976a; Bullock 1984]. Con i vincoli evolutivi imposti dalle diverse connessioni estrinseche e da altre variazioni fenotipiche, una certa struttura (anche un nucleo intero) può modificare la propria funzione. Se compariamo le diverse specie sulla base dei tipi cellulari simili, la topografia (inclusi diversi punti di riferimento, quali i solchi) e le connessioni delle fibre devono comunque rimanere confinate entro campi neurali omologhi. Questo è un forte vincolo e rende difficile estrapolare la funzione. Inoltre, è bene ricordare che il sistema nervoso si è evoluto per svolgere un' azione e una reazione adattativa. Le sue funzioni ghiandolari atte a conservare l' omeostasi, e certi aspetti di avversione o di appetito ottenuti dalle risposte motorie, sono state probabilmente tra le cause principali della selezione nelle fasi primordiali della sua evoluzione. Noi presteremo attenzione solo ad alcune di tali questioni funzionali perché siamo in presenza di argomentazioni plausibili piuttosto che di ipotesi fondate solidamente; ai fini della teoria, ci 'interesssa soprattutto considerare le origini evolutive dei repertori primari. Tuttavia, poiché la selezione naturale opera sul comportamento, è importante dimostrare come le variazioni in tali repertori, in particolare nelle mappe, possano influire sul comportamento; questo è un compito che svolgeremo alla fine del capitolo. I principali motivi che ci spingono a considerare alcuni di questi problemi nell' ambito della teoria della selezione dei gruppi neuronali sono: I) discutere su solide basi i meccanismi con cui i sistemi distribuiti [Mountcastle 1978] sono comparsi durante l'evoluzione neurale, e 2) dimostrare che la degenerazione [Edelman 1978] può essere nata come importante fattore di controllo della funzione in cervelli molto complessi. Diremo meno cose sulla comparsa evolutiva del
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
16 7
neurone; a proposito, possiamo notare che, dai tunicati in poi, è tra i piti antichi tipi cellulari a elevato grado di differenziamento. In una visione a campo lungo dell' evoluzione del sistema nervoso dei vertebrati, dai cordati all'uomo, riscontriamo alcuni utili aspetti generali, significativi per la teoria. A differenza dei principi guida degli antenati piti primitivi, i grandi temi propri dei vertebrati sono: la simmetria bilaterale e la cefalizzazione progressiva [Sarnat e Netsky 198I], mentre temi sussidiari sono la decussazione, la metameria, la sovrapposizione, la somatotopia e il parallelismo (tab. IO). Il progressivo aumento del numero dei nuclei e delle lamine, lo sviluppo della regolazione interna e dei sistemi per la raccolta di cibo commestibile sembrano essersi evoluti di pari passo al bisogno di sviluppare risposte sensomotorie di avversione nei confronti dei predatori [Masterton e altri 1976b]. La configurazione di base primitiva, organizzata intorno alla notocorda muscolare (come nell'anfiosso), presentava una simmetria bilaterale con miotomi in serie alimentati da nervi originati da un midollo spinale, ma non vi è alcuna prova dell'esistenza di strutture sensoriali specializzate. Questa caratTabella IO. Temi strutturali nella evoluzione del sistema nervoso'. Temi principali
~
i
I !~i
•
~jf
Simmetria bilaterale Decussazione Metameria (sensomotoria) Cefalizzazione progressiva
Sovrapposizione della innervazione Somatotopia Parallelismo di sistemi sensomotori multipli Numero crescente di nuclei e di lamine
Temi sussidiari
Movimenti di orientamento e di fuga Coordinazioni sensomotorie Modularità Sensi specializzati Fusione delle strutture Allargamento Ripetizione di strutture microscopiche (modularità) Degenerazione "Compattamento" dei tratti Mappaggio Rientro (coppie di classificazione) Strutture multistratificate, organizzazione circuitale verticale e orizzontale Variazione e numero crescente di tipi cellulari
• Questa tavola omette una considerazione esplicita dei complessi muscoloscheletrici e sensomotori in relazione alla postura e al gesto. Questo argomento viene approfondito nel capitolo Vili.
168
Capitolo sesto
teristica metamerica dell'innervazione sensoriale segmentale periferica si conserverà per tutta la futura evoluzione dei vertebrati, ma l'organizzazione alternata di innervazione sensoriale e motoria (osservata nei ciclostomi) apre la strada, negli animali terrestri, alla formazione delle radici dorsali e ventrali in ogni segmento dello stesso livello. Tuttavia, la sovrapposizione è un principio importante, e nessun segmento è innervato esclusivamente da un'unica radice; si tratta di una forma primitiva di degenerazione 3. Questo principio è cruciale per capire come, successivamente, le parti periferiche saranno rappresentate sotto forma di mappe a livello centrale ed è probabilmente attribuibile alla selezione di quegli individui che, a causa di questa sovrapposizione, non hanno perso l'innervazione segmentale dopo un trauma locale. La rappresentazione somatotopica è riscontrabile anche in .molte strutture centrali. Sin dai tempi evolutivi piu remoti questo è un carattere basilare nei nervi spinali dorsali e nelle rispettive radici, ma anche nelle corna ventrali e nei nervi motori; compare piu tardi nella corteccia e nei nuclei del cervelletto, nei campi retinici, e nella corteccia cerebrale. Sovrapposizione e somatotopia sono, con tutta probabilità, dovute alla continuità necessaria in piccole regioni confinanti tra quei gruppi cellulari induttivi che si formano durante lo sviluppo regolativo; nell' evoluzione successiva, la separazione e l'allargamento delle strutture derivate da tali regioni tendono a conservare una certa continuità, il che ha rappresentato un evento fondamentale per la formazione delle mappe. Con il progredire della cefalizzazione si sono verificati nuovi sviluppi concomitanti: strutture sensoriali specializzate, espansioni del cervello, spostamenti nella posizione dei miotomi, spostamenti e fusioni nella formazione delle radici craniali, variazioni nelle posizioni e nel numero delle fessure branchiali e, per finire, la crescita del proencefalo [Ebbesson e Northcutt 1976]. Nonostante la tendenza delle strutture ad essere accoppiate bilateralmente, possiamo osservare alcune asimmetrie in strutture, quali l'abenula (associata alle abitudini alimentari), il nervo vago e, in qualche caso, la corteccia cerebrale; si conservano peraltro strutture spaiate come l'epifisi. Nel contesto di questi sviluppi, si manifesta precocemente un' al3 È interessante come il concetto di degenerazione permei tutti gli aspetti del pensiero biologico di Edelman. Infatti, essa non caratterizza solo i gruppi neuronali, ma è presente anche a livello della complessità combinatoria nei geni che controllano lo sviluppo delle forme [per un approfondimento, si veda il capitolo v di Topobi%gy].
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
169
tra caratteristica generale di estrema importanza per la selezione dei gruppi neuronali: mi riferisco all'origine dei sistemi rientranti, in una serie di svil\lppi che anticipa la funzione piu elevata, cioè la categorizzazione. E possibile individuare la comparsa di sistemi neurali paralleli, simili o diversi, che campionano o sono reattivi all' ambiente grazie a un' organizzazione molto piu sofisticata rispetto alla semplice simmetria bilaterale (tab. IO). Questo carattere peculiare si accompagna allo sviluppo di tutti i sistemi sensoriali somatici e specializzati, dei sistemi motori e di quelli autonomi. Esso consente il campionamento simultaneo con due o piu modalità diverse o sottomodalità, rappresentando un importante passo in avanti per la creazione di una nuova funzione o per la modificazione di una funzione preesistepte. Nella sua forma piu semplice, è diadica, come si riscontra in diversi casi: I) in organismi con bulbo olfattivo e bulbo olfattivo accessorio come, per esempio, il sistema vomeronasale nei serpenti, nelle lucertole e nelle tartarughe [Graziadei e Tucker 1970; Halpern, 1976]; 2) nello sviluppo del sistema vestibolare; 3) nella conservazione dei sistemi retinogenicolato e retinotettale [Schneider 1969]; 4) nell' organizzazione parallela di livello superiore dei tratti spinotalamici e spinocerebellari; e 5) nel sistema della colonna dorsale. Come vedremo in seguito, un'organizzazione parallela di tipo diadico è un requisito minimo per un sistema effettivamente rientrante di selezione dei gruppi neuronali. Questa organizzazione è la cosiddetta coppia di classificazione (si veda la fig. I I), descritta in dettaglio nei capitoli IX, x e XI. Organizzazioni parallele di questo tipo effettuano un campionamento disgiuntivo e adattativo di insiemi polimorfi nel dominio degli stimoli, di cui abbiamo già parlato nei capitoli I e III. Un altro aspetto centrale in relazione alla simmetria bilaterale, osservabile in specie diverse, è l'esistenza di vie incrociate con o senza vie ipsilaterali. Sarnat e Netsky [1981] hanno svolto una rassegna delle forme piu primitive a disposizione per uno studio - le connessioni incrociate originantisi in neuroni atipici. Si tratta delle cellule di Rohde dell'anfiosso, delle cellule di Mueller dei ciclostomi [Rovainen 1978] e delle cellule di Mauthner dei teleostei [Bullock 1978; Faber e Korn 1978]. Le cellule di Rohde sono interneuroni che decussano nel midollo spinale dell' anfiosso e sono specializzate nel mediare il riflesso di avvitamento avversivo, mentre le cellule di Mueller e di Mauthner sono cellule del tronco cerebrale che formano sinapsi dendritiche con i neuroni sensoriali e vestibolari. I loro assoni si proiettano verso la parte controlaterale del midollo spinale su segmenti caudali che mediano i movimenti avversivi e i riflessi della co-
I
17 0
Capitolo sesto
da. Un'ipotesi è che alcune pressioni selettive, analoghe a quelle che hanno arrecato dei vantaggi adattativi nei riflessi di allontanamento dalla parte soggetta a minaccia, abbiano favorito la decussazione dei nervi ottici. Sarnat e Netsky [1981] hanno anche evidenziato come le colonne dorsali negli animali superiori siano simili e come le loro connessioni assomiglino a quelle delle cosiddette cellule di RohonBeard [Spitzer e Spitzer 1975; Spitzer 1985], le quali sono dei neuroni osservabili transitoriamente nei girini di alcune specie di anfibi. Queste cellule multisinaptiche emettono ramificazioni dendritiche verso i muscoli e la cute. I loro assoni ascendono ipsilateralmente nella corda spinale ma formano delle sinapsi con alcuni interneuroni, i quali, decussando, ritrasmettono gli impulsi ai motoneuroni sul lato opposto. Nel caso dei nuclei della colonna dorsale, il ruolo è rigorosamente sensoriale e gli interneuroni decussanti appartengono ai nuclei gracile e cuneato. Ebbesson [1980] spiega queste scoperte in modo un po' diverso; comunque, il punto nodale è che i primi modelli complessivi di decussazione o si sono conservati in alcune linee discendenti oppure si sono sviluppati ex novo per evoluzione convergente. Meritano un' attenzione speciale diversi caratteri morfologici generali (tab. IO) dell'organizzazione neurale, in particolare quelli relativi ai concetti di selezione somatica e di rientro. Il primo è che lunghi tratti ascendenti e discendenti non sono cosi compatti nelle specie derivate dai vert~brati primitivi come lo sono nei vertebrati di origine piu recente. E un fatto attinente al significato evolutivo di degenerazione, un argomento da valutare piu avanti. Una seconda caratteristica generale è riscontrabile nell' organizzazione locale di strutture come il cervelletto e di strutture di derivazione telencefalica: la presenza di strutture modulari o ripetitive come ifolia del cervelletto o le colonne della corteccia cerebrale. Tuttavia, non dobbiamo pensare che queste strutture siano prive di variabilità interna: come abbiamo visto nei capitoli II e III, esse sono un substrato che consente variazioni quantitative, ma anche variazioni qualitative, cioè chimiche [Chan-Palay e altri 1981; Ingram e altri 1985], che consentono la formazione dei differenti repertori postulati dalla teoria. Una terza caratteristica generale (pertinente nella teoria della selezione dei gruppi neuronali) è la progressiva tendenza, nel corso dell'evoluzione, a sviluppare connessioni rientranti. Questo aspetto si manifesta nello sviluppo del sistema vestibolare, deputato al controllo dell' orientamento nello spazio, e nel tratto vestibolospinale,
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
l,
!ti l'
I71
il primo tratto motorio che regola i motoneuroni spinali. Tali strutture rientranti compaiono precocemente (subito dopo la comparsa dell' anfiosso) negli antenati dei vertebrati veri e propri. Infine, i tratti nervosi correlati agli organi dellà linea laterale, evolutisi come sensori della posizione rispetto alle correnti d'acqua, sono diventati adatti per il sistema uditivo della coclea. Per finire, con lo sviluppo del cervelletto sono comparsi numerosi percorsi rientranti [Sarnat e Netsky 1981]. Il tema del rientro prevale anche nello sviluppo indipendente delle strutture talamiche dorsali implicate nelle risposte agli stimoli visivi. I nuclei della colonna dorsale, comparsi nei rettili, sono un primo esempio di lunghi tratti rientranti; in conformità, vi è una proiezione discendente dai nuclei gracile e cuneato. Con lo sviluppo delle strutture telencefaliche piu evolute, il rientro si manifesta come un carattere prevalente dei sistemi piu complessi, composti da nuclei afferenti ed efferenti e da lamine, nel senso che presentano moduli locali reciprocamente interconnessi. Qual è il significato adattativo delle connessioni rientranti? Come implica la teoria della selezione dei gruppi neuronali, esse sono essenziali per la correlazione temporale dei diversi irrput e per lo sviluppo di nuove funzioni tramite l'unione delle coppie di classificazione, come vedremo nei capitoli IX e x. Tradizionalmente sono sempre stati considerati dei" sistemi a feedback", nell' accezione della teoria del controllo. La difficoltà intrinseca a questa concezione è supporre che lungo ogni percorso rientrante fluisca dell'informazione codificata in modo specifico. Pur esistendo sicuramente degli esempi di archi riflessi grosso modo rientranti che favoriscono funzioni afeedback, tuttavia, questa interpretazione sembra inadeguata come spiegazione generale per il funzionamento della maggior parte dei circuiti complessi. Una spiegazione generale piu plausibile è che l'esistenza delle coppie di classificazione e il parallelismo dei circuiti di livello superiore richiedano entrambi l'adattamento coordinato delle risposte dei sottosistemi interconnessi a tutti i livelli di un sistema parallelo e distribuito; è il rientro che rende possibile tutto questo. Come vedremo piu avanti in questo capitolo, a proposito di un modello di mappe somatosensoriali, il rientro impiega dei meccanismi di selezione piuttosto che difeedback.
I
17 2
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
Capitolo sesto
3. Un esempio di rete. Molti dei principi generali contenuti nel breve resoconto evolutivo precedente, sono esemplificabili riproponendo un particolare circuito studiato da Ulinski [1980], il quale ha descritto la rete visiva [Hall e Ebner 197oa, 1970b] nella tartaruga dalle orecchie rosse (Pseudemys scripta elegans) nei suoi fondamenti evolutivi e nella morfologia funzionale (si veda la fig. 29). Ulinski enuclea alcuni punti: I) l'organizzazione della rete è nonlineare, avendo due strade parallele verso il margine ventricolare dorsale; 2) non tutte le coppie di nuclei hanno delle connessioni dirette - per esempio, il nucleo genicolato ventrolaterale non è connesso al nucleo rotondo. Si tratta di un dato significativo rispetto all'ipotesi evolutiva della parcellizzazione che vedremo piu avanti, ma è al contempo un' esemplificazione del concetto secondo cui, persino a livello dei microcircuiti locali, n elementi non formano n2 connessioni. Per quanto sia intricato il sistema di connessioni nel sistema nervoso centrale, esso è di parecchi ordini di grandezza inferiore rispetto alle potenzialità rappresentative di un grafo completo; 3) su ogni lato, la rete è organizzata in modo da conservare una via diretta di connessioni che amplifica i segnali provenienti dall'occhio controlaterale; 4) molte connessioni sono reciproche e possono, quindi, essere rientranti; 5) i nuclei prossimi al lato dell' input ricevono segnali visivi; quelli prossimi al lato dell' output ricevono segnali da diverse modalità sensoriali; 6) la rete, malgrado abbia un solo input visivo, presenta due output - il primo diretto verso l'ipotalamo e l'ipofisi, il secondo, attraverso la formazione reticolare, diretto ai motoneuroni. In questa rete, .considerando la funzione delle proiezioni al tetto, Ulinski [1980] sottolinea l'importanza del rapporto fra le proprietà topologiche, i fattori di ingrandimento o proprietà metriche, e le proprietà temporali parallele e rientranti di tale sistema. Egli evidenzia la ben nota continuità topologica della mappa retinotettale, ma ne sottolinea, altre si, le dissimmetrie, frutto dell'evoluzione - infatti, le dimensioni della retina sono diverse rispetto a quelle del tetto ottico, come dimostra la differenza areale tra le superfici della retina e del tetto. Questa dissimmetria consente che la mappa sia scalata in modo che una linea trasversale di l,O Ilm per msec di superficie retinica copra solo 0,2 Ilm per msec di superficie del tetto. Tale mappa presenta anche delle proiezioni corticotettali aggiuntive che formano sinapsi con i dendriti basali e i corpi cellulari delle cellule radiali pro-
173
fonde del tetto, a differenza delle proiezioni retiniche che formano sinapsi con i dendriti apicali. I campi recettivi corticali sono maggiori rispetto a quelli delle cellule gangliari della retina. Di conseguenza, il funzionamento di questo circuito è regolato da due fattori spaziotemporali; un gruppo, le cellule profonde nel tetto, riceve degli input sui dendriti basali i quali rappresentano un dominio dello spazio viFigura 29. La rete visiva dello Pseudemys, una tipica sfida all'analisi evolutiva [Ulinski 1980l. Nel diagramma sono rappresentat~ le interrelazioni tra strutture note per essere coinvolte nella rete visiva di Pseudemys. E probabile che molte strutture, come il pretetto, abbiano delle connessioni aggiuntive, ancora sconosciute. Abbreviazioni: NOA, nucleo ottico accessorio; CERV, cervelletto; CD, corteccia dorsale; NGLD, nucleo genicolato laterale dorsale; MVD, margine ventricolare dorsale; 1P, ipotalamo; 1ST, nucleo dell'istmo; CM, corteccia mediale; AP, addensamento palliale; PRET, pretetto; FR, formazione reticolare; ROT, nucleo rotondo; STR, striato; NGVL, nucleo genicolato ventrolaterale. Come affermato nel testo, questo circuito contiene delle componenti con differenti campi recettivi, recettività convergenti, ritardi temporali e diffusioni dendritiche.
t IPOFISI
i
r---+IP··------------~
~
N LD-AP,CD ~ CM
1
TETTO •
RETINA
ROT -
H'
NGVL
~
1ST
MVD
~1
STR
PRET\
NOA
~ CERV~
FR
~
•
MOTONEURONI
r
I74
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
Capitolo sesto
sivo a grana grossa e, simultaneamente, sui dendriti apicali si verifica una rappresentazione a grana piu fine. Come ulteriore controllo, l'input giunge dalla retina con una latenza di 50 msec, molto prima, quindi, del segnale proveniente dalla corteccia, che ha un ritardo maggiore. Secondo Ulinski, la finestra temporale entro cui è attiva una certa cellula radiale è determinata dalle sue proiezioni convergenti. Nel momento in cui una mosca, muovendosi a una velocità di IO o /sec, attiva degli input verso un certo gruppo del campo apicale dendritico in un tempo di IO msec, i dendriti basali dello stesso gruppo stanno già ricevendo un input relativo allo stesso campo visivo piu di 30 millisecondi prima che la mosca sia arrivata. Questo studio ci fa capire la necessità assoluta di correlare i domini spaziali e temporali dei segnali in un sistema parallelo e rientrante. Le efferenze del tetto, originate dàlle cellule radiali, stabiliscono le interazioni del tetto in tutta la rete, e ciò richiede la modificazione coordinata delle mappe in tutti i nuclei della rete connessi al tetto. Questo circuito è un esempio molto pregnante dei principi attinenti alla continuità spaziotemporale, presentata la prima volta che ho proposto la selezione dei gruppi neuronali [Edelman 1978]. Le modalità dell'effettiva coordinazione delle connessioni rientranti nei circuiti è un problema di grande portata che considereremo nel decimo capitolo. Se desideriamo comprendere questo circuito, dobbiamo fare luce su diversi aspetti che emergono dai dati filogenetici: I) come le cellule separano gli input e gli output, caratterizzando in questo modo un nucleo o una lamina; 2) come piu nuclei possono separarsi in parallelo e in tempi evolutivi relativamente brevi; 3) come possono verificarsi repentine variazioni nelle dimensioni di una particolare struttura (la corteccia dei primati è l'esempio piu ragguardevole). Analizzeremo i principali aspetti di tali questioni nell'ultima sezione del capitolo. Prima però, esamineremo la variabilità in circuiti rientranti ricchi di connessioni nei nuclei e nelle lamine di specie diverse. Le loro origini evolutive saranno spiegate dall'ipotesi dei regolatori, e proporremo un modello strutturale e funzionale del comportamento selettivodei gruppi di tali circuiti nelle mappe.
I75
4. La variabilità tra specie: l'origine evolutiva di nuclei, lamine e
circuiti paralleli.
j !' ~
I ;
I
Come si originano dei circuiti come, per esempio, la rete neurale appena descritta, e quale combinazione di meccanismi di sviluppo ed evolutivi è responsabile dell' origine dei numerosi nuclei e lamine nel cervello? In una serie di studi comparativi Ebbesson [Ebbesson e altri 1972; Ebbesson e Northcutt 1976; Ebbesson 1980, 1984] si è posto il problema dell'origine evolutiva di tali strutture, a partire dalle forme piu primitive. Per spiegare la notevole differenza esistente in circuiti neurali omologhi di specie diverse, ha proposto l!n'idea unificante, la teoria della parcellizzazione [Ebbesson 1980]. E chiaro, da quanto abbiamo già detto, che, nelle diverse specie, le strutture sensoriali e motorie di un certo fenotipo derivano dalla coevoluzione di vari nuclei, lamine e connessioni. In genere, i sistemi di piu antica formazione, si conservano e accrescono il numero di cellule, ma è altresi possibile che vengano integrati da sistemi di piu recente formazione. Conservazione e variabilità coesistono; per esempio, nel tronco cerebrale dei diversi vertebrati prevalgono caratteri strutturali comuni, a differenza di quanto avviene nel tetto, nel talamo e nel telencefalo, che sono piu variabili. Come è spiegabile, per esempio, la presenza di nove nuclei visivi talamici nella lucertola Tegu, di due nuclei nello squalo nutrice, mentre ne esistono solo tre nella maggior parte dei mammiferi [Ebbesson e altri 1972]? La tesi di Ebbesson (fig. 30) è che i sistemi neurali si evolvano in seguito alla parcellizzazione (riorganizzazione e riconnessione) di sistemi già presenti, un fenomeno accompagnato da un aumento del numero di cellule. Citando testualmente l'autore [Ebbesson 1980]: «l sistemi neurali non si evolvono per il mescolamento dei sistemi, né de novo, ma per differenziamento e parcellizzazione, che implica la competizione e la ridistribuzione degli input, e la perdita di connessioni». Il grado di parcellizzazione dipende dall' organizzazione neurale che scaturisce dall'incontro con nuove pressioni selettive e dalla forza delle pressioni stesse. Ebbesson [1984] apporta dimostrazioni che respingono le spiegazioni antagoniste, cioè, che la variabilità sia scaturita dalla fusione di sistemi preesistenti, dall'invasione di un sistema da parte di un altro, o da mutazioni de novo, ciascuna potendo favorire la generazione diretta e specifica di una nuova struttura
I Figura 30. La teoria della parcellizzazione di Ebbesson [1980]. Si ritiene che il processo di parcellizzazione sia implicato nella perdita di uno o piu input diretti a una cellula o a un gruppo di cellule durante l'evoluzione di nuovi sottocircuiti. A) Il diagramma illustra come due neuroni identici (a e b) in un aggregato ipotetico, diventino progressivamente meno influenzati da un certo input, con l'eventuale risultato che la cellula a perde l'input d e la cellula b l'inputc. Una ulteriore parcellizzazionedi tali gruppi può verificarsi qualora alcune cellule perdessero altri input o output. I rami collaterali o gli assoni principali possono degenerare in risposta a diverse pressioni selettive. Alcune cellule possono perdere alcuni dendriti con la regressione di alcuni input, e l'ampiezza cellulare diminuisce se i collaterali degli assoni o le proiezioni principali scompaiono. B) Un altro esempio. Sequenza schematica (r-4) di ipotetici aggregati cellulari soggetti a parcellizzazione con la eventuale produzione di due gruppi cellulari con input differenti.
A)
, ,, a," ,, ",',,-
B)
"
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
177
neurale. Al contrario, nella parcellizzazione i sistemi primitivi, piu o meno diffusamente connessi, contenendo un insieme potenziale di strutture, sono ristrutturati dalla selezione naturale per mezzo della perdita setettiva di connessioni dagli aggregati di cellule figlie. Il risultato di questa soppressione è una complessità organizzata, e i sistemi distribuiti derivano dalla ridistribuzione delle connessioni. Sebbene Ebbesson non rivendichi la parcellizzazione come 1'unico meccanismo all' origine dell' evoluzione di tutte le strutture, egli ritiene che possa spiegare molta della variabilità esistente tra le specie. In linea di principio, la parcellizzazione può essere strettamente coordinata a quei meccanismi di sviluppo e genetici di cui abbiamo parlato, in quanto sono attinenti sia all' evoluzione e sia alla selezione dei gruppi neuronali. Quindi, in ragione della sua premessa fondamentale, che è una forma di selezione éliminativa, potrebbe spiegarci plausibilmente 1'origine evolutiva e la modificazione della degenerazione persino nei sistemi nervosi piu sofisticati. Tuttavia, come avremo modo di chiarire, un' analisi accurata dei fatti ci induce a respingere la parcellizzazione come troppo riduttiva per potere spiegare tutte le variazioni osservate, e troppo ancorata alle idee di ricapitolazione per essere pienamente compatibile con la selezione dei gruppi neuronali. Peraltro, questo non vuole significare che meccanismi affini alla parcellizzazione non si verifichino nell' evoluzione di qualche parte del sistema nervoso. Nonostante i limiti intrinseci, le dimostrazioni a sostegno di questo concetto sono estremamente illuminanti e degne di essere descritte. Ebbesson ha studiato cinque sistemi impiegando i moderni metodi comparativi; si tratta dei sistemi olfattivo, visivo, ascendente spinale, e dei sistemi afferenti al tetto e al talamo. Egli ha coniato il termine' equivalente neocorticale' per indicare quelle strutture aventi connessioni simili a quelle dei mammiferi. L'applicazione di metodi moderni ha rivelato che, contrariamente ad alcune concezioni precedenti, le aree telencefaliche dei vertebrati non mammiferi ricevono input olfattivi relativamente modesti; infatti, la prevalenza degli input si origina da fonti non olfattive. Prove ulteriori hanno segnalato in questi vertebrati l'esistenza di un neotalamo, in particolare di una regione somatosensoriale in posizione ventromediale rispetto al genicolato laterale. Ebbesson ha scoperto nello squalo degli equivalenti neocorticali che rappresentano gli input visivi. In diverse specie sono state individuate quattro forme basilari di telencefalo: I) emisferi laminati (anfibi); 2) organizzazioni non laminari (elasmo-
I 17 8
Capitolo sesto
branchi e uccelli); 3) strutture laminari e non laminari miste (rettili); e 4) strutture nonlaminari evertite (teleostei). In questi sistemi la bilateralità è molto variabile; nel sistema visivo dello squalo, quasi tutte le fibre sono incrociate, mentre negli uccelli sono al 75% ipsilaterali e al 25% controlaterali. Ebbesson ipotizza che la condizione primitiva fosse quella bilaterale, a cui ha fatto seguito la perdita di ognuna delle altre due alternative. Come nei mammiferi, in tutti questi sistemi esisteva uno spiccato rientro dagli equivalenti neocorticali verso il talamo, il nucleo rosso, il sistema reticolare e i nuclei delle colonne dorsali. Sebbene questi studi abbiano rivelato che un certo sistema si distribuisce in modo molto simile in tutte le classi dei vertebrati, hanno anche rivelato una marcata variabilità nella zona ricettiva di ciascun sistema. Le proiezioni erano indirizzate verso la stessa area bersaglio e mai verso un' area atipica, ma differivano per ampiezza e grado di differenziamento. Per esempio, il tetto differiva principalmente nell' organizzazione interna e non molto nelle sue connessioni afferenti ed eHerenti. Si è, inoltre, scoperto che il differenziamento strutturale di una regione particolare come il tetto è correlato a un piu marcato differenziamento (o parcellizzazione) in una struttura ricca di connessioni come il diencefalo. li progressivo differenziamento, l'ingrossamento, e la parcellizzazione, appena descritta, corrispondevano in genere a una maggiore separazione degli input e a una specializzazione o citodifferenziamento dei neuroni. Se, per esempio, compariamo il tetto ottico dello squalo nutrice, dello scoiattolo, dei pesci e della lucertola Tegu, notiamo una grande variabilità sia nei tipi cellulari sia nella separazione degli input. La parcellizzazione, a proposito delle proiezioni retinotettali, può spiegare la variazione di numero dei nuclei visivi del talamo, e ben si accorda con la variazione del grado di sovrapposizione neuronale osservata in una struttura come la corteccia somatosensomotoria (fig. 27). Spiegazioni analoghe valgono per il frazionamento, nel corso dell'evoluzione, dell'unico nucleo cerebellare dello squalo nutrice in quattro nuclei, attualmente presenti nei mammiferi. Possiamo estendere questa tesi alla formazione dei nuclei della colonna dorsale quando, dopo l'aumento in complessità dello sviluppo degli arti, si è perfezionata la capacità discriminativa dei nuclei stessi. Nella corteccia, tanto piu una struttura è parcellizzata, quanto piu può privarsi di alcune connessioni, come osserviamo, per esempio, nel confinamento delle connessioni visive commessurali in alcune parti di sistemi ben sviluppati e altamente evoluti.
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
179
Ebbesson distingue la parcellizzazione orizzontale propria dei nuclei dalla parcellizzazione verticale che si manifesta nello sviluppo evolutivo delle strutture laminate e nei microcircuiti. li confinamento degli input in strati può cosi influenzare la selezione evolutiva di nuovi tipi cellulari. Questa sarebbe la risposta al bisogno di una categorizzazione adattativa piu accurata e precisa degli stimoli esterni perfezionando il comportamento. In conseguenza, sarebbe favorita la creazione di microcircuiti ulteriormente perfezionati e specializzati; nella formazione di questi circuiti, la parcellizzazione potrebbe naturalmente influire su importanti caratteri della cellula come, per esempio, la modulazione dei contatti sinaptici. Gli eventi della parcellizzazione devono verificarsi nello sviluppo. Considerando il rapporto tra parcellizzazione e ontogenesi, Ebbesson evidenzia come, dopo lesioni sperimentali, le connessioni aberranti che si riformano per gemmazione ricalchino alcune proiezioni ancestrali esistenti prima della parcellizzazione nell' evoluzione di una certa specie. Malgrado alcuni eventi dello sviluppo (riassunti nel capitolo precedente) indichino nella parcellizzazione uno dei possibili meccanismi evolutivi, tuttavia questa spiegazione ontogenetica ha un sapore troppo ricapitolazionista, ed è troppo limitata. Inoltre, non tiene in debito conto la dinamica non lineare e i legami tra genetica dello sviluppo ed evoluzione [Alberch 1982a; Edelman 1986b]. Poiché mette in rilievo la ricapitolazione, non presta sufficiente attenzione all' eterocronia, cioè le mutazioni dei geni che durante lo sviluppo regolano la frequenza di espressione dei tratti ancestrali. Inoltre, la parcellizzazione ignora che le strutture neurali implicate nel comportamento motorio possono organizzarsi nella vita embrionale, pur prive di esperienze sensoriali relative al mondo [Preyer 1885; Hamburger 1963, 1968; Bekoff e altri 1975; Bekoff 1978]. Infine, trascura le modificazioni fenotipiche specie-specifiche non neurali e comportamentali che potrebbero influire sulla variazione ontogenetica [Coghill 1929; Hamburger 1970; si veda la disamina successiva]. Noi, invece, riteniamo piu probabile che le varianti ontogenetiche prodotte dalle modificazioni nei geni regolatori (in particolare quelli che determinano le diverse forme di eterocronia) 4 abbiano 4 Questo modo di interpretare i rapporti tra genetica, sviluppo ed evoluzione viene progressivamente confermato e si dimostra, pertanto, di grande attualità. Il denominatore comune è costituito dai geni omeotici (hox per i vertebrati; si veda il capitolo v, nota 4), identificabili, almeno nella logica, con gli elementi regolatori di cui parla Edelman. Oggi che i biologi posseggono gli strumenti per studiare l'espressione e la funzione degli
r
180
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
Capitolo sesto
favorito l'origine di individui mutanti con sistemi nervosi dotati di nuovi nuclei e di tratti anatomici apportatori di un vantaggio selettivo. La nostra concezione, rispetto alla parcellizzazione, si richiama a un insieme molto piu complesso di meccanismi implicati nella modificazione evolutiva. Come abbiamo evidenziato nel capitolo precedente, la modificazione dei geni morforegolatori delle CAM, che ne modifica la sequenza dell'espressione temporale, provoca, ad esempio, la rapida comparsa di nuovi nuclei e l'organizzazione di gruppi neuronali in tempi evolutivi relativamente rapidi. Tutto ciò è compatibile con quei dati indicanti come i sistemi neurali e le loro componenti siano progrediti con frequenza diversa nelle diverse specie, alcuni conservando dei caratteri ancestrali, pur modificandone altri. In un' attenta analisi dei dati piu recenti riguardanti l'evoluzione del telencefalo, anche Northcutt [1981] respinge una teoria lineare, come quella di Ebbesson, e.sottolinea la probabilità che, in futuro, saranno indispensabili spiegazioni piu esaustive della relazione tra sviluppo ed evoluzione [per altre critiche, si veda Ebbesson 1984]. Quale spiegazione possiamo proporre a riguardo?
l' i
~~
!
5. Sviluppo ed evoluzione: il rapporto tra ipotesi dei regolatori ed
. eterocronia. A questo punto, come ipotesi di piu ampio respiro e alternativa alla parcellizzazione, presentiamo una concezione selettiva basata su un meccanismo [Edelman 1986b] che spiega l'eterocronia, intesa come la variazione nel tempo o nella frequenza con cui, durante lo sviluppo, compaiono i tratti ancestrali [Gould 1977]. Noi sosteniamo che, malgrado la parcellizzazione sia compatibile con un tipo particolare di eterocronia e, quindi, non sia escludibile a priori, non è sufhox, si possono formulare in modo nuovo classici interrogativi evolutivi, ed esistono le possibilità che i geni hox abbiano consentito ai vertebrati di generare nuove strutture con l'evoluzione. Per esempio, il sistema uditivo dei mammiferi si è evoluto da un osso mascellare piu primitivo ancora presente nei rettili. Quando viene eliminato Hoxa-2 nel topo, questi elementi scheletrici adottano una morfologia intermedia tra quella dei mammiferi e quella dei rettili [Rijili e altri 1994]. La possibilità che i geni omeotici siano una reale causa dell'eterocronia deriva da studi su topi privi di Hoxd-13 [Dollé e altri 1993], i quali presentano un ritardo nello sviluppo di parecchi giorni e che determina un fenotipo pedomorfico localizzato. Nei topi adulti gli arti hanno caratteristiche neoteniche come l'aumento nel numero delle ossa carpali che è ritenuto un fenotipo piu prossimo al tetrapode ancestrale [ibid.J.
181
ficientemente ampia da spiegare perché si formino i gruppi neuronali. Quando, nel capitolo IV, abbiamo rivisitato i meccanismi molecolari dei movimenti morfogenetici e delle induzioni embrionali, abbiamo introdotto l'ipotesi dei regolatori, sfiorandone appena le implicazioni per l'evoluzione morfologica. Infatti, questa ipotesi era stata concepita affinché avessimo una rigorosa intelaiatura molecolare nel cui ambito correlare genetica dello sviluppo ed evoluzione, e spiegare, nelle sue origini l'eterocronia [Edelman 19 84C, 19 85 b , 19 86 b]. L'ipotesi aveva già chiarito: I) come in un codice genetico monodimensionale sia inscritta la progettazione di un animale tridimensionale, e 2) come tale meccanismo sia compatibile con le notevoli modificazioni nella forma tra specie affini che si verificano in tempi evolutivi relativamente rapidi. Come abbiamo constatato, l'ipotesi è derivata da un' analisi dei ruoli morfogenetici interattivi svolti dalla divisione e dal movimento cellulare, e dall'induzione embrionale durante lo sviluppo regolativo. Essa ha, inoltre, specificato che il legame tra il codice genetico e la forma tridimensionale degli organismi dipende dalla espressione epigenetica delle CAM e delle SAM, di cui la citotactina è un esempio [Crossin e altri 1986], opportunamente modulate in stadi di sviluppo ben precisi. Secondo l'ipotesi, i geni morforegolatori che specificano le molecole di adesione cellulare (CAM) sono espressi secondo piani prestabiliti prima e in ampia autonomia rispetto ai geni istoregolatori, che, invece, controllano il citodifferenziamento (si veda la fig. 3 I, per un riassunto di tutte le fasi nell'ipotesi generale). Le CAM e le SAM, una volta espresse, agiscono da regolatori della forma complessiva influenzando quei movimenti morfogenetici essenziali nelle sequenze induttive o nelle prime fasi del differenziamento che dipendono dall'ambiente interno. Abbiamo proposto che, durante l'evoluzione, la selezione naturale elimini gli organismi in cui le forme varianti dei geni per le CAM o le SAM, dei geni che influenzano i movimenti morfogenetici o di entrambi i tipi di geni, interrompano le sequenze induttive che controllano a cascata gli eventi che creano le forme. Date queste premesse, piu di una (ma non tutte) combinazione covariante di queste due variabili stabilizzerebbe l'ordine delle sequenze induttive e del piano corporeo in numerose specie. Piccole variazioni nel meccanismo d'azione dei geni regolatori delle CAM in organismi non sfavoriti dalla selezione potrebbero indurre straordinarie modificazioni nella forma animale e nella struttura neurale in un tempo evolutivo relativamente breve (fig. 3 1 ).
.---182
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
Capitolo sesto
Sebbene, a un primo sguardo, gli aspetti teorici dell'ipotesi dei regolatori e della teoria della selezione dei gruppi neuronali appaiano privi di rapporto, in realtà sono strettamente legati. L'ipotesi dei regolatori [Edelman 1984C; 1985b] cerca di spiegare a livello molecolare le origini genetiche ed epigenetiche della conservazione, ma anche della variabilità delle strutture embrionali, comprese quelle del cervello, e, inoltre, propone dei meccanismi di trasformazione che spiegano le repentine modificazioni evolutive in sistemi organici complessi. La teoria della selezione dei gruppi neuronali è basata sulle origini della struttura e funzione neurale, frutto della evoluzione e dello sviluppo, poiché esse sono in relazione alla attività neurale adattativa dell' animale. Il legame tra i meccanismi di trasformazione e di variazione proposti in ciascuna di queste concezioni è duplice: I) l'espressione regolata di alcuni prodotti genici che, come le CAM e le SAM, mediano le funzioni meccanico-chimiche, controlla sia la conservazione che la variazione, sorvegliata dall' evoluzione, della forma di ordine superiore e dell' anatoFigura 31. L'ipotesi dei regolatori. Le molecole di adesione cellulare (CAM) e le molecole di adesione al substrato (SAM) svolgono un ruolo centrale nella morfogenesi agendo, tramite l'adesione, come timonieri o regolatori di altri processi primari, in particolare dei movimenti morfogenetici. Le CAM esercitano il loro ruolo di regolatori modulando localmente la superficie cellulare. I movimenti morfogenetici scaturiscono dalla motilità intrinseca delle cellule e dall'espressione delle CAM e nella loro coordinazione con alcune SAM, come la fibronectina e la citotactina. Questi movimenti, regolati dalla modulazione delle CAM, sono in parte responsabili per la unione di cellule con storie diverse da cui scaturiscono le varie induzioni embrionali. I geni per le CAM sono espressi secondo un programma precedente e relativamente indipendente da quello di specifiche reti di citodifferenziamento nei diversi organi. I programmi genetici per le CAM seguono delle regole che presentano delle varianti «sintattiche". Il controllo dei geni strutturali delle CAM da parte dei geni morforegolatori che portano alla delimitazione dei confini è responsabile del piano corporeo, quale è osservabile nelle mappe presuntive. Nel pollo, questo piano si riflette in un ordine topologico: una regione centrale di N-CAM connessa semplicemente, circondata da un anello centrale contiguo di cellule connesse semplicemente che esprimono la L-CAM. La selezione naturale agisce in modo da eliminare i movimenti inadatti selezionando negativamente gli organismi che esprimono i geni per le CAM in sequenze che determinano un fallimento dell'induzione. D'altro canto, qualunque combinazione variante dei movimenti e della temporalità dell'espressione dei geni per le CAM (dipendente da variazioni nei geni morforegolatori) che favorisce appropriate sequenze induttive con funzione fenotipica, sarà, in generale, selezionato evolutivamente. Questo consente una grande variazione nei particolari delle mappe presuntive nelle diverse specie, ma allo stesso tempo tende a conservare il piano corporeo di base. Piccole variazioni evolutive nei geni regolatori per le CAM determinanti l'eterocronia che non invalidano questo principio di selezione potrebbero determinare ampie modificazioni nella forma e nei modelli tissutali in tempi evolutivi relativamente brevi.
TI movimento delle cellule mesenchimali e le lamine tissutali generano le interazioni di confine con scamhio di segnali induttivi tra cellule con storie diverse.
I segnali modificano l'espressione genica che influisce sui processi primari.
fTh
Movimento cellulare x
Adesione
L'espressione di segnali regolatori in ogni nuovo mezzo determina la successiva espressione dei geni per le CAM secondo delle regole e in parallelo all' espressione dei geni istoregolatori in un ciclo delle CAM. I;ordine di espressione dipende dalle traiettorie storiche delle cellule. TI concetto chiave è che i segnali dipendono dalla formazione di differenti associazioni di alto livello unite da CAM.
Morte cellulare y
e ..~
00
Le CAM agiscono per unire gli epiteli, condensare il mesenchima, e formare i confini (tramite modulazione della superficie cellulare e differente specificità diconfme).
~o
~--
Divisione cellulare
18 3
Espressione genica dipendente dal mezzo (induzione)
b -O
Modulazione della distrihuzione
- o-uu-
~ @-- G--
Modulazione della polarità Modulazione del dominio citoplasmatico
- Go
~ Modulazione chimica Modulazione della superficie cellulare Espressione dei geni delle CAM e trasporto) (morforegolato~e) •
r
. Espre~slOne di Modulazione IndUZIOne ~ altri gem ---della superficie (lStoregolatore)
t. .
+
FormazlOn,: di una ~~ù~'i~~~lOne
Ciclo delleCAM
Modificazione del legame
~ Regolazione--.--J del movimento
L
/H
O ...... ·····NL C
~~
.
Regole delleCAM
. II Epiteli
onverSlOne
mesenchimale I CAM CAM
La selezione evolutiva per il fenotipo fissa un piano corporeo (come viene riflesso in una mappa presuntiva con i confini determinati dalle CAM, il risultaro di una serie di cicli di CAM). Durante l'istogenesi varianti "sintattiche" delle regole e dei cicli delle CAM sono ripetute in scale progressivamente pi6 raffinate, come viene esemplificato dallo sviluppo della penna.
~
EeB (;\" ~.k.
888 ==C) NL-L ì"\ N·O·N")
----yL-NL
Serie di cicli
Mappa presuntiva delleCAM
N L
-- OL~
Induzione della penna e istogenesi
NL-L
18 4
Capitolo sesto
mia, ma controlla anche la singola variazione microscopica nei circuiti neuronali, richiesta per la selezione dei gruppi; 2) la selezione di organismi portatori di mutazioni nei geni che regolano tali molecole rende specifica l'eterocronia, la quale ha costituito, lungo il cammino evolutivo, uno strumento previlegiato per la variazione della forma. Le modificazioni indotte da ciascuno di questi meccanismi favorirebbero i fenotipi piu adattati, in possesso, cioè, di nuove strutture anatomiche e di repertori di gruppi neuronali piu diversificati nell' ambito di queste strutture. Interpretando queste osservazioni è bene rammentare ancora una volta che l'evoluzione seleziona non solo le forme varianti, ma, soprattutto, le strutture neurali nelta loro funzione, inclusa la variabilità dei repertori in tutto l'organismo. L'ipotesi dei regolatori è valida per qualunque sistema induttivo e può spiegare alcuni aspetti dello sviluppo del SNC durante la fase induttiva specificata dalle N-CAM e da altre CAM e SAM. Da un altro punto di vista può anche spiegare alcuni aspetti della variazione evolutiva, importanti per la morfogenesi dei nuclei e delle lamine, delle lamine sensoriali e dei complessi motori. Come abbiamo esposto nel capitolo IV, si verificano ampie modificazioni nella distribuzione delle Ng-CAM e nella quantità delle N-CAM durante la formazione e il consolidamento dei tratti di fibre quando le N-CAM si convertono dalla forma E alla forma A e quando inizia a formarsi la mielina. I dati sono favorevoli alla teoria secondo cui i segnali afeedback provenienti dalle cellule postsinaptiche e dalla glia modulano chimicamente le N-CAM e le Ng-CAM. Le variazioni genetiche che hanno modificato precocemente le aree periferiche hanno potuto sfasare tali segnali afeedback, che si sono ripercossi sul SNC, modificandolo. Queste modificazioni possono consistere nella retrazione delle fibre, nella variazione della competizione tra fibre, in configurazioni nuove di mortalità cellulare e in nuove connessioni dei tratti di fibre, come abbiamo già visto nel capitolo v. L'ipotesi dei regolatori è lo sfondo entro cui correlare opportunamente il concetto di modificazioni nei geni che regolano l'espressione delle CAM da cui scaturisce l'eterocronia e l'indipendenza dei processi primari, descritta nel capitolo v. Per esempio, poiché la migrazione cellulare e l'estensione dei prolungamenti sono fenomeni ampiamente indipendenti, ne consegue che modificazioni nell' espressione temporale delle N-CAM o delle Ng-CAM possano creare
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
185
molte forme nuove. Un ritardo nell'una o nell' altra potrebbe influire su questi due processi in modo differenziale. Questo fatto può modificare il grado di competitività [Purves e Lichtman I983] nei confronti di una popolazione bersaglio di neuroni o di cellule gliali in una certa fase dell' epigenesi, ripercuotendosi sulla sequenza dei segnali nel ciclo successivo delle CAM. Tali eventi potrebbero, di conseguenza, influire non solo sul numero di cellule destinate a sopravvivere o a morire, ma anche modificare le scelte operate dalle cellule sopravvissute verso le popolazioni bersaglio. Un esempio a riguardo è osservabile in un recente esperimento effettuato dal gruppo di Cowan [Stanfield e altri I982; Stanfield e O'Leary I985] dove hanno osservato che, in fasi precoci dello sviluppo, i neuroni della corteccia visiva emettono dei prolungamenti verso il midollo spinale, retraendoli in stadi piu avanzati. Se gli stessi neuroni venivano trapiantati nella corteccia motoria in una fase piu precoce, indirizzavano le fibre verso il midollo spinale, un evento in armonia rispetto al nuovo sito di impianto, ma, se prelevati in tempi di sviluppo piu avanzati, conservavano le connessioni originarie. Similmente, i mutamenti eterocronici basati sull'ipotesi dei regolatori potrebbero favorire variazioni analoghe nella scelta del sito e del bersaglio. Nell'eventualità che tali modificazioni migliorino l'idoneità (fitness), si verificherebbe la selezione naturale degli individui portatori dei geni morforegolatori e istoregolatori "migliorati". Tali modificazioni, che sarebbero il risultato di effetti graduati e delle proprietà continue della modulazione delle CAM, sono del tutto compatibili con il ciclo delle CAM e con la dinamica cellulare descritta nei capitoli IV e v. Grazie a questi principi dinamici il differenziamento dei neuroni e le nuove forme di neuroni (originabili grazie a variazioni nei geni istoregolatori indipendenti dai geni che regolano le CAM) potrebbero dare una svolta alla selezione evolutiva di nuovi microcircuiti. È utile mettere di fronte !'ipotesi dei regolatori e l'ipotesi della parcellizzazione. Secondo la prima, il mutamento eterocronico, che è a fondamento di una nuova evoluzione morfogenetica, deriva da nuove e concomitanti risposte che i segnali locali provocano nei due tipi di geni regolatori che operano nel ciclo delle CAM: cioè, i geni per le CAM (geni morforegolatori) e i geni che specificano le proteine caratteristiche di ogni tipo cellulare (geni istoregolatori). Il vantaggio rispetto alla teoria della parcellizzazione, piu ristretta e ricapitolazionista, è la maggiore facilità nel concepire come i diversi ca-
r 186
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
Capitolo sesto
ratteri fenotipici coevolutisi, propri della forma e del comportamento animale, siano scaturiti in modo coordinato apportando delle modificazioni apparentemente cOSI radicali nelle reti neurali'. Come abbiamo già discusso nel capitolo v, la variazione somatica su cui si basa il repertorio primario può consentire al sistema nervoso un accomodamento immediato alla modificazione fenotipica della forma e della funzionalità periferiche indotte dalle mutazioni. Le successive variazioni evolutive del ciclo delle CAM nello sviluppo del SNC favorirebbero un ulteriore adattamento e un comportamento piu perfezionato. Contrariamente a quanto sostiene Ebbesson, la sequenza ontogenetica non è un esempio di ricapitolazione; piuttosto, essa è compatibile con le variazioni nella genetica dello sviluppo della modulazione delle CAM che generano le diverse forme di eterocronia e che a loro volta influenzano molti processi primari e originano le multiformi variazioni individuali. Da questo punto di vista, l'ipo~ tesi dei regolatori non solo spiega la diversità e la degenerazione presente nel singolo sistema nervoso, ma spiega anche l'origine evolutiva dei sistemi distribuiti [Mountcastle 1978]. Questi sistemi, in particolare quelli osservati nelle mappe, fondano il comportamento adattativo su cui opererà la selezione evolutiva.
6. La conservazione evolutiva della degenerazione nei sistemi distribuiti. A questo punto possiamo descrivere quali legami intercorrano tra la formazione dei repertori primari degenerati e la formazione evolutiva di una mappa nell' adulto, la quale viene plasmata dal comportamento e produce di riflesso nuovi comportamenti. L'argomentazione precedente concepisce la degenerazione come una conseguenza naturale di una varietà di fenomeni evolutivi e di sviluppo. La degenerazione è il frutto della variazione biochimica e dei meccanismi epigenetici dello sviluppo. Si tratta di un aspetto importante già presente nelle connessioni diffuse dei sistemi primitivi 5 A proposito della maggiore" libertà" implicita in questa concezione dello svilup· po, Edelman si è COSI espresso: «[ .. .] i percorsi dello sviluppo possono presentare un alto grado di degenerazione: spesso lo stesso tipo di struttura può essere prodotto da una molteplicità di differenti sequenze epigenetiche. [... ] l'esistenza della degenerazione allenta il rigore dei vincoli posti dallo sviluppo e fornisce la necessaria" deriva" per i cambiamenti evolutivi, che altrimenti porterebbero a vicoli ciechi o alla morte» [Edelman 1988, trad. it., p. 72].
l
,f
18 7
e che si conserva in ragione delle precoci necessità evolutive di sovrapporre le informazioni sensoriali. La ritroviamo poi nella variazione microscopica dei moduli e nei domini strutturali del cervello di organismi al massimo grado di evoluzione. Quindi, la degenerazione è allo stesso tempo un substrato evolutivo per la specializzazione neurale e un terreno per la variazione nei repertori selettivi somatici. Se queste premesse sono corrette e se l'ipotesi dei regolatori ha dei riscontri reali, allora lè arborizzazioni assonali coincidenti e gli alberi dendritici sarebbero una componente estremamente plastica della variabilità microscopica tridimensionale dei sistemi neurali, conservatasi grazie alla selezione naturale e che consente la selezione somatica nei sistemi nervosi piu sofisticati, come quelli caratterizzati da numerosi nuclei e da lamine. Stando a questa interpretazione, un circuito come quello della figura 29 contiene, pur nelle differenze individuali, degli elementi degenerati tanto nei propri moduli quanto nei propri anelli rientranti. Dal punto di vista della funzione nell'individuo e della selezione fenotipica, tale circuito è sia un repertorio passibile di selezione durante la vita dell'individuo sia un influsso sul fenotipo che ne favorisce la selezione naturale. Questo circuito, se considerato come risultato dell'evoluzione in una certa specie, è un sistema ridistribuito la cui descrizione per mezzo del concetto classico di gerarchia diventa un po' sbiadita. Possiamo tuttalpiu parlare di eterarchia, dove le diverse parti acquistano un significato in riferimento alla dinamica inputoutput durante il comportamento controllato dal fenotipo. La selezione evolutiva esercita un notevole influsso sul comportamento, e la custodia dei modelli comportamentali propri di una specie è affidata alla degenerazione nelle reti neurali. Viste sotto questa luce, perdono di significato le controversie sulla localizzazione di funzioni fisse, confinate in regioni cerebrali definite o in porzioni di tali reti: infatti, sono implicati molti livelli di interazione, e i repertori primari, anche se appartenenti a una stessa regione, possono svolgere molte funzioni diverse. La selezione naturale agisce sul comportamento di animali i cui cervelli sono costituiti da tali sistemi, non sui sistemi stessi. Perciò è importante dimostrare come la selezione somatica in una regione cerebrale di un adulto possa generare delle mappe funzionali, perché sono proprio le mappe a creare quel comportamento su cui opererà la selezione naturale. In altre parole, dobbiamo capire a fondo come le trasformazioni fenotipiche causate dalle modificazioni e dalle interazio-
188
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
Capitolo sesto
ni nei repertori primario e secondario consentano che in una popolazione si verifichi la fissazione evolutiva dei geni morforegolatori modificati. Un modello dettagliato delle mappe somatosensoriali locali descritte nel capitolo precedente ne è un esempio probante. 7. Arborizzazioni sovrapposte e mappe rientranti.
A questo punto possiamo utilmente integrare i dati e le ipotesi presentati in questo e nei precedenti capitoli proponendo un modello del mappaggio fondato sulla selezione dei gruppi neuronali e che spieghi la dinamica delle mappe nell' adulto. Il modello [Edelman e Finkel 1984] si basa sui dati riguardanti la corteccia somatosensoriale, riassunti nel capitolo v. Ho introdotto questo modello solo dopo aver presentato i dati evolutivi perché desideravo mostrare come una spiegazione della plasticità nell' adulto dal punto di vista della selezione dei gruppi neuronali nei repertori primari e secondari ci aiuti a capire come in una popolazione si possano generare delle complesse varianti strutturali e funzionali da sottoporre alla selezione naturale. Secondo la teoria, alcuni fattori analoghi a quelli proposti in questo modello devono avere svolto un ruolo fondamentale nell' evoluzione delle mappe. Un modello dettagliato di questo tipo, visto alla luce della selezione dei gruppi neuronali, dovrebbe rivelarci i diversi livelli su cui la selezione naturale deve operare per correlare evoluzione del sistema nervoso e resto del fenotipo. Inoltre, il modello è un esempio esplicito entro cui perfezionare il concetto di gruppo neuronale; un perfezionamento che proseguirà quando, nel capitolo vrr, parleremo delle regole sinaptiche. A differenza dell'ipotesi della parcellizzazione, che è strettamente dipendente dall' input e dall' output, ed è ricapitolazionista, questo modello ha come suoi presupposti: l) l'ipotesi dei regolatori, quale meccanismo per l'eterocronia, 2) la degenerazione determinata dalle arborizzazioni sovrapposte, e 3) la coordinazione rientrante dei circuiti a tutti i livelli, piuttosto che semplici schemi input-output. Dopo aver dimostrato che la teoria della selezione dei gruppi neuronali può spiegare le scoperte di Merzenich sulla corteccia somatosensoriale dell' adulto e, quindi, alcune delle funzioni su cui agisce la selezione naturale, saremo in condizione ottimale per valutare come la variabilità, la degenerazione, la competizione tra gruppi e il rientro possano determinare lo sviluppo evolutivo delle lamine corticali e dei nuclei sottocorticali.
1 ~
I ~
1
.'
(-'
189
Il modello che proporremo è congegnato per spiegare i dati sulle mappe corticali, ma è importante notare come alcune osservazioni indichino che una parziale deafferenziazione provoca anche una riorganizzazione delle strutture sottocorticali del sistema somatosensoriale [si veda Kaas e altri 1983]. Questi dati sono particolarmente significativi perché confermano resistenza del rientro tra mappe corticali e strutture sottocorticali. Un cambiamento in una parte di una rete cosi interconnessa deve necessariamente riverberar si sotto forma di modificazioni rientranti in altre parti. Ricerche svolte sui sistemi sottocorticali confermano che tali modificazioni possono verificarsi, per esempio, nei nuclei della colonna dorsale [Devor e Wall 19 81 ]. Tenendo a mente queste osservazioni, riassumiamo gli effetti sulla corteccia osservati da Merzenich e collaboratori [19 8 3a; Kaas e altri 19 8 3]. I loro dati indicano che: l) le mappe normali variano nei diversi individui; 2) durante la riorganizzazione, si conserva la sovrapposizione dei campi recettivi registrati, grosso modo, entro 600 fJ.m dal confine deafferenziato, pur modificandosi drammaticamente i siti di rappresentazione e i fattori di ingrandimento delle rappresentazioni stesse; 3) esiste una relazione inversa tra il fattore di ingrandimento di una rappresentazione corticale e 1'ampiezza del campo recettivo; 4) durante la formazione di nuove mappe viene conservata la continuità; e 5) la localizzazione corticale dei confini delle mappe somatotopiche può spostarsi anche di molte centinaia di micron. Queste scoperte suggeriscono che ogni porzione di corteccia sia organizzata in modo tale da poter rappresentare molte mappe potenziali diverse". Data la continuità topografica di queste mappe a un livello molto raffinato di rappresentazione e, data la sovrapposizione e i limiti di distanza, possiamo dedurre che regioni adiacenti dell' input anatomico verso la corteccia (in particolare le arborizzazioni assonali) presentano un'elevata percentuale di sovrapposizione. " L'estensione piti suggestiva di queste potenzialità plastiche nella rappresentazione delle mappe nella corteccia è documentata negli esperimenti di Mriganka Sur e collaboratori [1988], dove è stato dimostrato che, manipolando opportunamente il sistema nervoso in fasi precoci dello sviluppo, si possono instradare le fibre appartenenti a una certa modalità sensoriale verso aree corticali appartenenti a un' altra modalità (plasticità cross-moda/e), ricablandone i circuiti. Per esempio, eliminando le aree visive della corteccia cerebrale le fibre che convogliano l'informazione visiva vengono reinstradate verso la corteccia uditiva, consentendo a quest'ultima di "vedere". Questo fenomeno suggerisce «l'esistenza di meccanismi comuni nei moduli di elaborazione corticale, ed evidenzia il ruolo delle afferenze nello specificare i microcircuiti» [Sur 199 0 , p. 233]·
,..------
19 0
Capitolo sesto
Tuttavia, nello stesso tempo, l'organizzazione somatotopica grezza degli input provenienti dal talamo e dalla periferia si conserva. Secondo il nostro modello la mappa scaturisce da un processo di competizione selettiva tra gruppi che opera su un substrato anatomico degenerato, il quale ha in sé la potenzialità per creare numerose mappe diverse. La grande sfida consiste nel capire come, tramite opportune variazioni nelle sinapsi, una certa mappa sia selezionata nel repertorio primario di un individuo interagente col mondo. Nel prossimo capitolo descriveremo in dettaglio le regole sinaptiche che potrebbero consentirlo. In base al modello, un gruppo neuronale della corteccia cerebrale è definibile, dal punto di vista funzionale, come un insieme di cellule coesivamente interconnesse, tutte rappresentanti lo stesso campo recettivo. Invece, dal punto di vista anatomico, i gruppi sono correlati alle colonne corticali [Mountcastle 1978], essendo quest'ultime costituite da gruppi; tuttavia, i gruppi vanno sempre concepiti nel loro dinamismo. La dinamica dei gruppi (formazione e dissoluzione) dipende sia dagli input che dalle connessioni interne; questi due fattori determinano quali afferenze pervenute al gruppo saranno rappresentate sotto forma di campo recettivo del gruppo. Un'operazione fondamentale dei gruppi neuronali è quella di competere con altri gruppi potenziali nel repertorio secondario per dominare l'attività delle cellule. Questo è possibile rafforzando le connessioni sinaptiche tra le cellule già appartenenti al gruppo e qualunque altra cellula catturabile dal gruppo stesso. Quando sono inglobate nuove cellule nel gruppo si modifica il bilancio tra input e connessioni interne, e il gruppo di nuova formazione può richiedere degli schemi di input diversi perché si attivi in modo coerente. Se l'attivazione perdura, il gruppo può consolidare il proprio" dominio" sulle cellule. Tuttavia, altri gruppi competono in continuazione per le stesse cellule, e qualunque indebolimento delle connessioni causato da una diminuzione dell' attività crea nel gruppo il rischio di perdere qualche cellula o, nel caso estremo, di essere diviso e conquistato. Secondo questo modello, tanto le sinapsi talamocorticali quanto quelle corticotalamiche sono modificabili, ma la possibilità di un rapido scambio e movimento nelle mappe corticali è a carico soprattutto dalle connessioni modificabili all'interno della corteccia. Nel modello proponiamo tre meccanismi popolazionistici per la creazione di mappe corticali completamente funzionali (fig. 32). Il primo riguarda la necessaria limitazione in ampiezza del gruppo, il confinamento del gruppo. Il repertorio primario consiste in connes-
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
19 1
Figura 32. Le tre componenti nella formazione delle mappe secondo la teoria della selezione dei gruppi neuronali. Le figure a forma di Y ascendente rappresentano le afferenze talamiche; le figure a clessidra rappresentano gruppi con strozzature pili strette nello strato IV. Il confinamento dei gruppi (in alto a sinistra) restringe l'attività ad aree locali con l'interposizione dell'eccitazione ne~ strati sopra e infragranulari con l'inibizione nello strato IV; per i dettagli, si veda la figura 33. L'input coattivo nella selezione del gruppo (in alto a destra), indicato dalle X, seleziona il gruppo a sinistra in quanto contiene una regione (in grigio scuro) che riceve input coattivi, ma non input incorrelati (indicati dalle O) da afferenze adiacenti; per i dettagli, si veda la figura 34. La competizione di gruppo (in basso) fra tre gruppi precedentemente selezionati determina in questo caso ipotetico la dissoluzione del gruppo centrale (forse perché il suo campo recettivo non si sovrappone a quelli dei gruppi circostanti).
o X X X O O O Selezione dei gruppi
Confinamento dei gruppi
Competizione tra gruppi
r 19 2
Capitolo sesto
sioni corticocorticali degenerate, orientate in prevalenza lungo l'asse verticale [Mountcastle 1978], un dato anatomico noto sin dai tempi di Lorente de N6 [1938] e in sintonia con la progressione degli eventi durante lo sviluppo [Rakic 1977]. Le connessioni locali inibitorie orizzontali servono poi a incanalare ogni attività all'interno di domini corticali ristretti. Come dimostreremo, questo ha l'effetto di limitare l'espansione e la contrazione di gruppi corticali connessi coesivamente. Il secondo meccanismo, la selezione dei gruppi, dipende dalla distribuzione delle arborizzazioni afferenti, ciascuna delle quali si espande su una regione corticale limitata e si sovrappone in buona parte alle arborizzazioni vicine. Tramite queste arborizzazioni degenerate, l'attività degli stimoli periferici, correlati nello spazio e nel tempo, seleziona i gruppi in base a un insieme di regole di modificazione sinaptica di cui parleremo a lungo nel prossimo capitolo. L'ultimo dei tre eventi, quello di livello superiore, è la competizione tra gruppi, e si riferisce alle interazioni competitive tra quei gruppi che il confinamento prima e la selezione poi hanno contribuito a originare. La nostra proposta è che un insieme gerarchico di regole competitive provochi la riorganizzazione del controllo territoriale tra gruppi diversi. Queste regole competitive possono includere effetti storici, come si evince, per esempio, nell'idea che i gruppi già attivi possono esercitare un notevole influsso sulla selezione di nuovi gruppi. Andiamo ora a considerare brevemente e nell' ordine questi tre meccanismi (fig. 32).
Il confinamento dei gruppi. Si può supporre che l'ampiezza media di un gruppo neuronale deputato a rappresentare la mano nell' area SI della corteccia sia circa 50 [lm, sebbene possa variare di un fattore due o piu volte maggiore (si veda oltre). Quest'area include 165-200 corpi cellulari disposti perpendicolarmente rispetto alla superficie della corteccia, se ci basiamo sui dati di Rockel e collaboratori [1980] relativi alla densità cellulare nella corteccia somatosensoriale del nictipiteco. Scegliamo il valore di 50 [lm perché rappresenta il limite massimo per zone separate della corteccia aventi identici campi recettivi [Sur e altri 1980]. L'ampiezza del gruppo può variare diversamente in altre regioni cerebrali. Tuttavia, un gruppo copre solamente una parte dell'intera arborizzazione prodotta da un' afferenza talamica. L'ampiezza di un gruppo dipende da tutti e tre i meccanismi menzionati; ma, prima che diventino operative la selezione e la competizione tra gruppi, l'ampiezza iniziale del gruppo deve essere ben delimitata. Il confinamento è l'espressione
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
193
di un'ampiezza costante per i gruppi, la quale è la risultante dell'interazione tra le connessioni corticocorticali eccitatorie e inibitorie nelle diverse lamine. Riteniamo valido il postulato secondo cui le cellule piramidali, in particolare quelle negli strati sopragranulari, ricevono sulle loro spine dendritiche delle connessioni eccitatorie provenienti da altre cellule piramidali e dalle cellule stellate spinose dello strato IV [Szentagothai 1975; Winfield e altri 1981]. Si ritiene che, insieme alle afferenze talamiche, queste interconnessioni eccitatorie favoriscano il meccanismo di "cattura cellulare" da parte del gruppo. Le cellule piramidali che ricevono un' eccitazione sufficiente (proveniente da afferenze talamiche, commessurali e associative, e sommante si a quelle provenienti da altre cellule piramidali adiacenti e dalle cellule stellate spinose degli strati immediatamente sottostanti) vengono attivate e rinforzano le proprie connessioni con altre cellule piramidali che, di conseguenza, vengono eccitate. Cellule inibitorie locali plasmano la risposta dinamica per mezzo dell'inibizione laterale 7. Come illustra la figura 33, gli strati sopra- e infragranulari sono siti di espansione eccitatoria dei gruppi. Tuttavia, lo strato IV, dove termina la maggior parte delle afferenze talamiche, è sotto il controllo delle cellule inibitorie stellate non spinose. Qualora regioni piu ampie nello strato IV venissero eccitate dagli input in arrivo dal talamo e da un incremento di eccitazione negli altri strati, allora nello stesso strato IV aumenterebbe pure l'inibizione, il cui scopo è tamponare la sorgente di eccitazione. L'equilibrio dinamico tra la "contrazione" nello strato granulare e l'" espansione" negli strati soprae infragranulari, inestricabilmente legati da prevalenti connessioni verticali, prima forma il gruppo e poi ne stabilisce i confini.
La selezione dei gruppi. Il confinamento dei gruppi è una proprietà intrinseca della corteccia e contiene l'ampiezza dei gruppi en7 L'inibizione laterale è il meccanismo generalmente proposto per spiegare l'inibizione peristimolo cioè, il confinamento dello stimolo periferico in un'area neurale ridotta, caratterizzato da un alone inibitorio che circonda un'isola di attivazione. Alcuni studiosi [Reggia e altri 1992; Sutton III e altri 1994] mettono in discussione l'inibizione laterale quale meccanismo, e propongono, sotto forma di modello neurocomputazionale, la teoria della distribuzione competitiva dell' attivazione nella dinamica neocorticale, secondo cui, se l'elemento i e l'elemento i ricevono un'attivazione dall'elemento k, e se l'elemento k ha una quantità limitata di attivazione da distribuire tra l'elemento i e l'elemento i, allora i e i competono per ricevere l'attivazione dall'elemento k, generando una inibizione laterale virtuale, pur in assenza di sinapsi inibitorie.
194
Capitolo sesto
tro limiti definiti, ma ha, tuttavia, di per sé una modesta specificità. Affinché la selezione dei gruppi sia specifica, bisogna che le cellule di un gruppo siano raggiunte da input correlati temporalmente. La figura 34 è un esempio alquanto idealizzato di afferenze corticali sovrapposte. Le afferenze indicate con la lettera X ricevono una stimolazione correlata dai recettori periferici, la quale favorisce un' attività correlata nell' area puntinata. Le regioni adiacenti, indicate con la lettera 0, non stanno ricevendo un'attivazione correlata, cosi tutte Figura 33. Concettualizzazione schematica dell'ipotetico processo del confinamento dei gruppi. Tre diverse configurazioni di gruppo sono delimitate da tre superfici. Un gruppo tenderà ad espandersi negli strati sopragranulari a causa delle connessioni eccitatorie orizzontali. Questa espansione determina un aumento dell'inibizione nello strato IV, provocando la contrazione del gruppo; al contrario, la contrazione del gruppo negli strati sopragranulari favorisce l'espansione nello strato IV. Il cilindro intermedio rappresenta una configurazione di equilibrio per il gruppo. La parte sopragranulare è illustrata come simmetrica rispetto a quella infragranulare, ma, in realtà, differisce probabilmente a causa dell'esistenza di un input sopragranulare diretto.
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
195
le regioni esterne all'area scura ricevono un'attività non correlata. Nonostante le terminazioni afferenti si arborizzino coprendo un ampio territorio, solo una minima parte della regione corticale riceve una massima attività correlata e una minima attività non correlata. I gruppi compresi in questa regione sono gli unici a essere rigorosamente selezionati dagli stimoli correlati. La selezione dei gruppi procede grazie a modificazioni sinaptiche indotte dall' attivazione correlata delle cellule in un gruppo. È la sequenza temporale dell' attiyità, oltre alla sua ampiezza, a indurre la modificazione sinaptica. E pensabile che la soglia per modificare la forza delle sinapsi giaccia in qualche punto interno alla distribuzione dell' attività prodotta da una intensa stimolazione correlata. Diamo per scontati gli esatti meccanismi e le regole che modificano le sinapsi, di cui descriveremo i dettagli nel capitolo vn, presentando una simulazione computerizzata della selezione dei gruppi nella corteccia somatosensoriale. Un gruppo sarà selezionato solo se è presente in una regione dove le afferenze che ritrasmettono il suo campo recettivo hanno una elevata percentuale di sovrapposizione. Questa è la regione a cui ci siamo riferiti prima, cioè quella ricevente la massima stimolazione correlata e la minima non correlata (fig. 34). Quando aumentano le afferenze che ricevono una stimolazione correlata; aumenta anche 1'a-
Figura 34. Rappresentazione estremamente idealizzata di arborizzazioni afferenti talamiche sovrapposte. Le afferenze indicate dalla X ricevono una stimolazione coattivata, mentre quelle marcate con la O ricevono una stimolazione incorrelata. Le tre densità di puntinatura indicano aree dove uno, due o tre afferenze coattivate si sovrappongono. L'area scura riceve un input coattivato, ma non un input incorrelato.
ooxxxoo
I9 6
Capitolo sesto
rea della corteccia che riceve stimoli correlati. Tuttavia, la distribuzione dell' attività correlata sulla superficie corticale diventa progressivamente piu a picco e meno uniforme, ma, per aree grosso modo superiori a 600 fJ.m, la distribuzione si appiattisce di nuovo per la mancata sovrapposizione delle afferenze. Nella regione in esame l'aumento dell' attività correlata va di pari passo a una diminuzione dell' attività non correlata, e, i due effetti, combinandosi alla notevole dinamica non lineare dei gruppi, delimitano una regione corticale avente un elevato rapporto tra input correlati e non correlati. Il modello di arborizzazione illustrato nella figura 34 è, ovviamente, idealizzato. In realtà le arborizzazioni hanno comunemente una densità nelle terminazioni superiore o inferiore, i rami possono interdigitarsi non uniformemente, e l'ampiezza e l'orientamento delle arborizzazioni hanno un margine di variabilità. Inoltre, abbiamo ipotizzato che le cellule corticali bersaglio siano organizzate in modo omogeneo e isotropico con identici alberi dendritici. I gruppi ricevono una distribuzione di connessioni che si approssima solo statisticamente a questa semplice versione idealizzata. Comunque, per quanto vi siano disomogeneità e anisotropie, esse rendono semplicemente meno simmetrica la selezione dei gruppi preesistenti; ma non invalidano la tesi di fondo. Non abbiamo esplicitamente menzionato il ruolo della geometria degli alberi dendritici, poiché abbiamo limitato la nostra analisi alle arborizzazioni assonali. Chiaramente, entrambi i tipi di ramificazioni svolgono un ruolo cruciale, e questo approccio semplificato li comprende indistintamente.
La competizione tra gruppi. A questo punto possiamo considerare l'ultimo dei tre meccanismi responsabili dell' organizzazione delle mappe, cioè la competizione tra gruppi. La trattazione sarà necessariamente piu concisa rispetto a quella dedicata agli altri due meccanismi, in quanto i particolari delle interazioni competitive (quali gruppi prevalgono e in quali circostanze) dipendono in prevalenza dall' ambiente in cui si verifica la competizione. Tuttavia, la competizione tra gruppi è, come singolo processo, il piu importante nel determinare le sembianze future di una mappa. Esamineremo perciò le proprietà generali condivise dalla maggior parte delle interazioni competitive nella corteccia. La nostra ipotesi è che, oltre al confinamento e alla selezione dei gruppi, quando si presentano differenti stimoli in successione (fig. 32), si verifichi una competizione darwiniana tra i diversi gruppi per conquistare gli spazi corticali implicati nella rappresentazione degli stimoli stessi. In generale, pur nei vin-
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
I97
coli imposti dalla densità di innervazione periferica, i gruppi che rappresentano campi recettivi piu piccoli avrebbero un vantaggio competitivo in quanto ricevono gli stimoli correlati con piu frequenza. Un'ipotesi ragionevole è l'esistenza di un complesso di regole gerarchiche che regolano la competizione tra gruppi. Un insieme coerente di regole dovrebbe includere, per esempio, che: I) l'espansione del gruppo oltre a un valore definito e la contrazione al di sotto di un altro valore siano entrambe instabili; 2) i gruppi parzialmente coincidenti con i gruppi confinanti siano favoriti; 3) le cellule piu distanti rispetto alle altre del gruppo corrano maggiori rischi di essere catturate da altri gruppi; 4) i gruppi già esistenti siano avvantaggiati rispetto a quelli in via di formazione; 5) la densità dei recettori determini il campo recettivo di un gruppo e, quindi, la sua competitività; e 6) i gruppi piu competitivi siano quelli associati alle zone periferiche stimolate con maggiore frequenza. Un modello composto dai tre meccanismi correlati e interattivi che consentono il confinamento, la selezione e la competizione tra gruppi può spiegare la maggior parte delle osservazioni scientifiche di Merzenich e collaboratori [Kaas e altri 1983]. Il movimento locale dei confini della mappa è spiegabile con lo scambio di cellule tra gruppi adiacenti. Movimenti piu ampi dei confini possono verificarsi dopo la dissoluzione di un gruppo, realizzabile solo dopo drastiche modificazioni nell'input come, per esempio, quelle conseguenti alla resezione di un nervo. La nettezza dei confini di una mappa è una proprietà dell' ampiezza del gruppo e dipende dalla competizione tra gruppi discreti aventi una minima sovrapposizione dei campi recettivi. Un confine scompare soltanto quando anche il gruppo scompare e, a quel punto, saranno altri gruppi. a definire il confine. La permanente plasticità dei confini della mappa ha una propria ragione nell'estesa diffusione delle arborizzazioni e nel fatto che i gruppi superstiti favoriscono la sovrapposizione dei campi recettivi; altrimenti, in generale, aumenterebbe la competizione tra i gruppi e si indebolirebbero le connessioni in quei gruppi aventi campi non coincidenti. La distanza limite osservata da Merzenich e colleghi rispecchia il limite anatomico medio delle arborizzazioni sovrapposte - senza un substrato nel repertorio primario non si verificherebbe la selezione dinamica operata da input specifici. Poi la sovrapposizione dei campi recettivi viene conservata dai meccanismi competitivi ed è relativa, ma il suo limite di 600 fJ.m è in rapporto con la distanza limite. La competizione tra gruppi tende a conservare la normale percentuale
19 8
Capitolo sesto
di sovrapposizione e a realizzare un' ampiezza media ottimale in funzione della media degli input. La relazione inversa tra l'ampiezza dei campi recettivi e l'ampiezza della rappresentazione corticale è spiegabile con il fatto che, se la sovrapposizione è fissa, è necessario un numero maggiore di campi recettivi aventi dimensioni inferiori per coprire un'area periferica definita. Saranno pertanto necessari piu gruppi e, poiché l'ampiezza dei gruppi confinanti non varia significativamente al variare dell' ampiezza del campo recettivo, una percentuale maggiore di corteccia sarà occupata dal maggior numero di gruppi. Questo fenomeno si verifica perché il confinamento dei gruppi previene l'espansione e, all'aumentare della dimensione del gruppo, la variazione relativa nel numero di fibre afferenti aumenta apprezzabilmente solo per i gruppi piccoli rispetto alle arborizzazioni coincidenti. In base a questo modello, i gruppi si comportano alla stregua di specie animali soggette a esclusione competitiva - le variazioni ambientali (qui intese come input correlati o non correlati) limitano l'addensamento delle specie, che risultano piu addensate per minime variazioni ambientali e meno addensate per variazioni piu ampie. Come illustra la figura 35, poiché esistono delle connessioni rientranti nell'intero sistema, dalla corteccia al talamo, ai nuclei della colonna dorsale e al midollo spinale, la riorganizzazione dei gruppi nella corteccia si ripercuote in opportuni assestamenti nei nuclei presenti ai vari livelli, il che è in sintonia col bisogno di conservare un rientro coordinato in tutto il sistema attivato. Questo modello dettagliato indica che la selezione dei gruppi in un substrato anatomico degenerato modula le mappe locali che rispecchiano strutture significative dal punto di vista ambientale. Un gruppo corticale è un'unità cooperativa autorganizzantesi i cui meccanismi di formazione ne vincolano tutte le cellule a condividere un campo recettivo. L'ampiezza dei gruppi può avere un certa variabilità, ma in questo viene limitata dall' equilibrio dinamico mediato verticalmente tra la propensione a contrarsi propria dello strato IV e la tendenza a espandersi negli altri strati (confinamento dei gruppi). La rappresentazione delle afferenze richiede che le cellule corticali interconnesse ricevano connessioni da afferenze simultanee. La scelta esatta di quali afferenze saranno espresse dipende dal sincronismo dell' attivazione periferica che stimola le afferenze stesse attraverso le diverse stazioni intermedie ed è condizionata dall' effi-
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
199
cienza delle sinapsi corticocorticali già formate (la selezione dei gruppi). Ogni stimolo rappresenta un possibile squilibrio del bilancio competitivo tra i gruppi (competizione fra gruppi). La mappafunzionaIe è il risultato del confinamento, della selezione e della competizione tra gruppi ed è, inoltre, un aspetto essenziale del fenotipo, le cui proprietà si rifletteranno ovviamente nel comportamento, a sua volta vagliato dalla selezione naturale. Da questo modello capiamo che sono numerosi e diversi i livelli in cui la selezione potrebbe influire sul fenotipo, dai repertori primari a quelli secondari. La selezione naturale potrebbe agire sulle mappe tramite variazioni nella periferia, nei meccanismi delle CAM e nelle strutture sinaptiche o nei neurotrasmettitori. Figura 35. Schema delle connessioni rientranti dinamiche verticali e orizzontali attraverso un sistema collegato di lamine e nuclei. Le variazioni in qualunque livello devono determinare un riassestamento in tutti i livelli" associati".
..------
200
Capitolo sesto
8. Funzione delle mappe ed eterocronia. Alla luce di questa analisi, quale paradigma, merita riconsiderare la selezione naturale di complessi circuiti neurali nel fenotipo. La prima questione degna di nota è che il nostro modello si aggancia direttamente al problema della categorizzazione, poiché dipende dalla correlazione spaziotemporale di input originatisi in regioni cutanee (in particolare nelle dita) impiegate per esplorare l'ambiente. La selezione naturale tende a favorire le strutture che effettuano la discrid1inazione piu fine, compatibilmente con le altre esigenze fisiologiche dell'organismo. Si tratta di un'idea applicata in questo caso a una categorizzazione relativamente semplice, ma estendibile ad altre modalità. Se ci riferiamo alla proiezione relativa a una certa modalità sensoriale, sarebbe forte la pressione selettiva a favore della coesione locale delle dense connessioni neuronali e delle proiezioni sovrapposte delle arborizzazioni afferenti. A causa delle regole della competizione tra gruppi, ci sarebbe la tendenza a selezionare le vie di connessione che favoriscono la coesione di gruppi di neuroni compresi entro certi limiti di ampiezza, oltre ai quali sarebbe troppo elevata la degenerazione e la perdita di specificità nel formare le mappe. Un ritardo eterocronico (neotenia) nel mappaggio di alcuni precursori neuronali, causato da una mutazione in un gene regolato re delle CAM o nei geni che controllano l'espressione di molecole implicate nel movimento o nell' estensione dei neuriti, potrebbe ridurre il numero di connessioni locali. Se non sopravvenisse la morte cellulare, e se i neuroni in questione individuassero un nuovo bersaglio, la selezione di organismi aventi questa riorganizzazione dei circuiti sarebbe vincolata dalle regole del rientro. Poiché è necessario un accoppiamento coerente di regioni grosso modo continue in due campi uniti dal rientro (necessità imposta dalle variazioni negli input; si veda la fig. 35), le proiezioni che scompaginassero tale accoppiamento sarebbero selezionate negativamente. Se, d'altro canto, una nuova proiezione schiudesse la possibiltà di creare un'ulteriore sottomodalità incrementando la formazione di nuove coppie di classificazione, allora sar:ebbe selezionata favorevolmente. A causa dei vincoli imposti dal rientro o dalla creazione di una nuova funzione, i mutamenti eterocronici fondati sull'ipotesi dei regola tori o tenderebbero a essere eliminati dalla morte cellulare o potrebbero propagarsi tramite modificazioni nello sviluppo tali da formare piu di una nuova mappa in tempi evolutivi relativamente brevi.
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
201
Questi mutamenti eterocronici potrebbero essere, al contempo, sia dei meccanismi di isolamento per i neuroni presenti in aree specifiche, sia dei meccanismi di sviluppo atti a indurre la migrazione dei precursori neuronali verso nuove aree, e questo dipenderebbe dalla competizione. Le variabili irrinunciabili in questo processo sono la degenerazione e la sovrapposizione, la coesione nel rientro, e le risposte funzionali all'input che la mappa formatasi nell'adulto è in grado di generare. Queste considerazioni avrebbero valore nella separazione degli input e degli output che definiscono i nuclei e le lamine e, visti gli effetti non lineari sull'eterocronia provocati da piccole variazioni nei geni morforegolatori, la formazione di molteplici centri potrebbe verificarsi in un tempo evolutivo relativamente rapido. A causa della natura combinatoria della selezione dei gruppi neuronali e a causa del miglioramento complessivo della prestazione dovuta a un ampliamento contenuto del repertorio (fig. 8), un rapido ingrossamento di un nucleo o di una lamina non dovrebbe rappresentare alcun problema, a patto che sia in armonia con altre modificazioni della forma. Lumdsen [1983] ha messo in relazione questo problema con la selezione dei gruppi neuronali, riferendosi alla corteccia cerebrale. Abbiamo voluto esporre un modello dettagliato della corteccia somatosensoriale per dimostrare che descrizioni isolate dell' anatomia, della fisiologia o del comportamento non sono sufficienti per sviluppare una spiegazione evolutiva convincente della selezione dei circuiti cerebrali. Devono essere soddisfatte due condizioni relative al repertorio primario e secondario. In primo luogo sentiamo l'esigenza di un'ipotesi, l'ipotesi dei regolatori appunto, in grado di unificare gli eventi di natura meccanico-chimica, attivi nei processi primari della morfogenesi, e l'espressione di geni morforegolatori che controllano molecole come le CAM e le SAM. Una volta verificata quest'ipotesi, siamo in grado di gettare un ponte tra genetica dello sviluppo ed evoluzione dando un fondamento all'eterocronia, da cui deriva la variazione anatomica. Inoltre, abbiamo bisogno di una teoria omnieomprensiva che metta in relazione la struttura di nuova formazione, l'attività fisiologica e il comportamento, come nel caso della selezione sinaptica nelle mappe somatosensoriali. L'esaudimento di entrambe le condizioni spiega l'eterocronia in modo ragionevolmente completo e coerente, in quanto mette in relazione la struttura con la funzione e la funzione con la selezione naturale.
202
Capitolo sesto
Le variazioni nello sviluppo che influiscono sulla morfogenesi, come quelle concepite nell'ipotesi dei regolatori, possono determinare l'evoluzione di un nuovo substrato anatomico (repertorio primario) su cui può operare la selezione dei gruppi, individuo per individuo. A questo punto può intervenire la selezione naturale sull'insieme di manifestazioni fenotip.iche e di comportamenti di nuova formazione. E cosi che, nel corso dell'evoluzione, viene favorito l'aumento del numero di "specie neuroanatomiche" nel cervello delle varie specie animali, in gran parte causato dall'isolamento e dalle modificazioni prodotte dai meccanismi selettivi nello sviluppo. Per cui nella vita dell'individuo, l'insieme dei nuovi circuiti rientranti deve creare, tramite la selezione dei gruppi neuronali, delle mappe funzionali che obbediscano a precise regole sinaptiche per popolazioni di sinapsi, come vedremo nel prossimo capitolo. Queste regole non provocano necessariamente delle modificazioni irreversibili come quelle osservate in neuroanatomia, ma favoriscono, piuttosto, la formazione di un repertorio secondario. Poiché, ovviamente, la selezione si manifesta sotto forma di una modificazione sinaptica, le mutazioni che influenzano le sinapsi o il tipo di trasmettitore possono avere effetti significativi sulla creazione di mappe. In generale, la selezione di un repertorio secondario determinerà la formazione di mappe metastabili e di popolazioni di gruppi neuronali funzionali in stato stazionario che controllano e sono controllati dal comportamento. Infine, la selezione naturale su tale comportamento sceglierà varianti piti adatte formatesi durante lo sviluppo. Come vedremo nel capitolo XI, la selezione in azione su specifici repertori primari esibenti un ritardo eterocronico selettivo, come si osserva in alcune specie di uccelli canori, può generare mappe piu stabili dovute a un apprendimento specie-specifico. A questo punto siamo giunti a un punto importante della nostra argomentazione: forse una delle rivendicazioni piti forti a favore della teoria della selezione dei gruppi neuronali è la sua capacità di risolvere il problema per cui in un cervello già funzionante si formano le mappe delle strutture periferiche, anch'esse originate dall'eterocronia (per esempio, le appendici o le inserzioni muscolari modificate nei progenitori dei pesci ciclidi; si veda il capitolo vm). Qualora la selezione dei gruppi neuronali valuti queste nuove strutture come se fossero parte del mondo da categorizzare, allora non c'è bisogno di invocare alcuna mutazione in quei geni che specificano modificazioni neuroanatomiche simultanee che si armonizzino con ogni cambiamento della forma. Naturalmente, nel tempo, le mutazioni che mo-
Evoluzione e funzione dei sistemi distribuiti
20 3
dificano gradualmente l'anatomia del sistema nervoso per mezzo dei meccanismi illustrati precedentemente potrebbero e, piti probabilmente, dovrebbero verificarsi affinché l'organismo perfezioni il proprio comportamento. L'affinità tra l'origine evolutiva di specifiche strutture neurali con la speciazione e l'isolamento geografico, e quella tra la selezione dei gruppi neuronali con gli eventi di natura ecologica come, per esempio, l'esclusione competitiva [MacArthur e Wilson 1967], deriva dal fatto che tutti questi fenomeni scaturiscono in condizioni di pressione selettiva in ambienti complessi e competitivi. Se la teoria della selezione dei gruppi è corretta, allora si verifica un tipo di neuroecologia nei diversi e complessi livelli presenti nello sviluppo e nel comportamento. I gruppi neuronali devono conservare una stabilità, pur nell' adattabilità nei confronti delle riovità presenti in un mondo eterogeneo e cangiante. A questo scopo, devono distribuire il rischio tra le forme varianti, come si osserva nelle specie animali viventi [Wright 1932; Den Boer 1982]. Per certi aspetti, i gruppi di una regione sono paragonabili a una specie suddivisa in molte razze, ciascuna interagente innanzitutto con se stessa, ma che può occasionalmente incrociarsi. Sewall Wright [1932] ha sottolineato che negli organismi in evoluzione tale selezione intergruppo ha molta piti efficacia al cospetto della variazione e delle novità ambientali di quanto non abbia la selezione all'interno del gruppo. Uno dei meccanismi epigenetici principali preposti al controllo di questa neuroecologia, nello sviluppo e nel comportamento, riguarda il comportamento popolazionistico delle sinapsi, preludio per la formazione dei repertori secondari, il quale sarà l'argomento del prossimo capitolo. Sono questi meccanismi che determinano le risposte complessive o globali dei sistemi in cui si verificano. Per considerare in dettaglio alcuni dei vincoli preposti al controllo di tali risposte in particolare, le interazioni di nuclei e lamine poste nei livelli superiori rispetto alle aree recettrici primarie e alle mappe locali - dovremo valutare contemporaneamente le interazioni tra gli input periferici provenienti dai recettori sensoriali e i complessi motori che attivano le risposte di output. A questo punto, 1'accento si sposterà dai sistemi sensoriali a quelli motori. Il comportamento dell' organismo non è altro se non la risposta globale generata dalle interazioni di questi sistemi. Tratteremo questo tema nella parte terza del libro.
..----
Le basi del repertorio secondario
Capitolo settimo Una concezione popolazionistica delle sinapsi: le basi del repertorio secondario
La natura epigenetica della plasticità sinaptica, p. 206. - Una 207. - Le variazioni pre- e postsinaptiche sono indipendenti, p. 208. - Il significato della variazione eterosinaptica, p. 208. - Il modello delle due regole, p. 2 IO. - La regola postsinaptica formale, p. 2 IO. - Si-
concezione popolazionistica delle sinapsi, p.
mulazione al computer della selezione dei gruppi neuronali tramite la regola postsinaptica'in un modello di corteccia somatosensoriale, p. 215. - Laregolapresinaptica formale, p. 220. - L'interazione tra le due regole, p. 224. - Il vantaggio della struttura dei gruppi neuronali nella regola di interazione, p. 226. - Simulazioni al computer, p. 228. - La logica dei trasmettitori: i vantaggi nell'avere piti trasmettitori, p. 232. - La plasticità sinaptica e la persistenza della memoria: effetti a breve e a lungo termine, p. 234.
1.
Introduzione.
Iniziando questa seconda parte, ho illustrato diversi meccanismi epigenetici che spiegano la formazione del repertorio primario, che, se ricordiamo l'ipotesi dei regolatori, erano legati alla variabilità e alla costanza delle reti neurali, originatesi durante lo sviluppo. A questo punto, possiamo approfondire una serie di meccanismi epigenetici cruciali, molto importanti per la teoria, i quali pongono la variazione sinaptica a fondamento della selezione dei repertori secondari e che risultano essenziali per il modello confinamento-selezionecompetizione, descritto nel capitolo precedente. Inoltre, i meccanismi sinaptici sono considerati, per loro natura, in dinamismo continuo e, come abbiamo potuto constatare, svolgono, durante lo sviluppo, un ruolo funzionale nel perfezionamento delle mappe e nella formazione di strutture, quali le giunzioni neuromuscolari. La prossima discussione formale sulle regole sinaptiche della selezione e della variazione ci offre un ulteriore meccanismo
205
epigenetico, indispensabile per l'obiettivo finale, che è quello di spiegare le origini della memoria e dell' apprendimento nel contesto di una teoria selezionista della categorizzazione percettiva. L'idea che la variazione funzionale della sinapsi potesse essere un meccanismo fondamentale per la memoria nacque poco dopo la prima descrizione anatomica della sinapsi stessa [Ramon y Cajal 1889; Foster e Sherrington 1897; Held 1897a, 1897b; Sherrington 1897; Auerbach 1898; per delle rassegne, si vedano Granit 1968; Shimbel 1950; Clarke e O'Malley 1968; Kandel 1976]. Da allora, sono stati proposti numerosi modelli [Hebb 1949; Shimbel 1950; Hayek 1952; Eccles 1953; Kandel 1981], secondo i quali le diverse attività cognitive sono rappresentate dalle combinazioni delle attività elettriche dei singoli neuroni. Molti di questi modelli concepiscono l'apprendimento e la memoria come il risultato di variazioni che scaturiscono dall'attività delle singole sinapsi. L'idea prevalente è che le variazioni indotte da uno specifico modello di attività elettrica incrementino in maniera preferenziale la ricomparsa di quel modello di attività. Tuttavia, in linea di massima, la complessità del sistema nervoso rende assai improbabile l'esistenza di una relazione semplice tra le variazioni nelle singole sinapsi e le variazioni nel comportamento della rete. Invece, è molto pili probabile che si verifichino simultaneamente in diversi punti della rete molteplici variazioni, riflettendone la natura degenerata. È per questo che siamo spinti a concepire le sinapsi sotto forma di popolazioni. Risulta evidente l'implicazione di questa concezione: la plasticità della funzione sinaptica è lo strumento previlegiato per la selezione dei gruppi neuronali e per le loro interazioni competitive grazie a cui si formano i repertori secondari. Affinché un modello popolazionistico delle sinapsi sia compatibile con la teoria della selezione dei gruppi neuronali deve poter esaudire due questioni fondamentali: I) come possono le popolazioni di sinapsi realizzare quella durevole specificità nella risposta (per l'input e per l' output) all'interno di reti degenerate appartenenti a gruppi deputati alla categorizzazione, senza che la variabilità si riduca a un livello tale da inibire ogni forma di selezione? 2) I meccanismi proposti da questo modello popolazionistico della sinapsi sono allo stesso tempo compatibili con la memoria a breve e con quella a lungo termine'? , Studi svolti sul sistema nervoso del mollusco Aplysia dimostrano che le variazioni sinaptiche a breve termine richiedono solamente delle modificazioni nelle proteine già
,---
Capitolo settimo
206
Qualunque modello venga proposto quale risposta, esso deve includere dei meccanismi che spieghino contemporaneamente le variazioni nelle cellule pre- e in quelle postsinaptiche, e deve, altresi, spie\ gare come questi meccanismi si esprimano variamente nelle diverse reti e come queste variazioni si ripercuotano sul comportamento delle reti. I meccanismi di modificazione dell'efficacia sinaptica devono anche essere compatibili con la presenza di numerosi neurotrasmettitori e modulatori centrali e, quindi, ne devono spiegare la specificità e la molteplicità. Dato l'intenso sapore biofisico dei meccanismi sinaptici, il modello che vedremo, frutto essenzialmente del lavoro svolto insieme al mio collega Leif Finkel [Finkel e Edelman 19 8 5, 1987], sarà definito con un linguaggio piu formale rispetto ad altri modelli che accompagnano la teoria della selezione dei gruppi neuronali. Tuttavia, faremo uno sforzo per offrire una sintetica e plausibile spiegazione di tipo qualitativo e presenteremo una simulazione al computer della selezione dei gruppi neuronali nella corteccia somatosensoriale, con lo scopo di illustrare come queste regole formali siano incorporabili in una versione semplificata del modello presentato nel capitolo VI.
2.
Lo sfondo per un modello popolazionistico.
Non è questa la sede per una rassegna estesa sulle peculiarità anatomiche, fisiologiche e molecolari dei diversi tipi di sinapsi, né ha molto senso approfondire i modelli proposti in passato [si veda Hebb 1949; Shimbel 1950; Eccles 1953; Brindley 1967; Marr 19 6 9; Changeux 1981; Kandel'1981; Koch e altri 1983; Changeux e altri 19 8 4; Edelman e altri 1987a], tranne nel caso in cui attengano alla costruzione di un modello popolazionistico. I nostri obiettivi primari sono: I) proporre delle regole di modificazione sinaptica basate su meccanismi biochimici e biofisici noti; 2) considerare le interazioni tra le variazioni pre- e postsinaptiche, attive indipendentemente e simultaneamente in una rete strutturata e nel cui ambito può verificarsi la selezione; e 3) esaminare la dipendenza di queste interazioni dalla struttura geometrica e popolazionistica delle rete. In primo luogo, esamineremo i meccanismi pre- e postsinaptici che modificano presenti e il rinforzo delle connessioni preesistenti, mentre le variazioni a lungo termine richiedono la sintesi ex novo di RNA e di proteine [Montarolo e altri 1986] e la formazione di nuo,ve connessioni [Hu e altri 1993].
Le basi del repertorio secondario
20 7
l'efficacia sinaptica, e considereremo come, dalle loro interazioni, scaturiscano le proprietà desiderate. Vi sono alcuni dati sperimentali che confermano l'esistenza di modificazioni pre- e postsinaptiche [Llinas e altri 1976; Changeux 1981; Douglas e altri 1982; Maglebye Zengel 1982; Lynche e Baudry 1984; Smith e altri 1985], le quali avvengono a due livelli: biochimico e ultrastrutturale [Fifkovà e Van Harreveld 1977; Desmond e Levy 1981; Vrensen e Nunes-Cardozo 1981]. Nella stessa sinapsi si possono verificare variazioni pre- e postsinaptiche che coinvolgono pili di una cellula; una questione importante è se, in quella sinapsi, un tipo di variazione è vincolata all'altra o se, viceversa, le variazioni pre- e postsinaptiche siano indipendenti. In quella che definiremo una regola sinaptica indipendente 2 , non solo le variazioni pre- e postsinaptiche dipendono da due meccanismi diversi, ma, di fatto, non vi è aspetto dell'una necessario all' altra per operare a livello moleco!are. Quest'ipotesi di indipendenza sottolinea l'individualità di ciascun membro di una qualunque coppia di neuroni associati in una sinapsi, insieme ai contributi variabili apportati all'attività della rete dalla morfologia dei neuroni e dall' asimmetria della sinapsi. La maggior parte delle teorie proposte, da Hebb [1949r e 2 La regola sinaptica piti conosciuta, la regola hebbiana (si veda la nota 3), è, invece, una regola sinaptica dipendente, cosi definita perché richiede un'attivazione coordinata dei neuroni pre- e postsinaptici, In un modello computazional~ analogo a quello proposto piti avanti in questo capitolo si sostiene che una dinamica hebbiana, soggetta a vincoli competitivi, possa spiegare la formazione delle mappe somatosensoriali [Grajski e Merzenich 1990]. 3 Donald Hebb ha anticipato molti temi oggi divenuti fondamentali per spiegare lo sviluppo neurale e alcune facoltà cognitive [si veda Milner 1993]. Egli ha, infatti, coniato il termine connessionismo, è stato un sostenitore della natura distribuita delle rappresentazioni nel sistema nervoso e ha postulato la formazione delle" associazioni cellulari" , da cui deriva l'idea che l'attività mentale sia fondata su modelli di attività neurale stabili relativamente durevoli, e gli si deve la formulazione della cosiddetta sinapsi hebbiana: «Quando un assone della cellula A è sufficientemente vicino da poter eccitare una cellula B e prende parte nella sua attivazione ripetutamente e persistentemente, allora si verificano dei processi di crescita o delle variazioni metaboliche in una cellula o in entrambe, tali da aumentare l'efficienza di A, in quanto cellula che attiva B» [Hebb 1949, p. 65]. Circa vent' anni dopo, tale ipotesi ha trovato un riscontro fisiologico grazie a Bliss e Lomo [1973] che hanno scoperto il Potenziamento a Lungo Termine, o PLT (la nomenc1atura anglosassone prevede la sigla LTP). L'induzione del PLT richiede eventi postsinaptici, ma è ancora oggetto di dibattito come il PLT perduri nonostante il continuo ricambio di molecole nella cellula, e sembra che i meccanismi consistano sia in un aumento del trasmettitore rilasciato, sia in una piti intensa risposta postsinaptica a una quantità fissa di trasmettitore. L'ossido di azoto (si veda la nota 9) sembra essere la molecola che segnala, di ritorno, al terminale presinaptico e induce il rinforzo sinaptico. Ruolo analogo sembra essere svolto dall'ossido di carbonio [Zhuo e altri 1993]. Le regole di apprendimento hebbiane s~mo definite regole prive di istruzione (unsupervised learning rules), non
r-
208
Capitolo settimo
Hayek [1952] a oggi, si è sempre riferita a particolari forme di regole sinaptiche dipendenti, in cui tanto le variazioni presinaptiche quanto quelle postsinaptiche erano contingenti a eventi che coinvolgevano entrambi i neuroni della sinapsi. Tali ipotesi, secondo cui l'attività (o scarica elettrica) piu o meno simultanea di entrambe le cellule è necessaria e sufficiente per indurre delle modificazioni, si trovano di fronte a difficoltà empiriche e ~eoriche. Per esempio, studi effettuati sull'Aplysia [Carew e altri 1984] e sull'ippocampo [Wingstrom e altri 1982] dimostrano come tale attività non sia necessaria né sufficiente. A voler essere piu franchi, le regole dipendenti non riescono a spiegare le variazioni eterosinaptiche. Una variazione eterosinaptica è una modificazione nell' efficacia di una sinapsi che dipende dagli effetti di stimolazioni su altre sinapsi dello stesso neurone; una variazione omosinaptica si verifica solo in concçmitanza alla stimolazione diretta della sinapsi in questione (fig. 36). E bene notare che un singolo input presinaptico può essere rinforzato senza provocare variazioni a livello postsinaptico e che la facilitazione eterosinaptica può verificarsi senza 1'attività elettrica simultanea dei vari input presinaptici su una cellula. Quindi, uno dei nostri obiettivi primari sarà dimostrare come alcune regole popolazionistiche indipendenti spieghino tale facilitazione eterosinaptica. Per i motivi di cui sopra, abbiamo proposto [Finkel e Edelman 1985] che le variazioni pre- e postsinaptiche siano sotto il controllo di meccanismi indipendenti, descrivibili còn regole diverse. Malgrado le regole preposte al controllo di queste modificazioni possano operare nello stesso tempo e in parallelo in ciascuna sinapsi, contribuendo di concerto a modificarne 1'efficacia complessiva, in quella sinapsi le diverse modificazioni sono indistinguibili dal punto di vista funzionale. Tuttavia, le due regole sono molto diverse nei dettagli essendovi un segnale istruttore che controlla l'apprendimento in ogni connessione sinap· tica. Come evidenziano Bliss e Collingdrige [1993], nonostante i piu recenti sviluppi nel· la conoscenza della biologia e della fisiologia della sinapsi, rimangono ancora irrisolte diverse questioni sul significato biologico del potenziamento sinaptico, e precisamente: I) il PLT è una componente centrale nel macchinismo sinaptico aella memoria? 2) Che percentuale delle sinapsi eccitatorie può essere potenziata? nPLT è un evento graduato o tutto o nulla? 3) Quali sono i meccanismi pre- e postsinaptici soggiacenti all' espressione del PL T? Quale ne è il contributo relativo e come varia nel tempo? 4) Come contribuiscono al PL T le variazioni nel numero e nella struttura delle sinapsi? 5) Esistono dei messaggeri retrogradi? Se SI, quali sono e come regolano il rilascio del trasmettitore? 6) Quali altri neurotrasmettitori e neuromodulatori, oltre al glutamato, regolano l'induzione e l'espressione del PLT? 7) Il PLT può essere depotenziato? 8) La conoscenza sui meccanismi del PLT può consentirci di progettare terapie adeguate per disfunzioni neurologiche come, per esempio, il morbo di Alzheimer?
Le basi del repertorio secondario
20 9
strutturali, e lo è anche la distribuzione geometrica delle variazioni prodotte dalle loro operazioni indipendenti; si tratta di modificazioni distinguibili per la diversa distribuzione neuroanatomica nella popolazione sinaptica e per le loro proprietà temporali. Per cui, la densità delle connessioni e i particolari anatomici e farmacologici complessivi di una certa rete svolgono dei ruoli importanti nel determinare le interazioni tra sinapsi, come ci si aspetterebbe in un sistema selettivo avente proprietà popolazionistiche 4 • Proporremo degli esempi espliciti di una regola presinaptica e di una regola postsinaptica. Si tratta di esempi illustrativi di una classe di meccanismi; essi non pretendono di rappresentare i soli meccanismi sinaptici possibili. La loro scelta è stata comunque ispirata dai dati sperimentali a disposizione, e la loro formulazione ci consentirà di valutare alcune modalità d'interazione delle regole indipendenti. Inizialmente, può esserci d'aiuto una breve definizione 4 Un interessante studio dove è stata correlata anatomia dei circuiti e funzione neurale è riportato in Buhl e altri 1994.
Figura 36. Schema degli input ricevuti da un neurone. I cerchi rappresentano i neuroni; il neurone i riceve gli input sul proprio albero dendritico. L'efficacia presinaptica, ~i' è la quantità di trasmettitore rilasciato dalla cellula; in seguito a una certa depolarizzazione. L'efficacia postsinaptica, 7lii' è la depolarizzazione locale prodotta in una struttura postsinaptica come risposta a una certa quantità di trasmettitore rilasciato. La variazione di 7lii dipende dal rapporto statistico tra la attività della cellula e la attività degli input eterosinaptici k j , k2 , k}, ecc. in base all'equazione 9 nel testo.
210
Capitolo settimo
delle due regole sinaptiche prima di entrare nei dettagli formali di ciascuna. La regola postsinaptica stabilisce che piu input eterosinaptici organizzati verso un neurone modifichino, in quest'ultimo, gli stati dei canali ionici di una certa sinapsi, in dipendenza dello stato effettivo del neurone, modulando pertanto la predisposizione dei canali stessi alle variazioni biochimiche locali. Il conseguente cambiamento nella distribuzione popolazionistica degli stati dei singoli canali influenza il potenziale postsinaptico prodotto in quella sina'psi dagli input che arriveranno. In generale, questa regola vale per ~ariazioni relativamente a breve termine in singole e specifiche sinapsi. La regola presinaptica vale per le variazioni a lungo termine 5 in tutto il neurone, il cui effetto è una variazione nella probabilità del rilascio del neurotrasmettitore. La regola stabilisce che, se la media a lungo termine (per tempi superiori a un secondo) dell'efficacia presinaptica istantanea, determinata dal rilascio del neurotrasmettitore, supera una certa soglia, allora l'efficacia sinaptica minima per il rilascio viene assestata dalla cellula su un nuovo valore. A causa dei fattori neuroanatomici, la regola presinaptica influenza numerose sinapsi (tutte condividenti le connessioni con il neurone in questione) le quali, in genere, hanno una distribuzione non specifica su un' ampIa popolazione in dipendenza dalla forma del neurone (estensione delle arborizzazioni, sovrapposizione delle arborizzazioni, altri aspetti di degenerazione, ecc.). L'analisi formale dettagliata delle due regole sinaptiche, che vedremo, ha, in definitiva, lo scopo di stabilirne le proprietà in una rete organizzata sotto forma di gruppi neuronali. L'analisi mostrerà come queste due regole, operando indipendentemente e nello stesso arco temporale, possano spiegare tanto le variazioni eterosinaptiche quanto quelle omosinaptiche. Inoltre, l'azione delle regole produce delle variazioni stabili nella rete e valide per diverse scale temporali; infatti, le variazioni a lungo e a breve termine possono coesistere nella stessa rete e sono correlabili tramite 1'anatomia della rete, pur nei diversi e indipendenti meccanismi biochimici soggiacenti alle due regole. Infine, vedremo come la duplice operazione di queste regole soddisfi 1'esigenza, propria di un sistema selettivo, di avere una fonte continua di variabilità negli accoppiamenti tra le sinapsi di una rete. 5
La variazione a lungo termine pili studiata e conosciuta è il PLT (si veda la nota 3).
Le basi del repertorio secondario
211
3. Un esempio formale della regola postsinaptica e una applicazione alla formazione delle mappe 6
•
A causa della geometria dei neuroni nelle reti, la regola postsi'naptica è quella che probabilmente controlla i cambiamenti iniziali nelle sinapsi che ricevono proiezioni specifiche e correlazioni a breve termine dei segnali. Questo dipende dal fatto che la struttura neuroanatomica impone che le variazioni in un sito postsinaptico non si riverberino necessariamente anche in altri punti, a differenza delle variazioni che obbediscono alla regola presinaptica. Tuttavia, non sono da trascurare gli influssi esercitati su una certa sinapsi da altre sinapsi appartenenti allo stesso neurone. La regola postsinaptica prevede una famiglia di alterazioni biochimiche locali nelle strutture postsinaptiche dovute all' azione di sostanze modificanti o di enzimi. Nella sua forma piu generale, la regola stabilisce che il controllo della variazione nell' efficacia postsinaptica indotta da una sostanza modificante in una certa sinapsi dipenda dalla posizione e dal sincronismo tra input eterosinaptici e input omosinaptici verso quella sinapsi del neurone. Vi sono diversi meccanismi responsabili della trasmissione degli effetti eterosinaptici: la diffusione intracellulare di sostanze modificanti o messaggeri, la diffusione paracrina" la modulazione della superficie cellulare, e la conduzione attiva o elettrotonica. Ognuno di questi meccanismi, o altri ancora, è compatibile con la regola postsinaptica e con un modello dove interagiscono le diverse regole indipendenti in una rete. Mi occuperò estesamente dell'ultimo meccanismo (la conduzione elettro tonica) in quanto esemplificativo; la sua plausibilità è legata a fattori temporali e morfologici, molti dei quali valgono anche per gli altri meccanismi. Nel caso in esame, cioè la regola postsinaptica, gli input omosinaptici stimolano il rilascio di una sostanza che modifica i singoli canali locali sensibili al voltaggio, mentre la predisposizione dei canali stessi a modificarsi viene modulata dagli input eterosinaptici 6 I meccanismi finali preposti allo sviluppo delle mappe neurali sono gli stessi implicati nella plasticità sinaptica, o, come suggerisce Micheal Gazzaniga, «il cervello usa la propria intelligenza per promuovere il proprio sviluppo» [Gazzaniga 1992, p. 40l. 7 Il concetto di diffusione paracrina dei segnali nel cervello si è espanso sino al punto che intorno a esso si è costruita una teoria della neurotrasmissione che integra quella tradizionale, proposta pili di un secolo fa da Ramon y Cajal e nota come principio della polarizzazione dinamica (si veda la nota 9).
,---
2I2
Le basi del repertorio secondario
Capitolo settimo
(fig. 37). Si ritiene che il risultato della modificazione biochimica sia una variazione nella probabilità, dipendente dal voltaggio, di commutare i diversi stati funzionali del canale - per esempio, aperto, chiuso, inattivato [Catterall 1979; De Peyer e altri 1982; Huang e altri 1982; Siegelbaum e altri 1982; Huganir e altri 1986]. Una modificazione di questo tipo varierebbe il potenziale postsinaptico evo~ cato da input omosinaptici successivi, nonché la sensibilità agli input eterosinaptici. La tesi di fondo è che le singole variazioni biochimiche siano
Figura 37. Proposta di un meccanismo postsinaptico. Schema di quattro sinapsi su un albero dendritico ramificato. I triangoli ombreggiati rappresentano i canali sensibili al voltaggio (CSV), e i rettangoli ombreggiati rappresentano i canali attivati dal recettore (CAR). Il trasmettitore TI si è legato alla sinapsi (in basso a destra), determinando l'apertura dei CAR insieme alla produzione della sostanza modificante M tramite l'attivazione di una proteina associata alla membrana (piccolo cerchio ombreggiato). M modifica i CSV che sono nello stato modificabile. Pochissimo tempo prima un trasmettitore Tb potenzialmente diverso, si è legato alla sinapsi all' estrema sinistra, aprendo i singoli canali CAR e CSV. La variazione nel potenziale di membrana risultante (Ll V) si propaga attraverso l'albero dendritico (linea tratteggiata), cambiando gli stati dei CSV quando vengono raggiunti. Se il potenziale raggiunge la sinapsi in basso a destra (linea puntinata) in una fase (si veda la fig. 38) in cui la concentrazione di M è ancora elevata, sarà modificata la frazione dei CSV presenti in uno stato modificabile nella sinapsi, e, di conseguenza, lo sarà il numero di canali modificati da M. Le sinapsi non associate a un trasmettitore (per esempio T), e le sinapsi non ancora raggiunte dal potenziale non saranno modificate.
VJ
2I
3
interdipendenti: la probabilità di modificare un canale dipende dallo stato funzionale di quest'ultimo. I voltaggi trasmessi passivamente da altre sinapsi modificheranno in modo temporaneo il rapporto con cui i canali sensibili al voltaggio si trovano nei loro stati funzionali possibili (cioè, varierà quella che possiamo definire la distribuzione popolazionistica dei canali), variando perciò il numero di canali modificabili [Catterall I979]. Se non fosse importante lo stato effettivo, gli effetti eterosinaptici sarebbero non specifici, cioè, i voltaggi trasmessi passivamente aumenterebbero la probabilità di creare delle variazioni in molti siti postsinaptici, senza alcuna relazione con l'attività delle sinapsi corrispondenti a questi siti. Detto questo, bisogna dimostrare come l'intensità dei voltaggi trasmessi elettrotonicamente sia sufficiente per indurre delle variazioni locali. In primo luogo vanno considerati i rapporti temporali [Baranye Fehér I98I] tra input, come quelli rappresentati nella figura 37. Supponiamo che gli input omosinaptici inducano la sintesi di molecole modificanti che sopravvivono per un tempo tM , dopo un intervallo tL , e che gli input eterosinaptici trasmessi determinino una variazione locale nel potenziale di membrana che perdura per un tempo tv dopo un ritardo di conduzione tD (fig. 38). Allora, una condizione necessaria perché si verifichi una variazione è che gli input eterosinaptici si esprimano entro una finestra temporale che inizia un tempo (tv - (tL - tD)) prima degli input omosinaptici e termina un tempo (tM + (tL - tD )) dopo di essi. Se, in una certa sinapsi, entrambi i valori sono negativi, allora la comparsa degli input in quell'ordine specifico non indurrà alcuna modificazione. La natura stato-dipendente delle variazioni biochimiche è rappresentabile con il modello semplificato della figura 39, dove M rappresenta la concentrazione della sostanza modificante, A lo stato attivo di un canale e I lo stato inattivo; in questo esempio supponiamo che solo i canali nello stato inattivo siano modificabili. Il decadimento della predisposizione a modificarsi può anche dipendere dallo stato effettivo, ma, per semplicità, supponiamo che non lo sia: cosi, Kb2 = Kb. Supponiamo, inoltre, che le costanti temporali per le transizioni di stato (a + b) -1, siano trascurabili rispetto a quelle per la modificazione biochimica (Kj + Kb) -1 e che i canali siano nella loro distribuzione di equilibrio durante la modificazione. Cosi,
dN*(t) f dt = Kj'[l(t)·M(t)] - Kb' [l* (t) + A~'(t)] =
Kj'[(N - N*).(b(V)f(a(V) +b(V))]·M(t) - KbN*
[I] [2]
,.-----
Figura 38. Limitazioni temporali nella modificazione postsinaptica. Asse temporale che illustra la finestra temporale prima e dopo un input omosinaptico durante la quale la comparsa di input eterosinaptici può indurre delle modificazioni. Dopo uno sbarramento di input omosinaptici, una cascata biochimica di durata h provoca la sintesi della sostanza modificante M, che persiste per un tempo tM• Gli input eterosinaptici determinano una depolarizzazione (o iperpolarizzazione) nella singola sinapsi che inizia dopo un ritardo di conduzione tv e persiste per un tempo tv. Le frecce indicano che i primi e gli ultimi input eterosinaptici possono verificarsi in riferimento agli input omosinaptici in modo che l'effetto del voltaggio trasmesso si sovrappone temporalmente alla distribuzione di M. In funzione dei valori delle costanti temporali tv, tM , ecc. (si veda il testo), gli input eterosinaptici possono essere vincolati esclusivamente a seguire o a precedere gli input omosinaptici per ottenere la modificazione. Input omosinaptici
I
.j.
Intervallo
Persistenza di M
tL
tM
[TI~~---~~t~~_n
Ritardo j Input eterosinaptici (precoci)
IE
-I
Variazione del voltaggio
~-~-~
L2J 1 jRitardo
Temp~
t
v
I
Variazione' del voltaggio
Input eterosinaptici (tardivi)
~+~-~
_l'
-I
Figura 39. Cinetica della modificazione stato-dipendente impiegando, come esempio, un modello di canale a due stati. A rappresenta gli stati attivati aggregati; [ rappresenta gli stati inattivati aggregati, che consideriamo come stati modificabili. I canali nello stato [sono trasformabili nello stato modificato [* in presenza della sostanza M. Le costanti di proporzionalità nei due sensi sono date da K1e Kb' L'effetto della modificazione è variare le probabilità della transizione di stato d1pendente dal voltaggio controllata dai parametri a(v) e b(v) nei parametri modificati a*(v) e b*(v). La modificazione è a breve termine, e i decadimenti da [* seguono Kb e dallo stato attivato seguono una costante potenzialmente diversa Kb,' b(v)
A
I a(v)
KH~
K·1 ,
b*(v)
A*
1* a*(v)
M
Le basi del repertorio secondario
21 5
dove N è il numero totale dei canali, N'~ dei quali vengono modificati. Per trovare la percentuale dei canali modificati nello stato stazionario, poniamo dN*/dT = 0, ricavandone un'equazione simile a quella
di Michaelis-Menten N'~/N
=M·(b/(a+b))/(M·(b/(a+b)) + Kb/Kf)
[3].
La plausibilità di questo meccanismo postsinaptico si basa sull'entità del cambiamento nel potenziale postsinaptico quale risulta da modificazioni nel canale. Consideriamo il caso in cui una singola specie k di canali sensibili al voltaggio si modifichi, e supponiamo che vengano modificati Ntnell'insieme totale Nk di canali di specie k. Ritenendo trascurabile la variazione nelle correnti capacitative, la variazione nella corrente locale dovuta alla modificazione è ricavabile approssimativamente per mezzo della:
ilh = Nt'-{g{(V) - &k(V)),(V - Ek )
[4]
dove gk è la conduttanza dipendente dal voltaggio, g{ è la conduttanza modificata, ed Ek è il potenziale d'inversione. La modificazione della conduttanza influirà sull'impedenza dell'input locale. Tuttavia, supponendo che l'impedenza della regione non-sinaptica sia elevata rispetto all'impedenza nella sinapsi modificata, possiamo, in prima approssimazione, scrivere la variazione relativa nel potenziale postsinaptico (PPS) come
il V/V = (Nt/ NkHl1&k/ gk)
[5].
I valori di N/N'i' sono ricavabili con l'equazione 3. Se impieghiamo i valori di b (V) e a (V) ricavati dal modello di Hodgkin e Huxley [I952], una depolarizzazione di 20 mV trasforma il valore di N*/N di circa 0,05 per lo stato inattivato dei canali del sodio rigenerativi. La stima di ilg/ g è compresa tra I e circa 20, ed è stata ricavata in base ai dati relativi agli spostamenti nelle curve corrente-voltaggio, dovuti alla modificazione biochimica [Kupfermann 1979; Haas e Konnerth 1983; Hawkins e altri 1983], e perciò la variazione nel PPS potrebbe essere compresa tra un minimo del 5% e un massimo del 100% del valore originario. È chiaro che le variazioni postsinaptiche dipendono da: I) il numero e l'intensità degli input eterosinaptici attivi durante la fase di modificazione; 2) il sincronismo tra input et:erosinaptici e input omosinaptici; 3) la distribuzione spaziale delle sinapsi sulla cellula post-
216
Capitolo settimo
sinaptica (attenuazioni e ritardi di conduzione); e 4) i tipi di trasmettitore, recettore e canale ionico presenti. Questi fattori valgono non solo per i meccanismi elettrotonici appena descritti, ma anche per altri meccanismi (la diffusione della sostanza modificante, la modulazione della superficie cellulare) tramite i quali la regola postsinaptica può operare. Allo scopo di illustrare come operi una regola postsinaptica indipendente in popolazioni di sinapsi per formare i gruppi di un repertorio secondario, daremo un breve saggio di una simulazione computerizzata della selezione dei gruppi, la quale si ispira, come modello neuroanatomico, alla corteccia somatosensoriale. Qui ne presentiamo solo una parte; il lettore interessato ad approfondirla può consultare la pubblicazione originale [Pearson e altri 1987]8. Il modello è in sé una versione un po' semplificata del modello confinamento-selezione-competizione descritto nel capitolo precedente. Il modello computerizzato simula dettagliatamente 1'organizzazione neurale, concepita a tre diversi livelli: l'architettura neurale, le proprietà dei neuroni, e la plasticità sinaptica. L'architettura neurale consiste di cellule (circa 1500) eccitatorie e inibitorie interconnesse, e di una matrice di input che simula i recettori sensoriali presenti sulla superficie palmare e dorsale della mano. I recettori della matrice di input emettono topograficamente delle proiezioni verso la rete. Ogni cellula della rete riceve gli input da una ampia porzione della superficie della mano provenienti dalla parte dorsale e da quella ventrale. In questo modo la rete riproduce i particolari essenziali di una area corticale vera e propria. Un certo grado di realismo deriva dalla simulazione di singoli neuroni inibitori ed eccitatori. Le cellule inibitorie ed eccitatorie si distinguono per i diversi schemi di connessione e per la diversa attitudine a modificarsi. Per quanto riguarda il livello sinaptico, il modello riproduce gli effetti della saturazione sinaptica, le inibizioni in parallelo e i meccanismi di variazione della regola postsinaptica. La figura 40 A esemplifica alcuni tipici risultati del modello. Da principio, le forze di connessione sinaptica sono assegnate a caso, secondo una distribuzione gaussiana. Siamo riusciti a dimostrare che la rete, inizialmente priva di organizzazione, si organizza in gruppi neuronali dopo essere stata sottoposta a una serie di stimoli suffi8 I programmi sono stati scritti in FORTRAN con un ampio uso di routines in assemh/er [Reeke 1984]. Le lunghe simulazioni hanno richiesto 3,5 megabytes di memoria e
circa 80 minuti di tempo macchina impiegando un computer IBM ,3 0 9 0 .
Le basi del repertorio secondario
21 7
cientemente ampia, per mezzo dei quali la matrice degli input viene stimolata dalle forme, aree e posizioni piu diverse. La figura 40 B è un tipico esempio di formazione di un gruppo. Bisogna notare che le cellule appartenenti allo stesso gruppo sono fortemente connesse tra loro (giallo, rosso), mentre hanno deboli connessioni con le cellule esterne al gruppo (porpora, blu). I riquadri A e B della figura 40 sono differenti in fagione di variazioni nelle connessioni intrinseche ed estrinseche. E il carattere eterosinaptico della regola postsinaptica che coordina queste diverse variazioni sinaptiche e unisce in un insieme coerente le proprietà strutturali e funzionali dei gruppi. Nel nostro modello le proprietà funzionali di un gruppo sono esemplificate dalle proprietà dei campi recettivi dei neuroni che lo compongono. Dopo la stimolazione, avevamo scoperto che tutte le cellule di un gruppo presentavano campi recettivi molto simili - queste cellule sono infatti esclusivamente palmari o dorsali e hanno una notevole sovrapposizione spaziale. La figura 40 C, illustra la mappa del campo recettivo della rete dopo la formazione del gruppo. Inizialmente, la mappa è topografica, ma tutte le cellule hanno i propri ::ampi recettivi sia sulla superficie dorsale che su quella palmare, e la prevalenza delle cellule viene stimolata uniformemente da input provenienti da entrambe le superfici. Dopo la formazione dei gruppi, la mappa del campo recettivo (fig. 40 C) si organizza in regioni compatte le cui cellule sono stimolate esclusivamente da una sola superficie, la dorsale o la palmare. La mappa che ne scaturisce ha una stretta somiglianza a quella osservata nell'area 3b della scimmia scoiattolo (per una comparazione, si veda la fig. 24). Tale organizzazione della mappa del campo recettivo scaturisce dal dinamismo dei gruppi neuronali - cellule nello stesso gruppo hanno campi recettivi simili, e i confini tra le diverse aree rappresentative sono piu marcati in conseguenza della nettezza dei confini tra gruppi. La simulazione computerizzata ci fa capire che anche una rete semplice, ma realistica e incorporante la regola postsinaptica, si organizza in gruppi quando viene stimolata nelle condizioni piu diverse. I gruppi, una volta formati, possono organizzare la mappa del campo recettivo entrando in competizione tra loro. Questa è una simulazione della dinamica corticale che abbiamo visto nel modello confinamento-selezione-competizione, la quale illustra come la regola postsinaptica coordini le diverse classi di input, memorizzate nelle singole cellule, al fine di organizzare le mappe in modo piu globale. Ci siamo serviti di questa rete per simulare numerosi esperimenti noti nella letteratura scientifica [si veda Merzenich e altri 1984b]. Il
218
Capitolo settimo
Figura 40. Simulazione al computer di un modello di plasticità della mappa somatosensoriale impiegando la regola postsinaptica [Pearson e altri 1987]. I risultati, ottenuti in un computer IBM 3090, sono una simulazione di una rete neurale contenente 1024 cellule eccitatorie e 512 cellule inibitorie. Una cellula eccit!itoria prende contatto con 17 cellule eccitatorie circostanti e con 69 cellule inibitorie situate, mediamente, un po' piu distanti. Le cellule inibitorie prendono contatti solo con le cellule eccitatorie circostanti. La rete riceve due proiezioni sovrapposte topograficamente organizzate, in arrivo da una matrice di input e rappresentanti le proiezioni dalle superfici dorsale e palmare della mano. La regola postsinaptica viene impiegata per modificare le forze delle connessioni estrinseche dalla mano e le connessioni instrinseche tra le cellule eccitatorie nella rete. L'estensione di un gruppo è limitata dalle connessioni anatomiche preesistenti; l'ampiezza del gruppo è vincolata fisiologicamente dall'inibizione competitiva. La regola postsinaptica agisce in modo da rinforzare l'efficacia sinaptica tra le cellule che ricevono un input coattivato. Questo determina la formazione di gruppi con estensioni inferiori rispetto a quelle consentite dalle connessioni anatomiche. Una volta formati, i gruppi assestano le forze sinaptiche delle connessioni estrinseche in arrivo per mezzo dello stesso meccanismo postsinaptico. A) Rappresentazione delle forze iniziali di connessione. La forza delle connessioni sinaptiche tra cellule eccitatorie nella rete è rappresentata da linee codificate dai colori disegnate tra le cellule connesse da sinapsi. Il codice del colore è interpretabile con la èhiave in basso. La distribuzione iniziale delle forze sinaptiche è di tipo gaussiano. B) Formazione dei gruppi neuronali per selezione dopo stimolazione. La rete iniziale illustrata in A è stata ripetutamente stimolata con piccoli stimoli focali in sequenza casuale su diversi siti della mano. La rappresentazione illustra le forze di connessione tra le cellule eccitatorie, codificate dal colore come in A. Le connessioni tra cellule in un gruppo sono forti (giallo, rosso), mentre le connessioni tra cellule appartenenti a gruppi diversi sono deboli (blu, porpora). La maggior parte delle cellule appartiene esclusivamente a un gruppo. C) Mappa del campo recettivo corrispondente alla rete mostrata in B, dopo la formazione del gruppo. Il campo recettivo di ogni cellula eccitatoria nella rete è codificato secondo il colore corrispondente al centro del suo campo recettivo sulla mano (destra). La mano ha quattro dita e un palmo; la superficie mòstrata è quella palmare. La superficie dorsale è indicata da corrispondenti ombre piu scure dello stesso colore (per esempio, la parte palmare del primo dito è in giallo, la parte dorsale in giallo scuro, ecc.). La mappa del campo recettivo normale illustrata in C è molto simile a quella individuata sperimentalmente. Questa mappa riguarda principalmente rappresentazioni palmari con piccole isole di rappresentazione dorsale. D) I risultati dopo un ripetuto picchiettamento sul primo dito: la mappa del campo recettivo dopo che la superficie palmare del primo dito è stata ripetutamente picchiettata con un piccolo stimolo focale in cicli, indicato dalle linee gialle nella figura (destra). La rappresentazione dell'area stimolata si è espansa (area in giallo chiaro), mentre le rappresentazioni del terzo e quarto dito sono in gran parte immutate. E) Simulazione dei risultati dopo la resezione dei nervi del primo e secondo dito (giallo e arancio, rispettivamente). La mappa del campo recettivo dopo la resezione delle fibre del primo e secondo dito palmare e del palmo mediano sottostante (area nero-grigia nella mano a destra). La rappresentazione della superficie palmare deafferenziata è stata sostituita da una rappresentazione topografica organizzata della superficie dorsale corrispondente. Dopo la resezione, le superfici dorsale e palmare sono state leggermente stimolate in maniera casuale. Poco dopo la resezione, alcune regioni della rete erano incapaci di rispondere ad alcuno stimolo (cellule nere); tuttavia, nel tempo, la maggior parte delle cellule nella regione interessata ha riguadagnato i campi recettivi sulla parte dorsale (non illustrato). Nota: il codice del colore nei pannelli C, D ed E ha un riferimento diverso rispetto a quello impiegato nei pannelli A e B.
ttenuti
C)
Minimo
in sequenza messione tra le ellule in un gruppo . lti a gruppi diversi sclusivamente a un trata in B, dopo Ja' nella rete è codifi. vo sulla mano (de. :lla palmare. La su; stesso colore (per giallo scuro, ecc.), quella individuata azioni palmari con o picchiettamento Jalmare del primo cicli, indicato dal. lolata si è espansa dito sono in gran ·vi del primo e se:ettivo dopo la re:liano sottostante icie palmare deaf.zzata della supero almare sono state :une regioni della tavia, nel tempo, i campi recettivi elli C, D ed E ha
%htl,ii:\l
,- "_~
Massimo
DJ
EJ
BI
Minimo
Wiiii:fiilioi'Pi'
n~_~ Massimo
Le basi del repertorio secondario
2I
9
primo, illustrato nella figura 40 D, si riferiva alla stimolazione meccanica ripetuta della superficie palmare del primo dito. L'area deputata a rappresentare il palmo del primo dito si è notevolmente espansa sulle aree che rappresentavano il secondo dito, la parte dorsale del primo dito e la parte mediana del palmo. Si tratta di un risultato molto simile a quelli ottenuti per via sperimentale [Merzenich e altri 1984b] e dimostra che il fattore di ingrandimento di una rappresentazione in tale rete auto-organizzantesi dipende dal bilancio competitivo tra le diverse stimolazioni periferiche. Le connessioni che in precedenza erano al di sotto del valore soglia sono state rinforzate per mezzo della regola postsinaptica, soprattutto perché l'input periferico coattivato ha prevalso sull'input coattivato preesistente. I gruppi coinvolti hanno modificato il proprio campo recettivo rispecchiando, a livello centrale, il nuovo equilibrio creatosi negli input periferici. La seconda simulazione illustra lo stesso principio, applicato però alla perdita dell'input. La figura 40 E illustra la mappa del campo recettivo della rete dopo la resezione delle fibre provenienti dalla metà mediana della superficie palmare della mano (cioè, le fibre del nervo mediano). L'area che in precedenza era destinata a rappresentare la superficie palmare, adesso è completarhente deputata a rappresentare la superficie dorsale. L'esatta ubicazione dei confini tra il primo, il secondo e il terzo dito e il palmo è modificata se la confrontiamo con la mappa antecedente alla lesione (fig. 40 C), pur conservando gli aspetti organizzativi di una mappa topografica. Queste simulazioni dimostrano come, se esiste un'anatomia degenerata, si possano formare delle mappe ben definite in seguito alla selezione organizzata dall'input correlato mediato da una regola postsinaptica·. I gruppi neuronali rappresentano dei "punti di rot• Edelman e collaboratori [Gally e altri I990; Montague e altri I99I, quest'articolo inaugura la rivista «Cerebral Cortex»; Edelman e Gally I992] hanno proposto successivamente un nuovo modello per spiegare l'auto·organizzazione delle mappe nel cervello. Tale modello, che si è rivelato anticipatore [Gally e altri I990], è includibile in una nuova interpretazione della neurotrasmissione, variamente definita trasmissione per volume [Agnati e altri I992], neurotrasmissione per diffusione non sinaptica (NDN) [Bach-y-Rita I994] o apprendimento per volume [Montague e Sejnowski I994, articolo con il quale è stata inaugurata la rivista «Learning and Memory»] e che comincia a essere svelata anche nei dettagli molecolari. Si tratta di concezioni piu globali rispetto all'interazione neurone-neurone che prevedono interi gruppi di neuroni interagenti in maniera competitiva e volumi di tessuto cerebrale modificato simultaneamente [Gally e altri I990; Agnati e altri I992]. Essa è in sintonia con la concezione popolazionistica delle sinapsi ed è in antitesi alla concezione connessionista-Iocalizzazionista prevalente nelle neuroscienze contemporanee. La scoperta che i neuroni postsinaptici possono rilasciare una molecola diffusibile, l'NO, il quale si comporta da segnale spaziale regolante il flusso sanguigno,
..-----
220
Capitolo settimo
tura della degenerazione", in quanto scelgono una sola rappresentazione tra le molte possibili. In seguito, saranno la competizione e la coordinazione tra gruppi a creare quell' equilibrio dinamico tra la mappa funzionale e le condizioni ambientali esterne. La regola postsinaptica è idealmente ritagliata per realizzare queste variazioni complesse dipendenti dal contesto, poiché consente le risposte agli impulsi eterosinaptici.
4. Una trattazione formale delle modificazioni presinaptiche. A questo punto possiamo considerare le variazioni nell' efficacia presinaptica, che si esprime nella quantità di neurotrasmettitore rilasciato dopo la depolarizzazione del terminale presinaptico. L'aspetto principale della regola presinaptica è una variazione a lungo termine nella quantità di neurotrasmettitore rilasciato da tutte le terminazioni presinaptiche di un certo neurone, in conseguenza di ampie fluttuazioni nei valori temporali istantanei delF efficacia presinaptica (fig. 41). La regolazione del rilascio del neurotrasmettitore dipende da complessi meccanismi di biologia cellulare non del tutto il rilascio presinaptico del trasmettitore e la forza sinaNica, ha dato nuova linfa a tale concezione, considerata da Francis Schmitt [1986] un vero e proprio spostamento di paradigma concettuale, in quanto consente una versatilità e una plasticità che mancano ai cosiddetti circuiti hardwired e che può spiegare, dal punto di vista anatomico, la formazione dei gruppi neuronali e, dal punto di vista fisiologico, attività cerebrali di «massa" come il sonno, la vigilanza, il tono cerebrale, lo stato d'animo, e cosi via. Tale nuova concezione, basata soprattutto su dati biochimici e farmacologici, è collegabile, per la sua globalità, alla teoria del caos nel cervello, in prevalenza fisiologica [Skarda e Freeman 1987] (si veda il capitolo III, nota 5). Nel modello di Edelman [Montague e altri 199 1], simulato in un supercomputer parallelo NCube/lo e impiegante una regola di apprendimento hebbiana, quando un neurone presinaptico rilascia il neurotrasmettitore eccitatorio glutamato, il neurone postsinaptico può rispondere liberando NO; la sintesi di NO è proporzionale all' attività eccitatoria e diffonde isotropicamente attraverso le membrane, e questa sua proprietà gli consente di comportarsi come un segnale afeedback sulla membrana presinaptica, ma anche su membrane postsinaptiche di altri neuroni, generando, quindi, segnali eterosinaptici ed eterocellulari. Le sinapsi attive in modo coordinato in uno stesso spazio neurale sono rinforzate, mentre quelle non coordinate sono indebolite, determinando la compartimentazione di molteplici assoni in una regione spaziale comune nella corteccia e nel talamo (colonne di dominanza oculare, campi a barile, mappe somatotopiche, e cosi via). Questa ipotesi è stata confermata sperimentalmente. Per esempio, il PLT non si verifica se si inibisce la sintesi di NO [Shuman e Madison 1994], l'NO stimola il rilascio delle vescicole sinaptiche [Meffert e altri 1994] e, insieme al CO (ossido di carbonio), determifl:a un incremento sinaptico nell'ippocampo [Haley e altri 1992; Zhuo e altri 1993] e collega l'attivazione postsinaptica del recettore NMDA (si veda la nota 15) al rilascio presinaptico del neurotrasmettitore [Montague e altri 1994; per una rassegna sui messaggeri retrogradi, si veda Goda 1994]·
Le basi del repertorio secondario
221
chiariti IO e, pertanto, la nostra formulazione del modello di variazione presinaptica si basa solo sull'osservazione di variabili macroscopiche, quali la facilitazione e la depressione Il. IO Sono piu chiari i meccanismi cellulari e le molecole che controllano il rilascio dei neurotrasmettitori. Nella terminazione presinaptica e nella vescicola sinaptica sono, infatti, state individuate proteine implicate, a diverso titolo, nel rilascio del trasmettitore; le sinapsine, incluse nella membrana delle vescicole, ne controllano l'associazione al citoscheletro del neurone e, quindi, la disponibilità per il rilascio, mentre l'aggancio e la disposizione corretta delle vescicole sulla membrana e l'esocitosi sono controllate dalle sinaptobrevine e dalla sinaptotagmina associate alla vescicola sinaptica, dalle sintaxine e dalle neurexine associate alla membrana presinaptica [per delle rassegne cfr. Kelly 1993; Martin 1994; Schwarz 1994; Scheller 1995] e dallasinaptofisina che si ritiene sia implicata nella formazione del poro di fusione della vescicola e nel riciclaggio del trasmettitore. Il Esiste una forma di depressione sinaptica, identificata nell'ippocampo, nel cervelletto [Linden e Connor 1993], nello striato [Calabresi e altri 1992], nella neocorteccia [Artola e altri 1990] e nella sinapsi neuromuscolare [Dan e Poo 1992] definita depressione a lungo termine (PLT; la nomenclatura anglosassone, generalmente accettata, prevede la sigla L TD). E un fenomeno antitetico al PLT (si veda la nota 3) in quanto è caratterizzato da una diminuzione della forza sinaptica dipendente dall' attività. La DL T comprende i fenomeni di depressione sinaptica che si verificano nel rispetto di regole di apprendimento differenti e in differenti parti del cervello [per una rassegna completa si veda Linden 1994]. Le diverse forme di memoria potrebbero dipendere
Figura 41. Diagramma di flusso illustrante le modalità operative della regola presinaptica. L'attività incrementa sia il grado di facilitazione che di depressione, a loro volta accoppiate nella misura in cui una maggiore facilitazione incrementa la depressione (si veda l'equazione presinaptica fondamentale 8 nel testo). La facilitazione aumenta e la depressione diminuisce l'efficacia presinaptica ~;, la quale dipende anche dall'efficacia presinaptica di base ~r La regola presinaptica stabilisce che viene conservata una media a lungo termine di ~;, poiché fluttua a causa della configurazione temporale di attività. Se questa media raggiunge una soglia, il valore di base dell'efficacia presinaptica si riassesta, modificando la risposta della cellula agli input futuri.
Efficac;ia presinaptica (~;)
Efficacia presinaptica di l'lase (~~
222
Le basi del repertorio secondario
Capitolo settimo
Sono state documentate diverse e separate componenti macroscopiche sia per l'incremento [Magleby e Zengel 1982] che per il decremento [Brian e Atwood 1981] del rilascio del neurotrasmettitore. Tuttavia, nell'intento di semplificare il modello abbiamo impiegato una sola componente per !'incremento del rilascio, definita genericamente "facilitazione", e una sola componente per la "depressione". Per la facilitazione dF;/dt = E,si(t) - À·Fj(t)
[6]
dove Fi(t) è il grado di facilitazione in una terminazione presinaptica, À è la costante di decadimento temporale, sj(t) è la frequenza dell' attività elettrica del neurone al tempo t, ed é è l'incremento della facilitazione dopo ogni singolo potenziale. La depressione sinaptica è descrivibile con un'equazione analoga, dDi(t)/dt = X·~i(t)· Si (t) - ~.Di(t)
b]
dove Di(t) è il grado di depressione nella terminazione presinaptica, ~ è la costante di decadimento temporale, ~i(t) è l'efficacia presinaptica del neurone i, e x è la costante di proporzionalità tra rilascio e depressione. Il primo termine indica che la depressione aumenta linearmente al crescere del rilascio e che livelli significativi di rilascio si verificano solo dopo un'intensa depolarizzazione, presumibilmente per la diffusione degli ioni calcio lontano dal sito di rilascio, nell'intervallo tra due potenziali. Il secondo termine rappresenta il decadimento della depressione in seguito al recupero del trasmettitore, alla riattivazione dei siti di rilascio, o al ritorno alla condizione di equilibrio, qualunque sia il processo molecolare soggiacente. Il presupposto della regola presinaptica è che la modificazione a lungo termine si manifesti con una variazione della quantità soglia di trasmettitore rilasciato, ~i (si vedano le figg. 36 e 41). La modificazione a lungo termine di ~i dipende dalla risposta biochimica alle fluttuazioni facilitative e depressive nella forza presinaptica ~i(t), espresse in funzione del tempo; questa risposta può essere una v~ia zione nell' espressione genica; che si manifesta con la sintesi di proteine di controllo, con un incremento nella sintesi del trasmettitore tanto da un aumento quanto da una diminuzione della forza sinaptica, come dimostra la presenza della DLT nell'apprendimento motorio nel cervelletto [Linden e Connor 1993].
223
stesso o con modifiche nella ultrastruttura dei siti di rilascio. La variazione della soglia modifica il comportamento dinamico del neurone nei confronti degli input che arriveranno in futuro. Detto questo, l'equazione presinaptica fondamentale che correla l'entità del rilascio a questa soglia e al grado di facilitazione e di depressione è la seguente: ~i(t) =~t· (1 + Fi (t))3 . (1 - Di (t))
[8].
Va notato che F può essere compreso t!a O e un valore massimo arbitrario, mentre D è compreso tra O e 1. E concepibile che, a parte çt, anche variazioni in altri parametri (é, À, x o ~) possano essere la causa di variazioni a lungo termine. Maglebye Zengel [1982] hanno scoperto che, elevando alla terza potenza il valore esprimente la facilitazione, i loro dati sperimentali combaciavano meglio. Questa non linearità la ritroviamo anche nella relazione cubica tra l'ampiezza del PPS e la corrente generata dagli ioni calcio, individuata da Smith e collaboratori [r985]. Queste relazioni conferiscono un notevole carattere di stabilità: infatti, le sinapsi piu forti sono piu difficili da rinforzare e piu facili da indebolire. Al crescere di ~t, il grado di facilitazione rimane invariato (equazione 6), ma aumenta la quantità di neurotrasmettitore rilasciato, incrementando la depressione (equazione 7) quando si presenta una sequenza di stimolazione analoga. La stabilità consegue al fatto che ampie fluttuazioni facilitatorie nette incrementano ~t, mentre fluttuazioni depressive nette decrementano ~t. Ci sono due motivi per ritenere che una modificazione a lungo termine coinvolga la cellula nel suo complesso, piuttosto che la singola sinapsi della cellula: 1) abbiamo ipotizzato che le variazioni presinaptiche dipendano dall'attività elettrica della cellula; in teoria, pur avendo un neurone numerosi domini funzionali quasi indipendenti per 1'input e per l' output, ci attenderemmo che buona parte delle terminazioni presinaptiche di un neurone sia attiva nello stesso tempo; 2) diamo per scontato che alcune modificazioni a lungo termine debbano coinvolgere variazioni nell' espressione genica 12 12 Si sta iniziando a comprendere in che modo la plasticità sinaptica è correlata alla variazione genica e, quindi, alla regolazione (aumento o diminuzione) della sintesi di nuove e specifiche proteine implicate, per esempio, nella memoria. Si tratta, in genere, di studi riduzionistici, spesso effettuati in vitro e su sistemi nervosi semplicj e, quindi, non facilmente trasferibili alle forme complesse di memoria dei mammiferi. E, ad esempio, stato identificato un gene la cui trascrizione è innescata dalla facilitazione a lungo termine nei neuroni sensoriali del mollusco marino Aplysia [Alberini e altri 1994], il qua-
r-
224
Le basi del repertorio secondario
Capitolo settimo
[Greengard e Kuo 1970]. Poiché esistono dei ritardi dovuti alla produzione e al trasporto dei prodotti genici di nuova sintesi, attualmente non conosciamo alcuna modalità di instradamento selettivo del nuovo materiale verso le singole sinapsi e in specifiche ramificazioni del neurone presinaptico. Una conseguenza importante al fine dei possibili effetti sulle reti neurali è che, in base alla regola, tutte, o quasi tutte, le terminazioni del neurone presinaptico subiscono un influsso, indipendentemente da quali input correlati (seguenti la regola postsinaptica) siano responsabili della variazione di çt. Cosi, gli effetti delle variazioni presinaptiche sono temporalmente stabili, ma distribuiti, tramite le ramificazioni degli assoni, verso numerose sinapsi presenti nella rete. Naturalmente, alcuni fattori locali possono sempre modulare una certa sinapsi.
ii
I
i I
, l
5. Le due regole e i loro effetti popolazionistici in una rete.
A questo punto, dobbiamo ancora affrontare due argomenti importanti, menzionati a inizio capitolo: cioè, come 1'interazione tra le regole pre- e postsinaptiche modifichi il comportamento della rete, e come le caratteristiche della rete influiscano sull' operato delle regole stesse. Un' analisi formale dettagliata è già stata esposta in altra sede [Finkel e Edelman 1985, 1987]; in queste pagine ne presenteremo un saggio, esaminando un modello di variazioni postsinaptiche a breve termine e di variazioni presinaptiche a lungo termine. I risultati di quest' analisi hanno uno stretto rapporto con la selezione dei gruppi neuronali e dimostrano che, dato il modello delle due regole, l) le variazioni a breve termine in un gruppo neuronale determinano dei cambiamenti a lungo termine soprattutto nel gruppo stesso 13; le codifica per un fattore di trascrizione, noto come C/EBP, normalmente non espresso nel sistema nervoso, la cui inibizione impedisce la facilitazione a lungo termine, ma non quella a breve termine [ibid.]. Anche la proteina clatrina, importante componente delle vescicole endocitotiche e svolgente un ruolo nel riciclaggio della membrana della cellula, aumenta dopo la facilitazione a lungo termine [Hu e altri 1993]. Ci sono proteine che, invece, diminuiscono, come la N-CAM (ap-CAM) [Mayford e altri 1992], in funzipne del rimodellamento fisico della sinapsi che si accompagna all' apprendimento. La N-CAM, quindi, oltre a svolgere un ruolo morfogenetico ' grosso" durante lo sviluppo (come propone Edelman nei capitoli IV e v) ne svolge anche uno" fine" nella plasticità della sinapsi. 13 Per quanto è noto, nell'Aplysia e nella Drosophila le variazioni sinaptiche a breve e a lungo termine soggiaciono a meccanismi diversi e, in particolare, la variazione a lungo termine richiede la sintesi proteica (si veda la nota I) [Frank e Greenberg 1994], ma, contraddittoriamente, studi fisiologici nell'ippocampo sul potenziamento a breve termine e sul PLT indicano che sono controllati da una regola comune [Hannay e altri 1993]·
J
225
2) la struttura dei gruppi è sufficiente per assicurare che le variazioni a lungo termine, emergenti da variazioni a breve termine in un certo gruppo, influenzino in maniera differenziale le future variazioni a breve termine nel gruppo stesso; e 3) le variazioni a lungo termine possono facilitare le variabilità delle modificazioni a breve termine successive, soprattutto in altri gruppi. Volendo dimostrare questi punti, dobbiamo introdurre diverse ipotesi semplificative, le quali, però, riducono la ricchezza e la generalità della regola postsinaptica effettiva; tuttavia, 1'analisi illustra ch~ questa versione piu semplificata consente, comunque, di risolvere i tre punti precedenti associando regole sinaptiche e struttura dei gruppi. Prendiamo a esempio delle reti costituite da gruppi con un solo tipo di neurone avente a propria volta un solo tipo di trasmettitore e di recettore, e supponiamo che l'attenuazione del voltaggio tra qualunque coppia di sinapsi di un neurone sia identica. Allora, affinché si verifichi la variazione postsinaptica è sufficiente una relazione statistica tra input coattivi; si possono trascurare i dettagli temporali e i fattori dell' attenuazione del voltaggio, già visti, calcolando semplicemente la risultante di secondo grado tra le attività pesate degli input eterosinaptici e la media temporale dell' input omosinaptico. Se ne ricava una versione formale semplificata della regola postsinaptica che è: d1}i;
= Cl <1}i;ç;5;(t)· ~1}ikçk5k(t) > - C2 (1}i; -1}ij)
[9]
k
dove· rappresenta una media temporale, 1}i; è la forza della connessione postsinaptica tra il neurone j e il neurone i, d7j;; è la variazione di 1}i; e 1}ij è il suo valore soglia, ç; è la forza presinaptica dal neurone j, 5;(t) rappresenta 1'attività del neurone j al tempo t, 5; (t) è la media della stessa attività in un certo intervallo di tempo, mentre Cl e C2 sono delle costanti. I termini dell' equazione diventano piu comprensibili se ci riferiamo alla figura 36. Il primo termine rappresenta la risultante di secondo grado al tempo t tra la qu~ntità di sostanza modificante presente nella sinapsi j-esima e 1'a'inpiezza del voltaggio trasmesso passivamente (depolarizzante o iperpolarizzante) da tutte le altre sinapsi sulla cellula. Il secondo termine dell' equazione 9 rappresenta il decadimento a breve termine della modificazione_ La forza netta è data dal prodotto delle forze post- e presinaptiche 1} x ç. Questo equivale a dire che, nel caso piu semplice, trasmettitori e recettori interagiscono secondo una cinetica di prim'ordine.
Le basi del repertorio secondario
Capitolo settimo
226
Dobbiamo notare che, a causa di fluttuazioni a breve termine, si è verificata una modificazione presinaptica a lungo termine in un gruppo, per esempio nel gruppo I:çI ~ çI +01 dove 01 è una costante. Le variazioni a lungo termine in altri gruppi o i~ numerosi gruppi potrebbero essere formalizzate in modo analogo. E ragionevole ritenere che la modificazione nel gruppo I non influisca significativamente sul rapporto statistico delle attività elettriche di neuroni appartenenti ad altri gruppi. L'effetto della variazione a lungo termine sulle modificazioni successive (~/TJLM) è ricavabile sostituendo çI +01 nell'equazione I I e, conservando solo i termini di primo grado in O], ricaviamo che, dopo una modificazione a lungo termine nel gruppo I, il cambiamento, ~2T1LM, nelle successive variazioni a breve termine delle diverse classi di connessioni tra gruppi (fig. 42), è dato da
Inoltre, ipotizziamo che çsi modifichi lentamente rispetto a TI, e che entrambe variino lentamente rispetto alla variazione dell'attività S; cosi, ~Tli; = Cl Tli;ç;l::Tlikçk < S;(t)· Sk(t) > - C2 (TI;; - Tlij)
[IO].
k
A questo punto, consideriamo i neuroni che costituiscono i gruppi (fig. 42). Le lettere maiuscole, per esempio I, ] e K rappresentano gruppi e non tanto singoli neuroni; NIj il numero di connessioni dal gruppo] al gruppo I, e NII il numero di connessioni all'interno del gruppo 1. Tutte le connessioni tra la stessa coppia di gruppi hanno le stesse forze pre- e postsinaptiche. Noi siamo interessati alle modificazioni postsinaptiche delle connessioni sia all'interno di un gruppo che tra gruppi, come illustra la figura 42. La modificazione delle connessioni che uniscono qualunque gruppo M a qualunque gruppo L (dove M, L,e H sono variabili fittizie, mentre Cl e C2 sono costanti generali) è data da: ~TlLM
= CITlLMçMl::NLHTlLHçH< SM(t),SH(t) > - C2(TlLM - Tl1M) H
[I
~2T1LM =~/TlLM - ~TlLM
+
d.
Figura 42. Classi di connessioni tra gruppi. Le ellissi rappresentano i gruppi neuronali, e le frecce rappresentano le connessioni intra- e intergruppo. Una variazione a lungo termine nelle forze presinaptiche delle cellule nel gruppo I influisce in maniera differenziale sulle variazioni a breve termine successive nelle forze postsinaptiche di queste varie classi di connessioni (si veda il testo).
227
J
1 !
= OICI [NLITlLITlLM çM < SM(t)· SI (t) >]
TlLIl:: NLHTlLHçH< SI (t) ,SH(t) >
seM =I
H
{O
se M;é I
[I2].
Ci sono tre condizioni che, nel complesso, garantiscono che Ll 2T]1I sia la variazione massima, cioè, che siano influenzate al massimo le variazioni a breve termine nel gruppo sottoposto a una modificazione a lungo termine: I) NIITlII > NjITljI. II)
>
III) l:: NLHTlLHçH < SI (t) ,SH(t) >
:::o::
O.
H
., NII
NJJ
i
t,
~
Le condizioni sono nell'ordine: I) le connessioni all'interno di un gruppo sono piu forti di quelle tra gruppi; 2) i neuroni appartenenti allo stesso gruppo hanno un' attività elettrica sincrona piu frequente rispetto ai neuroni presenti in gruppi diversi; e 3) mediamente, gli input provenienti da gruppi diversi sono statisticamente privi di correlazione. Pur trattandosi di un modello semplificato, sono condizioni simili a quelle che definiscono i caratteri obbligatori di un gruppo neuronale [Edelman e Finkel I984]; cioè, un insieme di cellule connesse con forza variabile, attive per l~ piu in sincronia e costituenti l'unità minima soggetta a selezione. E bene notare che queste condizioni non si verificano se la rete presenta delle connessioni casuali.
228
Le basi del repertorio secondario
Capitolo settimo
Poste queste condizioni nei gruppi, possiamo distribuire le classi di connessioni in ordine gerarchico, in base all'entità della variazione nelle modificazioni a breve termine successive. Le connessioni intrinseche al gruppo I - precisamente, Ll 21JII - sono sempre influenzate al massimo grado; le connessioni tra gli altri gruppi (Ll 2'YjJK) sono sempre influenzate al minimo, mentre le tre classi di connessioni rimanentLvariano !.!1 funzione dei valori relativi di NII / NJb 2 'YjII / 'YjJI / TJJ], e < SI SI > / < SJSI >. Di solito, ci si aspetta che Ll TJJ] sia 2 il minore dei tre, Ll 1JIJ sia il maggiore per pochi gruppi] selezionati, aventi un'elevata correlazione in input al gruppo I, ma che Ll 2TJJI sia il maggiore per la maggior parte degli altri gruppi J.
zioni a lungo termine e quei neuroni che nella rete hanno subito le modificazioni a breve termine che hanno innescato queste variazioni a lungo termine. Gli effetti di questa interazione ricorsiva tenderebbero a ridurre la variazione non specifica che scaturisce da variazioni a lungo termine in altri gruppi.
:, i}
~,
6. Gli effetti di un modello popolazionistico che segue le due regole. La principale conseguenza di questo modello è che l'organizzazione di una rete in gruppi neuronali è una condizione sufficiente perché si generino variazioni a lungo termine in un gruppo che sfociano in una gerarchia di variazioni nelle successive modificazioni a breve termine dei vari gruppi, ma con la variazione massima nel gruppo stesso. Abbiamo realizzato delle simulazioni al computer in un modello, illustrato nella figura 43; le modalità operative di ciascuna regola sono rappresentate nella figura 44. Le simulazioni iterative, che prevedono l'impiego di entrambe le regole, indicano [Finkel e Edelman 1987] che una variazione a lungo termine in un gruppo renderà piti probabili le modificazioni a breve termine nel gruppo stesso, ma anche in tutti gli altri gruppi collegati (fig. 45). Tutto ciò favorisce una competizione tra gruppi: infatti, in ogni gruppo !'incremento di particolari variazioni a breve termine, causate da variazioni a lungo termine nel gruppo stesso, viene contrastato, sempre in quel gruppo, da tutte le variazioni a breve termine non specifiche causate da variazioni a lungo termine in altri gruppi. Questa generazione continua di variabilità nella popolazione è una preziosa caratteristica di qualunque ricco sistema selettivo. Una conseguenza importante per la teoria è che alcune proprietà emergenti dall'interazione di queste regole in una rete costituita da popolazioni CIi neuroni possano dipendere dalla densità. Per esempio, l'organizzazione in gruppi connessi localmente con una densità di connessioni superiore può aumentare la probabilità di una relazione ricorsiva tra le connessioni di quei neuroni che presentano varia-
229
Figura 43. Rete di connessione impiegata in simulazioni al computer che rappresentano ciascuna regola in azione isolatamente e le regole in azione simultaneamente. Sono indicati cinque gruppi (bordi scuri) con alcune delle loro cellule. Ogni gruppo rappresenta un aspetto della connettività. Il gruppo I illustra come ogni cellula stabilisca dei contatti con cellule del proprio e di altri gruppi. Il gruppo 2 illustra la densa connettività interna dei gruppi. Il gruppo 3 illustra come ogni gruppo riceva anche degli input da un insieme di input estrinseci sovrapposti, stimolabili selettivamente. Il gruppo 4 illustra che ogni cellula riceve input da cellule appartenenti al proprio gruppo, da cellule di altri gruppi e da fonti esterne. La simulazione al computer consente di osservare le variazioni nell' efficacia pre· sinaptica e postsinaptica delle diverse connessioni dopo i differenti paradigmi di stimo· lazione illustrati nelle figure 44 e 45· Gruppo 5
,,
"
Input estrinseci
Figura 44. Simulazione al·computer che illustra gli effetti delle regole sinaptiche. Riquadro A. Effetti eterosinaptici della regola postsinaptica. L'efficacia postsinaptica, "l)CA' dell'input dalla cellula A alla cellula C in funzione degli stimoli dalla cellula A e dall'input eterosinaptico (cellula B). Una raffica di stimoli verso la cellula A incrementa "l)CA; una raffica eterosinaptica singola non ha alcun effetto; raffiche omosinaptiche ed eterosinaptiche accoppiate producono un maggiore incremento di "l)CA- Tuttavia, un'ampia raffica eterosinaptica con raffiche omosinaptiche opportunamente sincronizzate (coppia finale) produce un incremento molto piu ampio, dimostrando che gli input eterosinaptici possono modulare le modificazioni postsinaptiche locali. Riquadro B. Variazione presinaptica a lungo termine. Due diagrammi sovrapposti dell' efficacia presinaptica çi rispetto al numero di cicli; il riquadro in basso illustra la stimolazione applicata. Due raffiche di stimoli (senza") producono la curva inferiore, in cui non si verifica una modificazione a lungo termine e che mostra una risposta a raffiche di prova al ciclo 85 che è virtualmente identica alla risposta iniziale. Tre raffiche di stimoli (inclusa la raffica indicata da") determinano una variazione a lungo termine (curva superiore), che si manifesta come un aumento della forza presinaptica di base. Una raffica di prova al ciclo 85 incrementa la risposta.
A)
Figura 45. Illustrazione delle modificazioni a lungo termine che favoriscono una variazione in conseguenza dell' operazione delle due regole. Diagrammi dell' ampiezza della variazione nell'efficacia postsinaptica "I) in funzione del tempo (iterazione). Due gruppi sono stati scelti a caso e sono stati stimolati (barra scura sull' ascissa) rispettivamente per cinque cicli, fatti riposare per cinque cicli, e stimolati di nuovo per cinque cicli. La linea continua illustra le variazioni a breve termine conseguenti. Allora, un gruppo (in alto) è stato ripetutamente stimolato per cinquanta cicli in modo da produrre una variazione presinaptica a lungo termine in alcune cellule del gruppo. Dopo cinquanta cicli di riposo, è stata ripetuta la sequenza di stimolazione iniziale (cinque cicli di stimolazione / cinque cicli di riposo / cinque cicli di stimolazione). Le variazioni a breve termine sono indicate dalla linea tratteggiata. Solo il gruppo che ha subito la variazione a lungo termine mostra un' alterazione nelle variazioni a breve termine successive (si comparino i riquadri in alto e in basso). Viene anche indicato il rapporto della deviazione in d"l) del gruppo (misurato al 15° ciclo) prima e dopo la variazione a lungo termine. La deviazione aumenta in entrambi i gruppi. Gruppo con variazione a lungo termine Prima della variazione a LT
5 4
Variazioni a breve
L
1)
5 o'~
__-L__
termine
(61))
o
,D ,D ,D, ,D,
D
IOr IO
Var (dopo)
-L__~L-__-L__~____-L__~____-L__~
~L__ _
] D, 5
Dopo la variazione a LT
20
30
40
50
60
70
80
Var (prima)
= 13
,
InputA 5
IO
'5
20
InputB 90
Gruppo senza variazione a lungo termine
100
Numero di cicli
B)
Variazioni a breve termine
5 4
(61))
3
~
Var (dopo) Var (prima) OL'--__L-__-L____L-__-L____L-__-L____L-__-L__~L__ _~
5
IOr
o
1\ 1\ A IO
20
30
40
"
50
60
Numero di cicli
f\ 70
80
90
5 100
IO
Cicli
15
20
=1 1 1
23 2
Capitolo settimo
È illuminante confrontare il nostro modello popolazionistico con i modelli dipendenti, come la regola di Hebb [1949]. Il modello popolazionistico si discosta dalla regola di Hebb; infatti, nel nostro modello, le attività elettriche correlate del neurone ; e del neurone i non sono né necessarie né sufficienti per influenzare la forza postsinaptica, 'Y}i;, della connessione tra; e i. Piuttosto, 'Y}i; si modifica quando la media temporale dell' attività elettrica del neurone j è associata nel tempo all' attività di numerosi altri neuroni k che formano delle sinapsi con il neurone, i. In questo modo, le modificazioni sinaptiche sono controllate da effetti popolazionistici nella rete. Effetti di questo tipo sono stati osservati in numerosi esperimenti riguardanti effetti eterosinaptici nell'ippocampo e nel cervelletto [Ito e altri 1982; Wigstrom e Gustafsson 19 8 3]. 7· La logica dei trasmettitori.
Una concezione popolazionistica delle sinapsi contempla, oltre alla generazione continua della variabilità, setacciata dai meccanismi competitivi, 1'aumento dei sistemi per connettere le sottoreti di una popolazione, ricavandone i circuiti piu diversi. Si tratta di un effetto della regola postsinaptica: invece di classificare gli input in due sole classi -1'eccitatoria e l'inibitoria - e concepire le operazioni neuronali in termini booleani, possiamo piuttosto pensare a una sorta di "logica dei trasmettitori", in base alla quale ogni trasmettitore (associato ai propri partner postsinaptici) può indurre delle modificazioni specifiche nelle sinapsi che ricevono solo certi altri trasmettitori 14 e sono distribuite in punti specifici dell'albero dendritico. Questo è reso possibile dai rapporti tra posizione, distribuzione popolazionistica dei canali e fattori varianti nel tempo (si vedano le figg. 37 e 3 8). Un sistema di questo tipo potrebbe generare uno spettro molto ampio di modificazioni sinaptiche, tutte specifiche, ma diverse per ampiezza, decorso temporale, origine e bersaglio. Il punto nodale è che tale variabilità dipenderebbe dal numero e dal tipo di trasmettitore e di recettore". Malgrado l'esistenza di un complesso intrico 14 Questa "logica dei trasmettitori" viene confermata, come nel caso in cui, nell'ippocampo, il neuropeptide dinor/ina coesiste con il neurotrasmettitore glutamato, dove essi svolgono due ruoli diversi nell'induzione del PLT [Weisskopf e altri 1993]. 15 L'incontro tra la biologia cellularejmolecolare e gli studi sulla fisiologia del neurone ha arricchito le conoscenze sul controllo dei segnali nella sinapsi e sui modi con cui una stessa rete può essere modulata e "riprogrammata". Il fenomeno, la neuromodula-
Le basi del repertorio secondario
233
di connessioni nel SNC espresso dal repertorio primario, un'organizzazione di questo tipo, basata sulla combinazione di canali e trasmettitori, renderebbe evolutivamente vantaggioso il possesso di un numero crescente di modulatori e di neuropeptidi ai fini della selezione dei diversi repertori secondari operata dal comportamento. Tale incremento creerebbe un insieme piu ampio di sottoreti funzionali di gruppi che possono partecipare alle interazioni combinatorie in quel repertorio. Quindi, un ricco corredo farmacologico favorisce la formazione di un insieme molto nutrito di reti funzionali. Uno degli aspetti piu notevoli del modello delle due regole è che i suoi effetti dipendono da una struttura estremamente varia e dal contesto. La dipendenza dal contesto ci ricorda la realizzazione epigenetica delle regole delle CAM e dei cicli che generano un repertorio primario. In zione, riguarda soprattutto i trasmettitori e i relativi recettori. La tassonomia e la modulazione nei recettori si è rivelata particolarmente complessa. Per esempio, i recettori associati ai canali ionici (si veda il Glossario) sono composti da pili subunità variamente combinabili, tant' è che, in linea di principio, i recettori nicotinici per l'acetilcolina avrebbero 4410 possibilità combinatorie [Role 1992]. Paradigmatici, a proposito del ricco corredo farmacologico, delle potenzialità combinatorie e della differente funzionalità, sono i recettori del trasmettiore eccitatorio L-glutamato e del trasmettitore inibitore GABA (acido r-aminobutirrico). Quest'ultimo possiede sia recettori ionotropici (denominati GABAA sia recettori metabotropici (denominati GABAB; si veda il Glossario alla voce «recettore di membrana»). I recettori ionotropici sono costituiti da una grande famiglia di sottotipi recettoriali (6 subunità ex, 3 ~, 3 r, e I 8) che si assemblano in modo differente nelle diverse parti del cervello e sono modulabili da altri ligandj, quali gli steroidi e le benzodiazepine [per una rassegna si veda Wisden e Seeburg 1992]. Anche i recettori del glutamato si dividono in ionotropici e metabotropici. I primi sono ulteriormente classificati I) nella famiglia AMPA (acido a-amino-3-idrossi-5-metil-4-isoxazol propionico) che attiva risposte veloci nell' ordine dei millisecondi ed è costituita dalle subunità GluRI-GluR4, 2) nella famiglia NMDA (N-Metil-D-Aspartato), costituita dalle subunità NRI, NR2A-NR2D che attiva risposte nell' ordine delle decine e centinia di rnillisecondi, e 3) nella famiglia Kainato costituita dalle subunità GluR 5-GluR7 e KAI, KA2. I recettori metabotropici sono costituiti dalle subunità mGluRI -mGluR 7 e agiscono nell' ordine dei secondi inflllendo sulla plasticità sinaptica e, probabilmente, sull'apprendimento e la memoria [per una rassegna sui recettori del glutamato si veda Westbrook 1994]. Il sottogruppo NMDA è caratterizzato, rispetto agli altri, dal fatto di essere attivato allo stesso tempo dal ligando e dal voltaggio, cosi per essere attivo è necessario che vi si leghi il glutarnato e che, contemporaneamente, la membrana postsinaptica sia depolarizzata. Questa sua proprietà lo rende fondamentale nel PL T. Anche per i recettori dei neuromodulatori, in passato ritenuti monomerici e, perciò, meno complessi, la situazione è diventata pili articolata dopo la scoperta di una famiglia multigenica dei recettori olfattivi [Buck e Axel 199I]. Un'ulteriore modulazione deriva dalla presenza di numerose isoforme di enzimi, quali le cinasi e le fosfatasi [Nairn e Shenolikar 1992], che regolano l'attività di altre proteine e possono coesistere nello stesso neurone distribuendosi in parti diverse, variando nel tempo in funzione degli stimoli. I loro effetti si ripercuotono sulla sintesi e il rilascio del trasmettitore, sul legame al recettore, sulle proprietà dei canali ionici, sulla trascrizione genica e sulla plasticità sinaptica.
234
Capitolo settimo
Le basi del repertorio secondario
Quindi, in base ~ presupposti della teoria, è chiaro che la memoria non può essere semplicemente archiviata sotto forma di molecole. Infatti, vi è un continuo ricambio di proteine, è un evento molto raro l'esistenza di una struttura biologica immutabile, e non esiste alcuna prova che le strutture polinucleotidiche, fedelmente riparabili, siano implicate a qualche titolo con l'archiviazione della memoria. Secondo la teoria della selezione dei gruppi neuronali, che è alternativa, una memoria di tipo categoriale (si veda il capitolo IX) deve possedere i seguenti requisiti: r) Una struttura dei gruppi degenerata e organizzata sotto forma di un mappaggio globale che presenta delle interconnessioni tra gerarchie di reti che originano numerose coppi~ di classificazione potenzialmente adattabili agli insiemi polimorfi che costituiscono il mondo dei segnali. Come spiegheremo meglio nel prossimo capitolo, un mappaggio globale consiste in molteplici coppie di classificazione originate da singole mappe inserite in un sistema input-output, come nel caso dei sistemi sensomotori. 2) Variazioni relativamente a lungo termine a livello cellulare (comprese tra mesi e anni). 3) La creazione continua della variabilità in alcune sinapsi, pur continuando a far esprimere gli stessi geni alle cellule che hanno subito variazioni presinaptiche a lungo termine.
entrambi i casi, le componenti biochimiche, farmacologiche e neuroanatomiche si integrano creando una struttura comune, pur in una complessa variabilità.
8. La relazione tra variazione sinaptica e memoria. Una delle grandi sfide ancora insolute per qualunque teoria generale del cervello è la spiegazione dei fondamenti strutturali della memoria a lungo e a breve termine. Si tratta, in realtà, di una sfida con diverse sfaccettature. Infatti, dobbiamo spiegare: r) come la stessa rete possa realizzare delle variazioni a breve termine che influiscono continuamente sulla categorizzazione percettiva e sull' apprendimento, pur accrescendo le variazioni a lungo termine; 2) come entrambi i tipi di variazione si distribuiscano nella rete e quali rapporti stabiliscano con l'input e l' output; e 3) come le variazioni a lungo termine si conservino per tanto tempo (anche per tutta la vita di un individuo, in teoria un centinaio d'anni). Sono interrogativi che ci riportano a quelli sollevati nei primi paragrafi del capitolo e ci predispongono, nel prosieguo del libro, a un' analisi approfondita delle funzioni globali. La discussione precedente ha fatto un po' di luce sulle prime due questioni senza, peraltro, stabilire un rapporto tra i meccanismi sinaptici e il consolidamento della memoria. È importante riconoscere che i tempi implicati nella variazione sinaptica non hanno necessariamente un rapporto diretto con i tempi della memoria: una teoria selettiva non contempla una relazione diretta o isomorfica tra un evento fisico, i suoi effetti sulle sinapsi e la predisposizione a essere rievocato dalla categorizzazione. Poiché è importante la procedura operativa della rriemoria e, poiché definiremo la memoria come una ricategorizzazione possibile grazie a un mappaggio globale (capitolo IX), le variazioni sinaptiche a lungo termine e la memoria a lungo termine non necessariamente coincidono. Tuttavia, dobbiamo dimostrare che, mediamente, una memoria di tipo categoriale, che può durare anni, può fondarsi su variazioni sinaptiche nella rete meno durevoli 16. 16 La prudenza qui espressa da Edelman nell'identificare plasiticità sinaptica e memoria è giustificata, trattandosi di una questione ancora dibattuta [Eichenbaum e Otto 1993]. Tuttavia, l'indagine della memoria a livello molecolare ha fatto dei passi in avanti. Sperimentalmente sono stati applicati tre tipi di approccio: a) l'analisi di una risposta semplice in un organismo semplice per stabilirne un modello in vitro; b) l'approccio genetico per definire o perturbare vie specifiche potenzialmente critiche per la memoria;
235
,
",\ ~
::t
Alcuni degli aspetti inclusi nella prima di queste condizioni li abbiamo già sfiorati e li svilupperemo ampiamente nei prossimi capitoli. Le ultime due condizioni sono esaudite dal modello sinaptico presentato in questo capitolo. Le variazioni a lungo termine basate sulla regola presinaptica possono durare per l'intero ciclo vitale della cellula in quanto coinvolgono l'espressione genica. Nello stesso teme c) studi elettrofisiologici su regioni implicate nella memoria. Da tutti e tre è derivato che, per esempio, i segnali regolati dall' AMPc svolgono un ruolo chiave nell'apprendimento e nella memoria in Aplysia [Montarolo e altri 1986; Ghirardi e altri 199 2 ; Alberini e altri 1994], nella Drosophila [Yin e altri 1994] e nei mammiferi [Bourtchuladze e altri 1994; Huang e altri 1994; per una rassegna sui meccanismi tramite cui l'AMPc attiva i geni specifici per la memoria si veda Frank e Greenberg 1994]. Una delle strategie è l'eliminazione totale di un gene specifico (knocking out) [per una rassegna sull'ingegneria genetica applicata agli studi sulla memoria si veda Mayford e altri 1995], come nel caso del recettore mGluRI del glutamato (si veda la nota 15), la quale causa una riduzione sostanziale del PLT e un moderato deterioramento nell'acquisizione o nella ritenzione della memoria [Aiba e altri 1994]. Secondo Howard Eichenbaum [Eichenbaum e Otto 1993] lo studio di piu neuroni simultaneamente potrà ancor meglio unificare i modelli noti di plasticità sinaptica e la memoria.
236
Capitolo settimo
po (e nella stessa rete) le variazionipostsinaptiche a breve termine possono ancora verificarsi piu o meno indipendentemente nei gruppi stimolati da input correlati, suddividendo le loro risposte in sottoinsiemi che, per quanto influenzati dalla variazione presinaptica, non ne vengono completamente dominati. La variabilità di questa specifica risposta postsinaptica aumenterebbe grazie alla presenza di una logica dei trasmettitori (o dei modulatori). Questo ritratto mette in relazione le regole sinaptiche e la possibilità della categorizzazione, ma non ci spiega come la memoria a lungo termine possa durare anni e, talvolta, tutta la vita. Ma se, come vedremo, la memoria è una ricategorizzazione basata sulle risposte degenerate di molteplici strutture non-isomorfiche presenti nei gruppi, e se i percorsi del rientro verso i gruppi reattivi sono molto diversificati, allora una variazione sinaptica a lungo termine, compresa tra alcuni mesi e un anno, può essere trasformata in una risposta che dura per tutta la vita. La ragione è evidente: la probabilità che muoiano tutti i neuroni soggetti a modificazione presinaptica in tutte le reti degenerate incluse in una coppia di classificazione è minima. La combinazione della variazione sinaptica in popolazioni neuronali aventi coppie di classificazione rientranti e coinvolgenti gruppi degenerati sarebbe sufficiente per creare delle risposte isofunzionali durevoli per tutta la vita di un cervello sano. I! quesito interessante in un sistema di questo tipo non è tanto se la memoria di tipo categoriale si possa consolidare, quanto se l'esistenza e lo sviluppo della memoria categoriale comprometta 1'esigenza continua di categorizzare i nuovi eventi. Una teoria popolazionistica delle sinapsi, con il suo bilancio competitivo tra variazione a lungo e a breve termine, tra consolidamento delle risposte e introduzione della variabilità, è una risposta plausibile a questo interrogativo: poiché la categorizzazione dipende da bisogni e da richieste competitive in continua trasformazione, la categorizzazione può perpetuarsi anche in repertori secondari in cui si è già verificata un' ampia selezione.
Parte terza Le funzioni globali
~
.!
;
.j
i ,I j
, J
Capitolo ottavo Azione e percezione
Le funzioni globali, p. 239. - I movimenti e l'embriologia del comportamento, P.240. - Apprendimento motorio e categorizzazione, p. 241. - Coevoluzione dei sistemi muscoloscheletrico e nervoso, p. 243. - Accoppiamento con lafunzione, primo esempio: la mascella del pesce cic/ide, p. 247. - Secondo esempio: il cinto scapolare, p. 249. - Origine parallela di sistemi sensoriali specializzati, p. 250. - Configurazioni dei movimenti: sinergie e gesti, p. 252. - L'analisi di Bernstein, p. 253. - lfondamenti neurali dei gesti, p. 259. - li bisogno di canali paralleli per definire l'oggetto, p. 264. - Comparazione con altri modelli, p. 268. - l mappaggi globali, p. 270.
I.
Introduzione.
A questo punto, dopo aver esaminato i principi della selezione soma tic a e i meccanismi epigenetici che creano i repertori primari e secondari, i quali si organizzano per lo piu, anche se non esclusivamente, sotto forma di mappe, dobbiamo dimostrare come dall'interazione di queste strutture scaturiscano le funzioni globali. Per «funzioni globali» intendo le attività che dànno origine alla categorizzazione, alla memoria, all' apprendimento e a tutti quei comportamenti che consentono 1'adattamento e la sopravvivenza, cioè attività che richiedono un' armonia funzionale tra molteplici e ampie regioni cerebrali e 1'apparato sensomotorio periferico. Si tratta di attività che dipendono sia dalla morfologia delle strutture non neurali, sia da quella del cervello. In questo capitolo amplieremo iI tema sviluppato nella parte precedente aggiungendovi l'attività motoria e i suoi rapporti con la percezione e iI mappaggio neurale cosi come si realizzano in un sistema selettivo. Quest' analisi ci consentirà di definire il mappaggio globale, che noi concepiamo come una struttura dinamica costituita da numerose mappe locali, sensoriali e motorie, rientranti e interagenti con regioni non mappate per formare una rappresentazione spaziotemporale continua di oggetti o eventi Grazie all' attiI.
I
Moderne tecniche di visualizzazione dell'attività cerebrale consentono di indivi-
24 0
Capitolo ottavo
vità motoria, un mappaggio globale modifica il campionamento dell'ambiente operato dalle lamine sensoriali. Ogni repertorio di neuroni presente nelle mappe locali, a loro volta parte di un pili ampio mappaggio globale, campiona disgiuntivamente i vari aspetti e caratteristiche dell' ambiente. Quando le mappe locali (si veda il capitolo v) si integrano, tramite il rientro, in un mappaggio globale, parallelamente i diversi campionamenti dell' ambiente vengono connessi in un mappaggio globale, consentendo che le singole rappresentazioni dei caratteri siano correlate nello spazio e nel tempo. Nessuna mappa locale isolata potrebbe realizzare una categorizzazione percettiva o una generalizzazione. Invece, un mappaggio globale rappresenta l'unità minima adatta a svolgere tale funzione e dipende da una continua attività motoria, spontanea o appresa che sia. Tra tutti i sistemi esaminati in questo saggio, forse il pili enigmatico e apparentemente paradossale è il sistema motorio. Nonostante sia stato ritenuto particolarmente importante da Head [1920; cfr. Oldfield e Zangwill 1942a; 1942b, 1942C, 1943], da Sherrington [1906, 19 25, 1933, 1941] e da Sperry [1945, 1950, 1952] in riferimento ad attività cerebrali superiori, quali la percezione e la memoria, tuttavia, il suo rapporto con il sistema sensoriale e i meccanismi alla base del suo funzionamento o sono stati spiegati in modo vago o sono stati interpretati prevalentemente nella logica dell'elaborazione d'informazione 2 [per una rassegna, si veda Brooks 1981]. La nostra impostazione alternativa, cioè che le strutture sensoriali e motorie siano comprensibili solo in quanto costituiscono un sistema selettivo coordinato, aiuta a capire il ruolo dei segnali precoci durante lo sviluppo e dei cosiddetti eventi superiori nel SNC: infatti, riteniaduare le mappe percettive, motorie, e cognitive anche nell'uomo (si veda il capitolo III, nota 6). 2 Un'interessente disamina delle ragioni per cui lo studio del movimento è stato trascurato, se compatato allo studio della percezione, è contenuta in un articolo di Lina Massone [1990), dove viene evidenziata la subordinazione concettuale del movimento rispetto alla percezione, sintetizzata nei seguenti aspetti: «a) l'aspetto funzionale, in quanto la percezione è stata vista come l'unico mezzo possibile per l'acquisizione della conoscenza (empiricismo); b) l'aspetto temporale, in quanto la percezione è stata consi· derata un necessario precursore dell'azione (paleo-behaviorismo); c) l'aspetto valutativo, in quanto la vita contemplativa venne molto spesso considerata superiore alla vita d'azione» [ibid., p. I 19), quindi, «non solo filosofi, psicologi e fisiologi studiarono la percezione piu frequentemente del movimento, ma si dedicatono pesantemente allo studio della percezione in assenza di movimento» [ibid., p. 120; si veda il fascicolo monotematico sul Sistema motorio dedicato dalla rivista «Sistemi Intelligenti», II (1990), n. 1. Approfondite rassegne accompagnate da dibattiti sul «Controllo del movimento», sono parte del fascicolo monotematico della rivista «Behavioral and Brain Sciences», XV (1992), n·4)·
Azione e percezione
24 1
mo che la selezione operata dai segnali precoci nei sistemi sensoriali e motori attivati di concerto nel cosiddetto mappaggio globale, sia essenziale per dipanare la questione della categorizzazione percettiva adattativa. Il grado di accoppiamento tra sistemi sensoriali e motori ai fini di un comportamento e di una categorizzazione adattativi dipende da numerosi fattori evolutivi ed ecologici. Un esempio ci è offerto dagli studi di Coghill [1929] e di Hamburger [1970; si veda anche Bekoff 1978], che illustrano come il rapporto tra input sensoriali e risposte motorie nel comportamento embrionale e postnatale presenti significative differenze nei diversi taxa. Mentre la sensazione, e forse anche alcuni aspetti della percezione, sono indipendenti dall' apparato motorio, viceversa, la categorizzazione percettiva è il frutto dell'interscambio tra le mappe corticali, sensoriali e motorie, le quali, interagendo con i nuclei del talamo, i gangli basali e il cervelletto, creano quel mappaggio globale che consente di definire gli oggetti come una risultante dell' attività motoria continua. Nella dinamica del mappaggio globale (che, come dimostreremo pili avanti, è il fondamento essenziale della categorizzazione e della memoria), si succedono molteplici eventi selettivi e di rientro in un ciclo dinamico che contempla l'accoppiamento dei gesti e delle posture con i segnali sensoriali. L'implicazione pili forte di questa tesi è che la categorizzazione non possa essere una proprietà di una parte definita del sistema nervoso: infatti, un mappaggio globale, in quanto prerequisito indispensabile per la categorizzazione, è già, di per sé, una struttura neurale molto ampia e complessa. Questa implicazione ha delle notevoli ripercussioni sull'interpretazione del concetto di sistema nervoso distribuito [Mountcastle 1978]. Concepito in questo modo, l'accoppiamento selettivo tra sistemi sensoriali e motori non è il risultato della categorizzazione indipendente da parte delle aree sensoriali, le quali solo in seguito eseguiranno un programma di innesco dell' attività motoria, a sua volta controllata da anelli a feedback. Piuttosto, gli effetti dell' attività motoria sono intesi come parte integrante della categorizzazione percettiva. Questo concetto sarà dimostrato con due tipi di analisi. La prima, di tipo evolutivo, suggerisce che, pur essendo alcune variazioni nell' apparato muscoloscheletrico canalizzate nel corso dell'evoluzione, anche minime variazioni fenotipiche in altre parti dell' apparato motorio [si vedano Dullemejer 1974; Alexander 1975] richiedono immediate e concomitanti variazioni funzionali nel SNC che garantiscano un comportamento adattativo. Si tratta di variazioni che devono essere legate ai gesti o complessi motori strutturati adattativi per un
Azione e percezione 24 2
243
Capitolo ottavo
certo fenotipo, e non a singoli movimenti o a funzioni evolutivamente antiche, ancora presenti. La seconda analisi è di tipo fisiologico e psicologico; e si ispira a un'ipotesi di Bernstein [1967] sull'accoppiamento tra attività neurale centrale e gesti, da cui originano le cosiddette sinergie o classi di strutture del movimento, una concezione, questa; che è stata correlata alla percezione in alcune teorie quale, per esempio, la teoria motoria del linguaggio di Liberman [Mattingly e Liberman 1987]. Tanto l'analisi evolutiva quanto quella fisiologica indicano che la selezione dei gesti da parte di un sistema rientrante è un possibile fondamento per la categorizzazione percettiva 3 e per l'apprendimento motorio. Si tratta di un processo attivo in cui il comportamento consente 1'esplorazione continua di nuovi ambienti ed è allo stesso tempo un mezzo per riattivare i mappaggi già formati. " Tale concezione richiede un ampliamento del nostro modo di concepire il mappaggio, pér cui, nell' ambito di un mappaggio globale, il mappaggio degli input basato su mappe locali (descritte nei capitoli v e VI) va posto in relazione al mappaggio degli output. Per comprendere un mappaggio di questo tipo inizieremo considerando la struttura e l'evoluzione dell'apparato muscoloscheletrico. Nella parte finale del capitolo presenteremo un'ipotesi dettagliata di come un sistema rientrante integrato consenta la formazione di mappe globali impiegate nella classificazione dei gesti e nella correlazione tra input e output. Prima, però, sarà bene considerare le componenti dell'attività motoria. 3 Il neuropsicologo Oliver Sachs nel suo libro Seeing Voices [I989] ritiene che le concezioni sulla percezione espresse da Edelman possano spiegare diversi fenomeni patologici incontrati durante la propria professione; per esempio, a proposito dei bambini sordi, Sachs afferma: «[ ... ] la teoria di Edelman offre un quadro particolareggiato di come si possano formare" mappe" di neuroni che permettono all' animale di adattarsi a sfide percettive completamente nuove, di creare o costruire forme percettive e categorizzazioni nuove, nuovi orientamenti, nuovi approcci al mondo. Questa è la situazione del bambino sordo, il quale si trova bruscamente immesso in una situazione percettiva (e cognitiva) per la quale non vi sono né precedenti genetici né insegnamenti che lo assistano, eppure egli comincia a sviluppare forme del tutto originali di organizzazione neurale, di mappe neurali, che gli consentiranno di padroneggiare il mondo del linguaggio. E difficile immaginare un esempio piu impressionante di selezione somatica, di darwinismo neurale, in azione» [ibid., trad. it. p. I53].
2.
Il complesso motorio.
Il cervello si è evoluto per svolgere azioni adattative, ma, naturalmente, non avrebbe potuto farlo indipendentemente dall' apparato muscolo scheletrico e dai vincoli che esso impone all' organismo. Ecco, quindi, la necessità di considerare alcuni aspetti dell' evoluzione dell'apparato muscolo scheletrico e, soprattutto, di notare gli effetti straordinari provocati da, seppur minime, variazioni in quell'apparato' [Dullemeijer 1,74; Liem 1974; Alexander 1975; Oxnard 1968; Ulinski 1986]. E particolarmente degno di nota il fatto che, nel corso dell'evoluzione, i diversi taxa si siano imbattuti in problemi motori di natura diversa in funzione delle rispettive nicchie ecologiche e che la selezione naturale ha variamente risolto. Le soluzioni adottate si basano sia su fattori morfogenetici, sia sulla selezione del comportamento nel suo complesso. Pertanto, lo studio del movimento deve incentrarsi sulla eterogeneità dell' habitat e degli adattamenti funzionali dell' organismo, piuttosto che su una semplicistica idea secondo cui il sistema nervoso eccita i muscoli e i muscoli muovono le ossa. I movimenti assiali del nuoto, gli adattamenti posturali, la brachiazione, la masticazione, e le specializzazioni degli arti che consentono il controllo fine del movimento delle dita sono tutti probleI11i di questo tipo [Grillner 1975; Brooks 1981; Evarts e altri 19 8 4]. E vero che in una creatura molto evoluta queste funzioni si sovrappongono e si intrecciano, tuttavia, ai fini della teoria, è importante mettere in relazione i singoli adattamenti delle strutture muscoloscheletriche e la coevoluzione delle strutture neurali centrali che devono cooperare con esse in modo adattativo. Questa premessa evolutiva ci fa capire che nessuna singola spiegazione generalizzata del movimento - si tratti di riflessi, generatori centrali di configurazioni di movimento, controllo gerarchico [Gallistel 1980], o sistemi afeed4 Lo studio dei geni hox (si veda il capitolo VI, nota 4) e del loro ruolo nei rapporti tra sviluppo ed evoluzione comincia a dare alcune indicazioni sull' evoluzione dello scheletro e, quindi, a fondare su basi sperimentali il modello proposto da Edelman di una relazione tra l'ipotesi dei regolatori e l'evoluzione delle forme corporee (si veda il capitolo VI, paragrafo 5). Per esempio, topi ingegnerizzati, privi di Hoxd-I3 [Dollé e altri I993], manifestano forme alterate nelle ossa della colonna vertebrale sacrale e degli arti anteriori e posteriori e in alcune ossa del bacino. Secondo gli autori «questo suggerisce che la comparsa degli arri tetrapodi nel corso dell'evoluzione fosse connesso al reclutamento funzionale di parte del sistema genetico impiegato per formare il tronco» [ibid., p. 43 6].
244
Azione e percezione
Capitolo ottavo
back - ha la probabilità di essere abbastanza generale da spiegare tutte le componenti evolutive delle risposte motorie integratesi, nel corso dell' evoluzione, in un organismo come, per esempio, l' Homo
sapiens. Definiremo l'intero sistema (muscoli, articolazioni, funzioni cinestesiche e propriocettive e aree cerebrali dedicate) come il complesso motorio, per sottolinearne la coevoluzione e la funzionalità integrata. I diversi studiosi hanno interpretato le funzioni del complesso motorio nei modi piu vari. Per esempio, un tipo di approccio, cerca di spiegare l'attività motoria con analisi dettagliate dei riflessi, dei generatori di configurazioni motorie e degli anelli afeedback, il tutto nell'ambito di un'organizzazione gerarchica [Gallistel 1980]. Un altro tipo di approccio ritiene, per esempio, che i complessi cinetici degli arti non operino esclusivamente nel modo succitato, ma stabiliscano, invece, un rapporto coordinato e permanente con il SNC, che non dipende da generatori di configurazioni di movimento fissi e non opera per delle strutture centrali, ma con esse [Bernstein 1967; Kelso e Tuller 1984]. La riconciliazione tra queste tesi estreme è ulteriormente complicata da alcune scoperte secondo cui l'attività dei recettori muscolotendinei [si veda Sherrington 1900] non ha una relazione di tipo semplice con la lunghezza, la forza, la velocità, la viscosità, la tensione o lo stiramento dei muscoli [Roland 1978; Matthews 1982]. È vero che i recettori muscolotendinei segnalano con un meccanismo a feed-fonuard sia la forza sia l'estensione dei movimenti volontari, ma la sede in cui avviene il controllo su questi segnali non è ancora stata identificata [Roland 1978; Burgess e altri 1982; Matthews 1982]. Inoltre, la modalità di inserzione dei muscoli elastici nel complesso motorio, costituito da articolazioni, ossa, legamenti e tendini, rende difficile pensare che l'attività di ciascun muscolo sia essenziale, o che, in qualche caso, abbia un'importanza particolare nello svolgimento di un certo movimento strutturato, in quanto il numero dei gradi di libertà è semplicemente troppo elevato [Bernstein 1967]. Queste conclusioni, insieme alle analisi classiche dell'integrazione del comportamento neuromuscolare [Weiss 1936, 1941; Stein 1982], suggeriscono che né le variabili fisiche ordinarie né le singole subunità del complesso motorio siano elementi determinanti per l'ideazione a livello centrale di qualunque movimento. Tutte queste osservazioni, in particolare quelle proposte dalla scuola sovietica [Gelfand e altri 1971], di cui Berstein [1967] è stato il pioniere, e che riprenderemo piu avanti, evidenziano l'insorgenza di un problema di fondo quando desideriamo spiegare il legame
245
tra attività motoria, input sensoriale, controllo centrale e memoria. Tale problema è capire come si costituiscano le mappe globali. Che cosa, di fatto, viene mappato nelle fasi di pianificazione, selezione, esecuzione e ricordo di un certo movimento? Potremo fare un po' di luce su tale questione cruciale solo dopo aver esaurientemente considerato l'evoluzione e lo sviluppo dei fondamenti strutturali delle risposte motorie, e dopo un'analisi funzionale della coordinazione motoria. 3. Considerazioni evolutive.
Prima di affrontare gli aspetti funzionali delle strutture motorie' centrali, dobbiamo ampliare alcuni temi evolutivi già affrontati nel capitolo VI. Esamineremo le tendenze evolutive dei sistemi sensomotori considerando come alcune forme di adattamento muscoloscheletrico possano semplificare il problema delle interazioni neuromuscolari, mentre altri tipi di adattamento possano modificare radicalmente la risposte evolutive di una specie alle pressioni ambientali. I requisiti richiesti al SNC per adattarsi a queste pressioni, particolarmente quelle legate a variazioni nella sequenza, nel modello, nella velocità e nella complessità delle risposte, sono tra i piu complessi che un organismo deve affrontare. Cercheremo di dimostrare che la co evoluzione di strutture neurali adeguate per affrontare questi compiti dipende dalla selezione dei gruppi neuronali. Il primo problema riguarda il modo in cui le strutture neurali possono evolversi in modo coordinato con 1'apparato muscolo scheletrico. I muscoli devono adattarsi alle ossa, le ossa e i muscoli devono adattarsi alla funzione, e il SNC deve coordinare (ed essere coordinato da) queste variabili. Ci sono due fattori che sembrano di un qualche rilievo nel mitigare le difficoltà di questo adattamento. Il primo è 1'esigenza che, durante lo sviluppo, l'attività neurale e l'inte razione neuromuscolare si verifichino in maniera coordinata per assicurare l'appropriata innervazione del muscolo [Hamburger 1970]. Il secondo è l'adattabilità strutturale di muscoli e ossa a nuove sollecitazioni funzionali nell'adulto [Alexander 1975]. Entrambi questi fattori, che presentano elementi di degenerazione' e l'az10ne di processi stocastici, consentono una certa plasticità di accoppia5 Cioè, un certo muscolo può essere innervato da fibre nervose provenienti da neu· roni e da aree neurali differenti, e la stessa traiettoria può essere realizzata da piu di un
24 6
Capitolo ottavo
mento tra cervello e apparato motorio. Il fatto che il primo sia svincolato dalla funzione nell' adulto e che il secondo ne sia completamente dipendente quando tutte le connessioni motorie si sono già consolidate, indica quanto varie possano essere le modalità di accoppiamento tra SNC e apparato motorio. Una variazione evolutiva nell'inserzione di un muscolo può avere notevoli effetti sulla formazione ontogenetica delle reti neuromuscolari, come può avere effetti indiretti sull' evoluzione del SNC, perché si riflette nel comportamento dell' adulto. Quindi, sia i meccanismi formativi dello sviluppo [Hamburger 1970; Changeux e Danchin 1976; Korneliusen e Jansen 197 6 ; Van Essen 1982], sia la plasticità nell'adulto [Evarts e altri 19 8 4] devono svolgere ruoli fondamentali nella duplice riorganizzazione richiesta per una buona funzionalità. Se desideriamo capire come il SNC abbia potuto sviluppare strutture adattative capaci di coordinare le funzioni sensoriali e motorie, dobbiamo anche comprendere come poche soluzioni evolutivamente stabili a un problema strutturale con molti gradi di libertà possano modificare il quadro adattativo. Alcuni esempi, riferiti a specie diverse, ci aiuteranno a capire perché piccole variazioni richiedano notevoli adattamenti somatici ed evolutivi da parte delle strutture neurali centrali. Un esempio [Liem 1974] dimostrerà quali enormi differenze possano derivare da una piccola variazione fenotipica; un secondo esempio [Oxnard 1968] evidenzierà, in specie molto diverse tra loro, la natura convergente e canalizzata di alcuni adattamenti muscoloscheletrici. Una penetrante analisi di questi problemi è stata svolta da Alexander [r975], il quale ha dimostrato che la resistenza delle ossa e le forze attive dei muscoli devono integrarsi, e che piccole variazioni nelle dimensioni di strutture, quali le ossa mascellari, nel pesce piraiia possono riorganizzare su grande scala la struttura della testa e le inserzioni dei muscoli. Ne conseguono modificazioni del cranio, della forma del cervello e della posizione degli occhi. Lo sviluppo delle
Azione e percezione
,ì
I
l, t:
).
i
~
segnale neuromotorio. Anche i movimenti sono ridondanti, come esemplifica Renato Zaccaria b99 0 ]: «L .. ] ci sono piu gradi di libertà meccanici di quanti ne occorrano. Per stabilire una certa posizione e orientazione di un oggetto sono necessari sei gradi di libertà [... ] un braccio umano ne ha sette, infatti può assumere diverse posture pur lasciando la mano nella stessa posizione. Una scimmia che si china a raccogliere un frutto mette in moto decine di gradi di libertà. Scegliere uno fra gli infiniti insiemi di valori per i gradi di libertà che dànno lo stesso risultato finale è un compito strategico complesso» [ibid., p. 9 8].
)I
jJ
247
mascelle faringee del pesce ciclide [Liem 1974] è forse il piu straordinario esempio di effetti evolutivi causati da tali modificazioni, quando si verificano in un ambiente variabile e ricco di potenzialità adattative. Nel corso dell' evoluzione questi pesci hanno sviluppato una sinartrosi delle mascelle faringee inferiori, uno spostamento dell'inserzione del quarto muscolo elevatore esterno e delle articolazioni sinoviali nella mascella superiore. Si tratta di variazioni strutturali che hanno loro consentito di preparare il cibo e di trasportarlo in modo da permettere alle fauci premascellari e mandibolari di seguire un' evoluzione indipendente in specie animali con abitudini alimentari molto diverse (fig. 46). Elettromiogrammi effettuati sul quarto muscolo elevatore nel pesce percoide (fig. 46 A) e nei pesci ciclidi evidenziano diverse attività temporali e sequenze funzionali. Queste modificazioni, consentendo di separare le funzioni di afferramento, di masticazione e di deglutizione del cibo, hanno favorito una radiazione esplosiva e adattativa dei pesci ciclidi, creando al contempo una variegata morfologia. COSI lievi riassestamenti di strutture esistenti possono imporre complesse modificazioni in certi organi [AIexander 1975], creando, altresi, le condizioni per un rapido adattamento della forma alle ampie fluttuazioni dei diversi habitat. Piu consono al tema di questa sezione è il fatto che nette modificazioni selettive verificate si durante l' ontogenesi dell' apparato muscoloscheletrico possono provocare, in una certa specie, variazioni comportamentali su grande scala. Ci si aspetterebbe, quindi, che tutto ciò influisca profondamente sull' evoluzione del cervello e, in particolare, dei suoi sistemi di controllo motorio. Gli elettromiogrammi rOsse 1969; Liem 1974] dei muscoli mascellari che invertono la loro funzione dopo una variazione morfologica (elevatore esterno 4, fig. 46 A, C) mostrano delle sequenze temporali di risposta che li rendono efficienti per i nuovi compiti. La configurazione di attività dei nervi che alimentano i muscoli branchiali varia senza che, nel SNC, si verifichi una significativa riorganizzazione senso motori a o nella sensibilità propriocettiva. Anche se le variazioni evolutive che hanno indotto le variazioni strutturali possono essere state graduali, è anche probabile che, quando si sono verificate le prime trasformazioni, dal pesce percoide al pesce ciclide, il cervello abbia dovuto adattarsi somaticamente alle modificazioni muscolo scheletriche alterando la propria attività elettrica, senza che ne siano seguiti immediati mutamenti nella struttura cerebrale. Questo esempio, analogamente agli studi sulle modificazioni premascellari nei boa e nei pitoni, svolti
Figura 46.
Azione e percezione
Comparazione dell'attività elettromiografica dei muscoli mascellari e dei movimenti mascellari nel pesce percoide e nel pesce ciclide [Liem r974]. A) Diagramma dei periodi attivi dei muscoli branchiale e ioide di Pristolepis fasciatus libero e non anestetizzato mentre si nutre di grilli vivi. B) Diagramma dei movimenti delle mascelle faringee, rivelate dalla sequenza successiva di radiografie nel pesce percoide Pristolepis fasciatus. C) Diagramma dei periodi attivi dei muscoli di Haplochromis bUrloni libero e non anestetizzato che si nutre di Gammarus sp. D) Diagramma semplificato dei movimenti delle mascelle faringee di un pesce ciclide generico rivelata da radiografie in successione. Si effettui una comparazione con B, e si notino le differenze nelle fasi di attività del muscolo elevatore esterno 4· Linee in grassetto (fase ra): preparazione del cibo (masticazione). Linee sottili (fase rb): trasporto del cibo (inghiottimento e deglutizione). Linee tratteggiate (fase 2): protrazione-abduzione. Sigle: ADDUTTORE, quinto adduttore; GENIOIOIDEO A, genioioideo anteriore; 4° ELEVATORE EST, quarto elevatore esterno; ELEVATORE POST, elevatore posteriore; FAR CL E, faringocleitrale esterno; FAR CL I, faringocleitrale interno; FARINGOIOIDEO, faringoioideo; RETRATTORE, retrattore faringeo superiore; STERNOIOIDEO, sternoioideo. A, processo faringeo (apofisi); CL, cleitro; I, ioide; FI, mascella faringea inferiore; MD, mandibola; NC, neurocranio; PS, parasfenoide; EM, estremità mandibolare; FS, mascella faringea superiore; UI, uroiale; V, vertebra. FASE 4° ELEVATORE EST. ELEVATORE POST. FARINGOIOIDEO GENIOIOIDEO A STERNOIOIDEO ADDUTTORE FAR CL I FAR CL E RET.RATTORE
--•-• •------• ~.~
da Frazzetta [1970], dimostra che modeste variazioni nel corso dell' ontogenesi nate per compensare variazioni epigenetiche individuali possono ripercuotersi, con l'evoluzione, sotto forma di ampie modificazioni adattative. Alcune di queste possono basarsi su preadattamenti [Bock 1965] e su variazioni evolutive graduali, mentre altre devono dipendere dall'abilità di rimodellarsi del cervello, grazie alla selezione somatica. In questo e altri esempi si cela una cosi grande potenzialità nel generare nuove strutture che è difficile capire l'origine di ogni soluzione adattativa. Ma che non si tratti di una questione cosi gravosa si evince se pensiamo che l'evoluzione è soggetta a rigorosi vincoli morfologici [Alberch 1980, I982a, 1985]. Un esempio pertinente all'apparato muscoloscheletrico e al controllo operatovi dal sistema nervoso riguarda i fattori che determinano la forma della scapola e l'architettura della spalla. Gli studi di Oxnard [1968] indicano che la funzione locomotoria della spalla ha nettamente limitato, nel corso dell'evoluzione, le miriadi di potenziali forme del cinto scapolare dei mammiferi a due o tre classi principali. Oxnard ha scoperto che nove caratteristiche osteometriche della scapola e delle sue connessioni potevano essere raggruppate in tre diverse forme. La prima separa le diverse scimmie e le scimmie antropoidi in funzione delle tensioni sopportabili dalla spalla. La seconda separa i mammiferi terrestri da quelli arboricoli. Una terza forma separa l'uomo, i babbuini e gli ungulati da tutte le altre forme. La prima forma sembra in stretta relazione al sollevamento del braccio e al sostenimento del peso nelle scimmie arboricole; la seconda forma è legata al vantaggio nel possedere una collocazione piu laterale dell' articolazione della spalla, la quale agevola la mobilità sugli alberi; la terza forma nasce dal bisogno di spostare la scapola piu distalmente rispetto al tronco sia per l'estensione (come negli scoiattoli volanti) sia per una maggiore flessibilità dei segmenti dell'arto (come negli ungulati, per la corsa). Nell'uomo la scapola è piu prossimale rispetto a qualunque altra specie, anche se la sua relazione con la funzione prensile e tattile rimane inspiegata. L'insegnamento di queste ricerche, in antitesi agli esempi relativi ai pesci ciclidi, è che una struttura come la spalla può svolgere funzioni relativamente semplici in un ampio spettro di specie animali - e questo può limitare le soluzioni strutturali convergenti anche in animali evolutivamente distanti. I fattori imprevisti e incorrelati che si presentano nel corso dell' evoluzione hanno favorito, per convergenza, solo poche" soluzioni" stabili riguardo alla forma della
..
~-
B)
A)
FASE
la _ lb 2.• _
• • • • ---- .•-
4° ELEVATORE EST.' ELEVATORE POST. FARINGOIOIDEO GENIOIOIDEO A STERNOIOIDEO ADDUTTORE FAR CL I FARCLE
•
•
•
•
RET.RATTORE
•
•
249
D)
C) ,0,
ii
~
25 0
Capitolo ottavo
Azione e percezione
scapola; chiaramente, i vincoli dello sviluppo [Alberch 1982a; Edelman 19 86 b; Shubin e Alberch 1986] devono svolgere un ruolo importante nel limitare l'evoluzione di forme nuove. In questo contesto, uno tra gli aspetti piu sorprendenti dell' evoluzione dei sistemi sensomotori è che, accanto a un perfezionamento dei sistemi di locomozione, si verifica parallelamente una, per cosi dire, esplosiva comparsa di strutture sensoriali specializzate (tab. IO). Nell' anfiosso, dove la contorsione assiale viene generata da una coppia di miotomi e da una notocorda muscolare, sono ancora assenti i sensi specializzati, compresi quelli preposti al controllo dell'equilibrio, ma nei missinoidei e nelle lamprede, liberi nuotatori, si osserva che l'organo della linea laterale, il sistema olfattivo e il sistema vestibolare sono associati a specializzazioni dei nervi branchiali e a una serie di configurazioni motorie controllate da un generatore di configurazioni (pattern generator) nel midollo spinale [Grillner e altri 19 82 ]. Con gli elasmobranchi appaiono probabilmente sulla scena evolutiva anche il cervelletto e fors'anche i nuclei talamici primitivi, quali stazioni intermedie per le differenti modalità sensoriali, contemporaneamente a una muscolatura ben distribuita ed efficace per nuotare agevolmente in condizioni in cui le correnti mutano rapidamente in tutte e tre le dimensioni spaziali. Lo sviluppo evolutivamente interessante è la rapida specializzazione parallela di tutte queste caratteristiche e il conseguente bisogno di coordinarle. Se una specializzazione sensoriale è buona, numerose assieme sembrano essere eccellenti (si veda la tab. IO). La radiazione verso le terre emerse e i conseguenti movimenti degli animali terrestri hanno aggiunto la complessità derivante dalI'evoluzione dei cinti articolari, dalle modificazioni dei centri di gravità, e dal bisogno di coordinare la sequenza dell' andatura. Il piano muscolo scheletrico che ne è derivato, per arti con struttura monopòde, zeugopòde e stilopòde e per i cinti articolari, è di tipo generale [Hinchliffe e Johnson 1980; Shubin e Alberch 1986]. Negli anfibi i movimenti dei cinti articolari si sono sovrapposti ai residui di movimenti assiali ancestrali dei pesci. Solo dopo la comparsa di varie specie di rettili sono osservabili forme nuove di movimento, che vanno dall' andatura bipede al volo, con notevoli specializzazioni funzionali negli arti anteriori e posteriori coordinate al movimento della coda. Con la comparsa, nei primati, di una vera e propria andatura bipede, le sofisticate specializzazioni, quali la manipolazione e la brachiazione, hanno richiesto un controllo ancora piu raffinato delle relazio-
25 1
ni percettive tra i movimenti di testa, collo e occhi e un' accurata interrelazione tra il camminare, l'afferrare e il mangiare [Grillner 1975,1977]. Non dobbiamo confondere i diversi stadi evolutivi di movimenti apparentemente simili tra loro, soprattutto perché questi stadi si riflettono in modificazioni nel SNC. L'anfiosso è in grado di produrre dei movimenti ritmici pur essendo privo del sistema vestibolare e del cervelletto. Dopo la comparsa dei primi ciclostomi, la maggiore flessibilità e adattabilità assiale è stata accompagnata dall'evoluzione dei nuclei vestibolari e del cervelletto. Nei teleostei, il cervelletto è già notevolmente evoluto. Sebbene l'attribuzione totale della funzione di coordinazione assiale al verme del cervelletto e della coordinazione visuomotoria ai lobi flocculonodulari appare semplicistica [Armstrong 1978; Ito 1984], tuttavia, è chiaro che un notevole sviluppo dei lobi laterali del cervelletto è andato di pari passo all' evoluzione della capacità di realizzare sofisticati movimenti nelle parti distali [Armstrong I978; Sarnat e Netsky 198r]. Le modificazioni evolutive in altre aree neurali preposte al controllo dell' attività motoria sono di gran lunga superiori a quelle verificatesi nelle aree sensoriali: come ha evidenziato Ulinski [r986], la variazione evolutiva piu significativa nei mammiferi rispetto ai rettili terapsidi non consiste tanto in un' ampia riorganizzazione delle connessioni talamo-corticali, quanto nel rapporto tra gangli basali e corteccia. In particolare, l'aspetto piu rilevante di questa transizione è il grande sviluppo dei nuclei motori, dei nuclei intralaminari del talamo e delle connessioni rientranti tra la corteccia e i gangli basali. Tutte queste osservazioni ci suggeriscono come i movimenti delle varie parti corporee, che nelle specie terrestri piu evolute devono essere estremamente coordinati, abbiano probabilmente origini evolutive diverse. I dati indicano che i movimenti assiali basati su generatori centrali di configurazioni motorie [per una rassegna, si veda Gallistel 1980] si sono integrati successivamente con le strutture vestibolari e cerebellari, con i rinforzi del controllo degli arti operati dal cervelletto e, in ultimo, con lo sviluppo dei gangli basali e del cervelletto laterale, e delle aree corticali specializzate per il controllo del movimento volontario di tipo fine. Il movimento può essere la risultante di qualunque combinazione delle componenti assiali, appendicolari e posturali che possono realizzare un certo gesto. Questo richiede i contributi varianti dei riflessi, dei generatori centrali di configurazioni e cicli difeedback efeed-forward. Tuttavia, nei mammiferi evoluti o nei primati queste componenti con diverse origini evolutive
L
25 2
Azione e percezione
Capitolo ottavo
può essere assolutamente rigido, suggerendoci che, qualunque mo-
si mescolano o si sovrappongono funzionalmente, oscurando, in parte, il fatto che i movimenti posturali, assiali ritmici, appendicolari ritmici e volontari delle dita richiedono gradi diversi di controllo centrale. I repertori dei gruppi neuronali che devono adattarsi selettivamente a tale complessità devono adattarsi epigeneticamente a queste combinazioni durante la vita dell'individuo. Questa panoramica indica che i sistemi motori dei mammiferi piti evoluti possono conservare delle connessioni che risalgono all'evoluzione dei generatori centrali di configurazioni, nonché ai vari tipi di riflessi e di servomeccanismi [GalIistel 1980]. Con la comparsa dei movimenti volontari e pianificati, queste componenti si sono integrate in strutture di coordinazione molto piti complesse. CosI, mentre la formazione reticolare del tronco encefalico contiene delle strutture che regolano i generatori di configurazioni, i movimenti piti variabili e volontari scaturiscono dalI'interazione tra corteccia, gangli basali e cervelletto, come vedremo tra poco [Evarts e altri 1984]. Si tratta di osservazioni in sintonia con !'idea secondo cui deve verificarsi un processo selettivo attuato dai repertpri per coordinare le configurazioni di movimento di un animale 6 • E un problema di categorizzazione che ogni individuo deve risolvere nel rispetto delle proprie caratteristiche. A questo punto possiamo vedere alcune implicazioni di questa tesi evolutiva. Non dobbiamo immaginare una relazione diretta tra le variazioni nei circuiti del SNC e le eventuali variazioni nell' apparato muscoloscheletrico. Non esiste un solo modo a priori ottimale di accoppiamento tra variazione muscoloscheletrica e variazioni nelle reti neurali. L'armonizzazione tra sistema nervoso e modificazioni evolutive nell' apparato muscoloscheletrico si è verificata in un primo tempo, probabilmente, tramite una selezione dei gruppi neuronali dei nostri antenati piti primitivi, a cui hanno fatto seguito le mutazioni e la selezione operanti sul cervello, che ne hanno modificato lo sviluppo, come sostiene l'ipotesi dei regolatori (si vedano i capitoli IVe VI), in un processo che, probabilmente, prevede la stabilizzazione delle sinapsi nelle fasi finali dello sviluppo. Inoltre, sono necessari ulteriori assestamenti nel repertorio secondario per adiuvare ossa e muscoli a sostenere i carichi,a cui è sottoposto l'individuo adulto. Ne deduciamo, quindi, che il rapporto tra cervello e muscoli non 6
253
dello fisso di anelli di controllo sul comportamento motorio, non è, in linea di massima, probabilmente corretto, almeno per i movimenti non automatici piti complessi. Le unità d'azione non sono i muscoli, le articolazioni o i semplici anelli a feedback , ma complessi funzionali o sinergie (configurazioni di movimento) presenti nell'organismo, che sono piti affini a gesti, a posture e alle rispettive transizioni [Greene 1971; Kelso e Tuller 1984]. Tali gesti vanno considerati come configurazioni da riconoscere da parte della selezione operante nel sistema nervoso. I fatti evolutivi appena descritti sono piti compatibili con quest'idea e ci predispongono a descrivere le prove funzionali o fisiologiche che le confermino.
4. Le basi funzionali dei gesti.
Per una rassegna piu recente sulle configurazioni di movimento si veda Fentress
[r99 2 ].
~
:.J
j
I:
ll k
(
)
Una delle prove piti dirette e convincenti dell'esistenza di complessi funzionali, o configurazioni, è stata proposta da Bernstein nei suoi ormai classici studi [1967; si veda anche Whiting 1984] sulla regolazione e la coordinazione dei movimenti. Bernstein comprese che i numerosi gradi di libertà propri dell' apparato muscoloscheletrico, associati a una serie di fattori cinematici e gravitazionali, rendono improbabile un controllo puntuale su ogni muscolo. La sua idea, alternativa, è che le diverse componenti del sistema motorio siano fuse in complessi o insiemi funzionali, definiti sinergie, che comprendono classi di configurazioni di movimento o gesti (fig. 47). Le sinergie non sono controllate una a una, ma sono strettamente interdipendenti, riducendo notevolmente il numero dei gradi di libertà del movimento. Queste sinergie hanno un comportamento degenerato. Bernstein sottolineò come nei movimeQ.ti complessi dei vertebrati non esista una relazione univoca tra una configurazione di impulsi motori e i movimenti che ne derivano. Questo dipende dal fatto che, una volta iniziato il movimento, le componenti dell'apparato muscoloscheletrico sono soggette indipendentemente alIe forze irreversibili a causa del loro legame cinematico, e, inoltre, su di esse agiscono le forze gravitazionali e inerziali. Come hanno sottolineato Kelso e Tuller [r984] in una rassegna sul pensiero della scuola sovietica, contesti diversi possono richiedere configurazioni di attivazione assai differenti per generare lo stesso movimento (fig. 47), mentre lo stesso schema di innervazione può generare i tipi di movimento piti eterogeneI.
254
Capitolo ottavo
Azione e percezione
Questo è, per quanto ne sappiamo, uno degli esempi piti notevoli di degenerazione nella funzione e nell'organizzazione del sistema nervoso. Il significato adattativo di questa degenerazione deve basarsi sul bisogno di accoppiare la funzione condizionata dai fattori evolutivi di cui abbiamo parlato nella sezione precedente. In una sinergia la covarianza dell' attività di un complesso di muscoli implica appropriate covarianze nei segnali neurali che li controllano, pertanto quello che a noi preme capire è il modo in cui le sinergie e 1'attività neurale centrale interagiscono. Il nostro pensiero a riguardo è che questa interazione dipenda da una selezione di specifici gruppi neuronali appartenenti a sistemi rientranti. I sistemi nervosi che si adattano alle sinergie muscolari affrontano problemi di categorizzazione e di specificità di fronte alla variabilità analoghi a quelli affrontati dal sistema percettivo quando incontra i segnali sensoriali (si veda il capitolo m). Questo significa che, nell' atto del movimento, i diversi neuroni di una popolazione devono adattare le proprie risposte. Recenti studi di Georgopoulos e collaboratori [Georgopoulos e altri 1984, 1986; Georgopoulos 1986] concordano con questa tesi e indicano che la generazione di un movimento verso una certa direzione dipende dall' attività combinata di complessi multineuronali
ì,,
Figura 47. Come suggerito da Bernstein [1967], i movimenti circolari effettuati dal braccio esteso in diverse posizioni sono realizzati da schemi di innervazione completamente differenti per traiettorie dello stesso tipo.
it hl
.
(~ .
,
...
L··
255
eterogenei per direzione, nel senso che i segnali corrispondenti alle diverse direzioni preferenziali variano da neurone a neurone. Questi studi, insieme al concetto di Bernstein di non univocità funzionale delle connessioni tra SNC e periferia, sono molto affini al concetto di degenerazione. Bernstein [1967] identifica le fonti di questo mappaggio degenerato: I) nell'anatomia, vale a dire, nel numero dei gradi di libertà di complesse catene cinematiche, nell'ecclettismo d'azione dei muscoli, nella variazione dell' azione in base alla disposizione dei segmenti articolari, e nella mancata esistenza di muscoli antagonisti fissi; 2) nella complessità meccanica delle catene cinematiche multisegmentate, la cui attività genera forze reattive varianti che obbediscono alle leggi di Newton; e 3) nella variabilità fisiologica degli impulsi effettori decisi nel cervello. La nostra conclusione è che gli effetti motori degli impulsi centrali sono decisi sia a livello centrale sia a livello periferico. Per esempio, nei movimenti ritmici degli arti non è plausibile che il cervello computi 1'algoritmo della posizione per compensare 1'arretramento del corpo in base alla terza legge di Newton. Deve intervenire la selezione in modo da ridurre il numero dei gradi di libertà nei movimenti periferici. Kelso e Tuller [1984], ricapitolando le teorie di Bernstein, sottolineano la corrispondenza tra alcuni aspetti delle sinergie o strutture coordinative, e i principi della teoria della selezione dei gruppi neuronali. Essi, al contempo, evidenziano la somiglianza qualitativa tra queste strutture coordinative e il comportamento lontano dall'equilibrio di sistemi dinamici dove si verifica la rottura della simmetria. Non è casuale la somiglianza tra il proposito di caratterizzare in questi termini gli eventi che formano le strutture durante lo sviluppo [si veda Harrison 1982] (cfr. il capitolo IV) e le penetranti concezioni di Bernstein sui movimenti, intesi come problemi morfogenetici. Due concezioni affini sono importanti nell' associare la teoria di Bernstein sulla funzione motoria e la teoria della selezione dei gruppi neuronali. La prima è la comprensione che l'analisi della biomeccanica degli arti è un problema di biologia dello sviluppo. I movimenti di un organismo sono concepiti come oggetti morfologici, cioè si sviluppano, reagiscono, e si evolvono secondo specifici modelli epigenetici. Gli studi effettuati sul passo e sulla corsa (fig. 48) dei bambini, usando il ciclografo e altre tecniche [Bernstein 1967], indicano che il sistema locomotorio si riorganizza per stadi epigenetici successivi ponendo nuovi problemi a cui il SNC deve adattarsi. Questo processo implica una minimizzazione dei costi energetici. La seconda
Figura 48. Modelli di andatura nella corsa in età diverse (strisce successive) secondo Bernstein [1967]. Schemi delle posizioni corporee durante le fasi del passo: nA(S), spinta verso il basso nella coscia della gamba posteriore, C(lt), spinta all'indietro da parte della gamba posteriore; m~, limite del sollevamento del ginocchio verso il retro; D(p) spinta all'indietro; E(lt), l'ultimo elemento dinamico della fase di sostegno. Il bambino in giovane età presenta solo lievi differenze tra il cammino e la corsa. La riorganizzazione biomeccanica che si accompagna al crescere dell'età pone nuovi problemi al SNC a cui deve adattarsi.
nA(S)
~ii
C(1t)
mB
D(p)
E(1t)
,ti ~' ~' il
1:f 1~) 1x ~ 'l~ì _____.~ w4Ì1!L~ g i t
Ji~W}t ..........
.........
: .......:
iir.\: ~
..
:<~ ~:
Azione e percezione
257
idea importante riguarda la distinzione tra le caratteristiche qualitative di movimenti e sinergie e le loro proprietà metriche, quantitative. Bernstein definisce topologiche, analogamente, ma senza una stretta somiglianza al senso matematico del termine (fig. 49), queste proprietà qualitative costituite da modelli di configurazioni spaziali e da forme di movimento. Egli ritiene che i movimenti degli organismi siano determinati da proprietà topologiche, cosi come lo sono le percezioni. Le proprietà metriche riguardano la lunghezza relativa e la scala metrica propria di ogni individuo. Entrambe queste proprietà devono venire adattate con opportune correzioni consentite da un sistema selettivo. Prima di approfondire quanto queste idee ben si sposino con la selezione dei gruppi neuronali, dobbiamo dare spazio alla tesi opposta. Possiamo farlo citando una rassegna in cui Gallistel [1980] ritiene spiegabile il controllo del movimento tramite configurazioni centrali basate su riflessi, oscillatori e servo meccanismi collegati gerarchicamente, dove il controllo piu generale è al vertice e quello piu specifico alla periferia. Il limite di questa teoria non risiede tanto nell'inesistenza di tali strutture, quanto nel fatto che esse non spiegano le ineludibili caratteristiche topologiche e metriche dei sistemi motori descritte da Bernstein. Inoltre, la teoria si trova in difficoltà quando cerca di spiegare le posizioni e i gesti concernenti gli aspetti adattativi del movimento, soprattutto i movimenti volontari e tra essi i gesti impiegati nel linguaggio [Mattingly e Liberman 1987]. NelFigura 49. «Topologia» secondo Bernstein [1967]. Questo termine viene adottato per tutti gli aspetti qualitativi della configurazione spaziale o forme di movimenti, in contrasto con gli aspetti metrici quantitativi. Gli esempi includono 1-5, classi topologiche di stelle a cinque punte; 6, classe topologica di numeri otto con quattro angoli; 7-14, classe topologica delle lettere A.
*~1:fr@ 3
2
4
5
~ AAA.?1AJA 6
7
8
9
IO
II
I2
I3
I4
258
Capitolo ottavo Azione e percezione
la teoria gerarchica di Gallistel, qualora volessimo spiegare la relazione tra i diversi elementi, dobbiamo invocare ad hoc un potenziamento neurale vagamente definito, basato su una rappresentazione o una informazione preesistenti. Questo dipende dal fatto che nella concezione di Gallistel il problema del movimento non viene concepito come parte di un problema piu generale, cioè, della formazione e del riconoscimento di configurazioni. Respingere una siffatta interpretazione gerarchica non significa rinnegare l'esistenza delle componenti invocate da Gallistel come parte di una spiegazione coerente. Molto prima di Gallistel, Grillner [I975] aveva fornito delle prove convincenti circa l'esistenza di generatori centrali dei movimenti ritmici. Non si tratta di un' antitesi al concetto di sinergia, ma semmai di un'integrazione. Per esempio, i movimenti assiali ritmici del nuoto rivelano degli automatismi, e i movimenti deambulatori degli anfibi rimangono legati a tali modelli, pur presentando delle sinergie. Inoltre, la sofisticata articolazione dei movimenti delle dita, comparsa piu recentemente, e la coordinazione dell'andatura nei vertebrati piu evoluti [Cohen e Gans I975] concordano pienamente con il concetto di sinergie in un sistema selettivo degenerato. Anche in alcuni sistemi semplici, tipici degli invertebrati, basati su generatori centrali di configurazioni [Getting e Dekin I985], è chiaro che una rete elementare può presentare circuiti diversi e configurazioni di attività che generano comportamenti natatori o di fuga ben caratterizzati 7. Possiamo concludere dicendo che, nella esecuzione di movimenti coordinati complessi, gli elementi funzionali sono costituiti dai gesti, dalle sinergie o da complessi funzionali, i quali rappresentano categorie o classi di configurazioni. Le loro caratteristiche degenerate, i loro stati cinetici (o lontani dall' equilibrio) e la necessità di accoppiarsi con strutture neurali concordano pienamente e sostengono il concetto di selezione dei gruppi neuronali. Pertanto, risulta difficile immaginare come un modello piu rigido (anche uno organizzato in
259
"sistemi d'azione" gerarchici) possa rendere compatibili le variazioni, se pure graduali, osservabili nel corso dell'evoluzione e dello sviluppo con la dipendenza dei gesti dal contesto e con il problema dei " gradi di libertà" delineato da Bernstein e dalla sua scuola [Bernstein I967; Greene I97Ù Vi è, inoltre, un intimo rapporto tra i problemi dell' evoluzione del complesso motorio e quelli dell' adattamento individuale necessario per coordinare le diverse sinergie.
5. Gesti e selezione dei gruppi neuronali.
7 Queste differenti configurazioni attuabili dalla stessa rete neurale sono il frutto della cosiddetta neuromodulazione (si veda il capitolo VII, nota 15). Il fenomeno è stato indagato soprattutto negli invertebrati, dove i circuiti si riorganizzano in seguito alla esposizione a neuromodulatori, che sono amine e peptidi [per delle rassegne cfr. Selverston 199 2 ; Harris-Warrick 1993]. I neuromodulatori consentono di trasferire uno o piu neuroni da un certo generatore centrale di modelli a un altro, di combinarli e di formare un circuito misto, conferendo enorme flessibilità a una stessa rete neurale. La logica soggiacente a questi circuiti interessa gli esperti di robotica e i progettisti di reti neurali artificiali [per delle rassegne si vedano Beer e altri 1993; Lansner e Ekeberg 1994].
,
L
Nella disamina precedente abbiamo visto alcuni problemi che sorgono quando cerchiamo di definire le strutture neurali atte a coordinare le sinergie. I) Qual è la natura del sistema rientrante capace di accoppiare i repertori degenerati dei gruppi corticali e sottocorticali alla degenerazione propria di una sinergia o gesto? 2) Quale relazione possiamo stabilire tra l'attività di un tale sistema e le singole mappe, descritta nei capitoli precedenti, e che cosa, in realtà, viene mappato e archiviato dopo che la selezione ha agito sull'attività sensoriale e motoria integrate? 3).Quale relazione esiste tra questo processo selettivo e la predisposizione o condizione interna di un animale ad agire [Evarts e altri I984] dopo un qualche evento sensomotorio? In altre parole, come possono la memoria o uno schema interno basato su una configurazione determinata dai sensi indurre la scelta della sequenza di movimenti opportuna? Si tratta di interrogativi profondi a cui potremo rispondere solo se saremo in possesso di ulteriori dati e protocolli sperimentali piu mirati di quelli attuali. Peraltro, nulla ci vieta di proporre una sintesi compatibile con la teoria della selezione dei gruppi neuronali, la quale possa essere un' eventuale fonte di ispirazione per esperimenti appropriati. Possiamo iniziare formulando un'ipotesi che ingloba tutte e tre le questioni: cioè, la selezione dei gruppi neuronali che determina la categorizzazione di gesti e posture e delle reciproche transizioni è la risultante dell'azione combinata delle sinergie, della coordinazione tattile e visuomotoria, e dell'azione dell'apparato vestibolare e del cervelletto. Per' gesto' intendo l'insieme degenerato di tutti quei movimenti coordinati che possono creare una certa configurazione avente un valore adattativo per l'individuo. Dopo questa congettura possiamo ipotizzare come la selezione dei gruppi neuronali spieghi la scelta dei gesti. A scopo dimostrativo
260
Figura 50. Schema di alcune delle componenti che creano un mappaggio globale. Le componenti essenziali sono: I) lamine sensoriali legate a complessi motori separati, capaci di campionamento disgiuntivo, come le retine di occhi connessi al sistema oculomotore, o i recettori specializzati nello sfioramento o per la cinestesia nelle dita, nella mano o nel braccio; 2) un mappaggio locale delle lamine sensoriali in aree recettive primarie che formano le mappe locali; 3) numerose aree secondarie mappate relative a ciascuna modalità per realizzare diverse risposte sottomodali ai campioni disgiuntivi connesse a loro volta ad aree motorie mappate; 4) diffuse connessioni rientranti tra le diverse mappe di ogni ordine, con il rientro definitivo verso la mappa locale primaria per la conservazione della continuità spaziotemporale; 5) aree sottocorticali (per esempio, ippocampo, cervelletto) per l'organizzazione di eventi sequenziali o lo smistamento dell'output; e 6) opportune variazioni posturali o di orientamento da parte dell' output del mappaggio per modificare la posizione e il campionamento delle componenti sensoriali del complesso motorio. Il movimento delle lamine sensoriali può indurre la correlazione dei caratteri quando queste stesse lamine stanno effettuando la rilevazione dei caratteri. Un certo mappaggio globale può consistere in contributi diversi da ciascuna delle diverse componenti e implica la correlazione input-output. Si tratta pertanto di una struttura dinamica che viene modificata nella fase in cui il campionamento da parte delle diverse lamine sensoriali e le correlazioni input-output vengono modificate dal movimento o dal comportamento. Ogni moqificazione può alterare la selezione dei gruppi neuronali all'interno dei componenti. E bene notare che un mappaggio globale è un sistema distribuito.
Capitolo ottavo
proporremo uno degli esempi piu studiati, cioè, le interazioni tra corteccia motoria, cervelletto e gangli basali, in quanto molti gruppi neuronali selezionati nelle diverse posture e gesti sono collegati da percorsi rientranti tra i gangli basali e la corteccia cerebrale e tra il cervelletto e la corteccia cerebrale. Le prove relative ai gangli basali sono limitate, mentre piu ampie sono quelle che riguardano il cervelletto [Ito 1984]; comunque, in entrambi i casi le funzioni definitive di queste importanti strutture non sono ancora del tutto comprese. Evarts e collaboratori [1984] ritengono che il cervelletto si comporti come un sistema ad anello aperto e controlli i movimenti direzionali, mentre i gangli basali agiscano come un sistema ad anello chiuso che regola i movimenti lenti di precisione, in modo molto simile alla corteccia. Nelle scimmie sveglie è possibile registrare immediatamente prima di un movimento un' attività sia nei gangli basali sia nel cervelletto. Anche le registrazioni nella corteccia cerebrale dimostrano un'attività immediatamente prima di un movimento. Nel nostro modello ipotizzeremo che la corteccia svolga diversi ruoli. Primo, deve mettere in relazione le popolazioni selezionate dei gruppi neuronali che ricevono gli input dai recettori muscolotendinei [Roland 1978] e dei gruppi che ricevono gli input visivi e tattili. Questo è possibile grazie alle proiezioni verso la corteccia parietale da parte delle aree corticali visive e sensomotorie [Mountcastle e altri 1975; Motter e altri 1987; Steinmetz e altri 1987]. Secondo, per mezzo dei campi motori frontali e delle connessioni con i gangli basali, le attività di tali gruppi neuronali devono potersi correlare a quelle dei gruppi dove sono rappresenti gli effetti combinati dei gesti. Queste connessioni, nel complesso, formano un mappaggio globale, vale a dire, un sistema dinamico costituito da molteplici mappe locali rientranti che accordano gli input sensoriali e l'attività motoria e che, interagendo cori regioni non organizzate a mappe, possono creare una rappresentazione degli oggetti e degli eventi (fig. 50). Il mappaggio globale è un'interazione coordinata tra i gruppi corticali che rappresentano un gesto. In questo sistema, i gangli basali costituiscono un fondamentale punto di riferimento per le sequenze gestuali, parte delle quali sono composte nelle aree motorie frontali, sia quelle nella corteccia sensomotoria coordinate dal cervelletto, sia i circuiti motivazionali del sistema limbico (si veda il capitolo XI). Una funzione fondamentale del cervelletto è collegare in sequenza le componenti sensomotorie di una sinergia tramite un meccanismo a feed-fotward. Da questo punto di vista, lo si può considerare come un centro di simulazione dei possibili gesti alternativi che si
!
i
Aree parietali, frontali, ecc.
t
.~
ir
Movimento, alterazione del campionamento da parte dei recettori sensoriali
262
Capitolo ottavo
originano in differenti anelli rientranti. Un' altra funzione del cervelletto proposta in questo schema è di tipo negativo: infatti, nei movimenti rapidi vengono soppresse le sinergie improprie che differiscono dall' obiettivo gestuale, astratto e categorizzato nella corteccia (le cui componenti coordinate sono già state simulate nel cervelletto). Naturalmente, il cervelletto svolge anche funzioni diverse da questo ipotetico ruolo censorio. Una conseguenza implicita nel considerare il ruolo censorio del cervelletto è il suo ruolo importante nelle prime fasi del comportamento, in quanto regola lo sviluppo iniziale delle connessioni rientranti tra i gruppi neuronali selezionati nella corteccia e nel midollo spinale. Tuttavia, dopo una reiterata selezione, il cervelletto svolge quest' attività solo per rinforzi occasionali o per lievi correzioni. Da questo punto di vista, il cervelletto, analogamente all'ippocampo (si veda il capitolo IX), non memorizza specifiche configurazioni di movimento, ma concatena le impreve. dibili componenti delle sinergie in un mappaggio globale 8. Può essere significativo il fatto che il cervelletto, malgrado abbia una struttura estremamente ripetitiva, sia organizzato in microzone corticali e in complessi corticonucleari [lto 1984], i quali presentano molte caratteristiche tipiche dei gruppi neuronali. La natura rientrante di tutti questi sistemi consente di selezionare un insieme degenerato di gruppi che collegano aree diverse in modo che le loro risposte corrispondano a prototipi gestuali, o a ciò che Bernstein [I967] ha definito un campo motorio. La selezione "enuclea" i movimenti effettivi pescando nell' ampio insieme costituito dalle componenti posturali e gestuali, spaziando dalle componenti meccaniche e muscolari dei complessi motori ai sofisticati adattamenti neuronali che compongono le mappe rientranti. E importante sottolineare che queste due componenti, cioè, quella meccanica e quella neurale, di per sé completamente indipendenti, si integrano nella creazione di un gesto o sinergia. La degenerazione di ciascuna componente del sistema consente che numerosi vincoli selettivi comH Questa consecutività d'azione del cervelletto è stata estesa da Edelman oltre alla percezione e all'azione ed è stata inglobata nella sua teoria neurale della coscienza, argomento del libro The Remembered Present: a Biological Theory of Consciousness [Edelman 1989b, trad. it. pp. 149-57]. In particolare, il cervelletto è la struttura neurale che, insieme ali 'ippocampo e ai gangli basali, «assicura che la successione possa essere messa in relazione a eventi neurali significativi e, soprattutto, all' azione. Molti di questi eventi sono necessari per la costruzione della coscienza, pur non contribuendo direttamente a essa» [ibid., p. 149]. Nella sua analisi del ruolo del cervelletto Edelman non ne considera deliberatamente il ruolo nell' apprendimento motorio [ibid., p. 157], peraltro ancora controverso [per una rassegna favorevole si veda Glickstein 1992; per una rassegna dubitativa si veda L1inas e Welsh 1993].
Azione e percezione
26 3
pensino il cospicuo numero di gradi di libertà propri delle sinergie. Nello stesso tempo, la natura selettiva delle interazioni neurali con tali sinergie consente loro di essere' trattate nello stesso modo con cui i sistemi sensoriali trattano i segnali ambientali: i rapporti categoriali e associativi possono essere ricomposti nel cervello a diversi livelli [prevalentemente nella corteccia; si veda Mountcastle e altri, I984] da ripetute risposte multimodali e motorie. Le varie sinergie e gli input sensoriali, possono favorire la selezione di costellazioni di gruppi neuronali che definiscono confini e oggetti·. Un'impostazione di questo tipo considera le sinergie e i gesti, dal punto di vista della teoria della selezione dei gruppi neuronali, come le principali fonti per la correlazione dei caratteri che definiscono le condizioni e gli oggetti ambientali. La correlazione dei caratteri operata dall'attività motoria consente di unire in una sequenza coerente le singole caratteristiche degli oggetti. Il sapore topologico della correlazione dei caratteri deriva, come ha sottolineato Bernstein [1967], dalla continuità intrinseca al movimento e all'attività del complesso motorio. Nella sua attitudine a definire gli oggetti, tale capacità complessiva di correlazione dei caratteri propria delle sinergie supera di gran lunga la capacità di rivelazione dei caratteri, che è una prerogativa dei sistemi sensoriali. Quindi, un movimento, definito tramite le sinergie, forma un tutt'uno con i sistemi sensoriali rivelatori dei caratteri, e risulta essenziale non solo per determinare la continuità dei confini di un oggetto, ma anche per correlare nella fase di categorizzazione e di generalizzazione i caratteri piu minuti e locali rilevati in parallelo dai sistemi sensoriali. La costruzione e il perfezionamento di una mappa globale sono, quindi, pilotati da un'incessante attività motoria, e si fondano sugli effetti dell' attività trascorsa e sull' apprendimento (si veda il capitolo XI). Si tratta di un mappaggio dinamico che dipende epigeneticamente da movimenti esplorativi e 9 I principi di integrazione sensomotoria e la teoria della selezione dei gruppi neuronali qui esposti da Edelman sono stati tradotti negli automi Darwin III [Edelman 1989&] e Darwin IV [Edelman e altri 199z&;Edelman 1993; si veda anche la Prefazione di Giulio Tononi al presente libro]. In particolare, Darwin IV è costituito da un "cervello" simulato in un computer che comunica telemetricamente con un dispositivo mobile, NOMAD (Neurally Organized Multiply Adaptive Device). che si muove nell' ambiente e svolge compiti" manuali" come selezionare e spostare bl9cchi colorati dopo averli" percepiti". La filosofia di questi automi condivide alcuni aspetti con quella parte della robotica che progetta automi composti da moduli indipendenti e privi di un controllo centrale, tuttavia, Darwin IV è piu plastico, meno rigidamente cablato, ha un maggiore realismo neurale e presenta un dialogo maggiore tra le parti che lo compongono.
26 4
Capitolo ottavo
da simulazioni motorie continue nell'ambiente [si veda Jeannerod 19 8 5]. In base a questa interpretazione, le sequenze motorie e le mappe globali che generano sinergie e gesti sono elementi essenziali per categorizzare. Tuttavia, è ovvio che la categorizzazione circostanziata e l'individuazione degli oggetti richiede necessariamente un input sensoriale parallelo e concomitante in arrivo dagli elementi guidati dalle sinergie. Perciò, prima di approfondire la questione del mappaggio globale, sarà bene riconsiderare alcuni sistemi sensoriali sotto questa prospettiva.
6. Gli influssi dell'attività motoria sulle lamine sensoriali: correlazione dei caratteri e campionamento parallelo. La disponibilità di strumenti di registrazione di singoli neuroni e il perfezionamento delle tecniche psicofisiche hanno reso fattibile uno studio dettagliato dei neuroni talamici e corticali specializzati nella rilevazione dei caratteri. Questo si è dimostrato vero nel caso della visione [Hubel e Wiesel I977], dove si è scoperto che nella retina esistono le cellule X, Y e W [Stone I983], ognuna con proprietà diverse, cosi come nell' area I 7, o corteccia striata, esistono cellule che rispondono a stimoli aventi un orientamento diverso. Questi studi ci hanno chiarito le idee sul grado con cui le proprietà di una rete si manifestano nella risposta di una singola cellula [per aggiornamenti teorici si veda Rose e Dobson I985]. È opportuno però ricordare che tali cellule appartengono a popolazioni ed è proprio questo aspetto, oltre alla morfologia, ai circuiti di connessione e alla biochimica, che conferisce a una cellula la sua peculiarità. I sistemi sensoriali sono costituiti, in genere, da numerose popolazioni di recettori nella lamina sensoriale, da numerose popolazioni di cellule gangliari specializzate, e da altrettante rappresentazioni della periferia sensoriale a livello del midollo spinale, del tronco encefalico, e della corteccia che, globalmente, riproducono la ricchezza dei campi recettivi. Questo è, altresi, in accordo con il fatto che i sistemi sensoriali sono organizzati secondo vie parallele multiple e diffuse connessioni rientranti. Nei capitoli ve VI abbiamo già analizzato la natura dinamica e degenerata delle presenti mappe locali in questi sistemi. Uno degli aspetti evolutivi piu straordinari dei sensi specializzati, che abbiamo già evidenziato, è lo sviluppo precoce del parallelismo,
Azione e percezione
I
,t
26 5
che si accompagna a una comparsa evolutiva esplosiva e simultanea di vie multimodali e di recettori specializzati. La nostra ipotesi è che questo sviluppo abbia enormemente favorito la categorizzazione adattativa degli eventi ambientali salienti grazie anche a nuovi tipi di movimento e al campionamento disgiuntivo. Sono due gli aspetti di questa categorizzazione che si ricollegano alla questione delle mappe globali. Il primo è che canali separati specializzati in una stessa modalità sensoriale o in modalità differenti consentono di creare delle coppie di classificazione. Ciascun canale può campionare una parte diversa dell'ambiente in conseguenza del movimento e della posizione e, grazie alle diverse caratteristiche dei recettori sensoriali, organizzati in lamine bidimensionali, può estrarre qualsivoglia carattere dal rispettivo campione. In seguito, questa astrazione può essere ulteriormente rinforzata oppure soppressa nelle parti successive della rete sensoriale. Tuttavia, il punto interessante è che la correlazione simultanea dei vari campioni disgiuntivi forma un insieme polimorfo che emerge dalla selezione dei gruppi neuronali, essi stessi inseriti da anelli rientranti in un mappaggio globale. Il secondo aspetto essenziale della categorizzazione è la definizione di un oggetto (e, soprattutto, della sua continuità) da parte dell' organismo. Si tratta di una questione molto importante, infatti, la categorizzazione delle superfici, o tessiture (textures) [Julesz 1984], è necessaria, ma non sufficiente per definire gli oggetti, in quanto la continuità di un contorno non è in sé definibile topologicamente da una lamina statica di recettori. Tuttavia, ci sono diversi modi con cui un "oggetto" può essere categorizzato per mezzo del movimento o di segnali relativi alla profondità. Per esempio, il movimento relativo sistematico di un oggetto rispetto a un altro attrav,erso uno sfondo visivo può informarci sulla continuità dei contorni. E ciò che sembra verificarsi in neonati di quattro mesi, i quali non hanno ancora sviluppato la prensione diretta [Kellman e Spelke 1983]. Analogamente, piccole variazioni nelle informazioni sulla profondità sono altrettanto utili nel definire un contorno. È proprio nella definizione di un oggetto che viene alla luce il rapporto tra le diverse forme di attività motoria e l'input sensoriale. Lo sviluppo evolutivo dei movimenti oculari, i movimenti della testa e del collo, e i moduli evolutivamente coordinati di questi movimenti, uniti alla estensione degli arti sono aspetti adattativi essenziali. Infatti, non solo predispongono gli animali a reagire adeguatamente, ma consentono di mettere in relazione l'estrazione dei caratteri operata dalle lamine sensoriali e la correlazione globale dei caratteri che
266
Azione e percezione
Capitolo ottavo
ci consente di definire un oggetto. Questo è un punto saliente della correlazione tra movimento e categorizzazione. Quindi, le risposte percettive richiedono sia speciali strutture parallele nei sistemi sensoriali, sia un campionamento dell'ambiente guidato dalle risposte motorie sotto forma di azioni continue che realizzino la categorizzazione adattativa, il preambolo della generalizzazione. I requisiti strutturali essenziali per svolgere un'attività di questo tipo sono i seguenti: I) L'esistenza di complessi motori, di lamine sensoriali e dei re-
lativi substrati neuronali per realizzare la correlazione dei caratteri appena definita. Tali complessi neuromuscolari sono essenziali per determinare sia il moto relativo sistematico delle cose in movimento solidale (" oggetti") sia il movimento dell'organismo stesso. Inoltre, essi rappresentano la base per quelle proprietà di continuità, le cosiddette equivalenze gestuali, svincolate da una scala di grandezza, definite da Bernstein proprietà topologiche (fig. 49). La realizzazione di gesti aventi tali proprietà è una manifestazione dell'apparato muscoloscheletrico e del substrato neurale che lo controlla i gesti non vengono appresi in senso stretto, ma anticipano l'apprendimento quale parte della categorizzazione percettiva. Al contrario, le proprietà metriche degli oggetti e delle parti corporee, insieme alla valutazione dello spazio circostante [Mountcastle e altri 1984; Motter e altri 1987; Steinmetz e altri 1987] devono venire apprese. 2) L'esistenza di lamine sensoriali multiple che rilevano in parallelo i caratteri presenti su strutture mobili, insieme a substrati neurali specializzati nelle diverse modalità sensoriali. Gli specifici caratteri estratti sono per lo piu determinati evolutivamente dai recettori e dai trasduttori delle lamine sensoriali, e dalla loro disposizione relativa su arti, testa e tronco. 3) Le connessioni rientranti tra i gruppi neuronali del sistema motorio e quelli del sistema sensoriale. Questo consente che gesti specifici abbiano un nesso con la definizione di un oggetto, quale risultato del movimento [Ullman 1979]. È proprio questa combinazione in un mappaggio globale che consente, sotto forma di variazione sinaptica, la memorizzazione astratta della categorizzazione corrispondente a un gesto o a una postura.
4)
26 7
Lo sviluppo di complesse connessioni tra sequenze d'azione apprese, e il conseguente perfezionamento del campionamento dell'ambiente da parte delle lamine sensoriali. Svilupperemo ulteriormente questo tema nei capitoli IX e XI.
Diversi aspetti di questo schema richiedono un approfondimento. Il primo è lo straordinario grado di parallelismo rintracciabile in ogni sistema sensoriale. Da questo punto di vista, l'occhio dei mammiferi e le aree recettive associate costituiscono un assemblaggio di sistemi a campionamento parallelo che serve per l'elaborazione del contrasto, del contorno, del colore, della disparità oculare e del movimento [Zeki 1969, 1971, 1978b, 1981, 1983; Van Essen 1979; Cowey 1981]. Il risultato della selezione di opportuni gruppi neuronali è una covarianza, non un'immagine o un abbozzo (sketch) [si veda Marr 1982, per un punto di vista contrario]'''. Per esempio, la presenza di almeno tredici diversi centri visivi nelle regioni corticali e sottocorticali non richiede un "taccuino" centrale, come farebbero intendere alcune teorie psicofisiche e computazionali [Marr 1982]. Le risposte adattative possono invece scaturire dall'insieme di connessioni rientranti nel sistema e dalle connessioni con i gruppi neuronali di ordine superiore che mettono in relazione il carattere percettivo al gesto. Da questo schema deriva anche che un oggetto o l'organismo stesso non hanno un solo centro per le coordinate di riferimento. Mentre i sistemi di campionamento e i sistemi di movimento sono intrinsecamente euclidei [O'Keefe e Nadel 1978], non esiste un singolo asse incentrato sull' oggetto o sull' organismo. Gli assi coordinati diventano necessari in funzione delle proprietà del canale sensoriale o dell'azione. Per esempio, la definizione di una relazione verticale rispetto alla forza di gravità da parte del sistema vestibolare può creare un asse indipendente rispetto agli altri determinati simultaneamente dall' organismo. Ma, la definizione di un oggetto tramite il suo moto sistematico relativo attraverso o dietro un altro oggetto è sufficiente per liberare la categorizzazione dell' oggetto stesso dalla posizione specifica che la sua immagine assume sulla retina. Infatti, IO David Marr sosteneva che la percezione visiva avviene per gradi, e si verifica una ricostruzione della scena visiva progressivamente piu completa a partire da quelli che egli definisce gli abbozzi primari (primal sketches), 'dove viene catturata l'essenza della scena e si trascurano molti dettagli. Il passaggio da un grado al successivo avviene per mezzo di calcoli [per una rassegna su questa concezione computazionale della visione, si veda Poggio 1984].
268
Capitolo ottavo
le diverse modalità, sottomodalità e canali definiscono diverse origini delle coordinate simultanee e indipendenti, o quasi indipendenti. Considerando tali sistemi di coordinate, dobbiamo notare l'ordine delle diverse scale di grandezza nelle attività sensoriali e motorie - a livello posturale, la scala riguarda l'intero organismo, a livello gestuale riguarda gli arti e a livello sensoriale può essere molto piu confinata. Queste diverse scale, secondo la nostra teoria unitaria, sono armonizzate dal rientro. (Lo stesso discorso vale in riferimento alle scale temporali; si veda la discussione evolutiva sul sistema visivo di Pseuàemys, svolta nel capitolo VI). Stando a questa interpretazione, la formazione di categorie motorie da parte di un organismo ha una notevole dipendenza dalle caratteristiche fisiche dei suoi recettori e da come si sono disposti sul corpo nel corso dell'evoluzione. Con questo non vogliamo banalmente affermare che se i coni non esistessero non sarebbe possibile la sensazione dei colori. Piuttosto, vogliamo intendere che la struttura fisica dei coni e dei bastoncelli o della coclea sono stati adattati dall'evoluzione per estrarre le caratteristiche adattative essenziali, e che la funzione delle reti neurali di ordine superiore non è quella di "computare", ma di mettere in relazione queste proprietà astratte per mezzo di un'ulteriore selezione rientrante tra popolazioni selezionate di gruppi neuronali guidati dal movimento. Introducendo la selezione dei gruppi neuronali, con tutto il suo potenziale combinatorio, la natura dei trasduttori e il loro rapporto con il complesso motorio diventano i fattori determinanti della capacità di un sistema di questo tipo di categorizzare e generalizzare. Alcune delle teorie esposte possono sembrare simili ai concetti di permessi (affordances) e di ottica ecologica sviluppati da Gibson [1979] e da altri scienziati [Turvey 1977). Restano, comunque, delle profonde differenze tra la teoria della selezione dei gruppi neuronali e la cosiddetta percezione diretta [per una critica di quest'ultima teo- . ria, si veda Ullman 1980). La selezione dei gruppi neuronali è un processo complesso e molto indiretto e, a differenza della teoria di Gibson, si riferisce soprattutto alla struttura e al carattere delle risposte del substrato neurale determinate dal comportamento di un animale. Inoltre, gli aspetti centrali della selezione dei gruppi neu11
" Concetti affini, per quanto imprecisi, potrebbero essere" opportunità" o "appi. glio". Affordance è un concetto coniato da Gibson per indicare che gli oggetti intorno a noi acquistano un significato in quanto ci permettono di fare delle cose con essi, a essi o in reazione a essi.
Azione e percezione
269
ronali sono la categorizzazione e la generalizzazione guidate dall' azione. Questo richiede una definizione degli oggetti prima di caratterizzarne estesamente i tratti salienti. La teoria di Gibson [1979] rileva l'importanza dell'informazione nella tessitura, nella configurazione, nel flusso ottico e negli aspetti geometrici generali dell'ambiente. Nella selezione dei gruppi neuronali questi aspetti possono fornire i segnali - nello stesso senso per cui la visione preattentiva rappresenta la base per i modelli basati sui texton 12 [Julesz 1984] ma, l'evento che conta è discriminare gli oggetti fondendo in un mappaggio globale le correlazioni dei caratteri generate dai gesti e l'estrazione dei caratteri originate dalle risposte coordinate delle lamine sensoriali in movimento. L'impostazione ecologica ha avuto il merito di concentrare l'attenzione sulle combinazioni di stimoli che eccitano simultaneamente le diverse lamine recettoriali, tuttavia, ha sorvolato sulla questione della categorizzazione e ha ignorato il problema della natura dei sistemi neurali e del campionamento motorio continuo [Held 196 l, 1965] congegnato dall'evoluzione per risolvere questo enorme problema di adattamento. Teorie successive sull'elaborazione dei segnali visivi, come quelle proposte da Marr e collaboratori [Marr 1982], hanno notevolmente perfezionato il pensiero di Gibson, senza per questo essere d'accordo con l'idea che il mondo sia abbastanza costante da consentire la percezione diretta [si veda Ullman 1980). Peraltro, la teoria sviluppata nel nostro libro differisce notevolmente dal computazionalismo di Marr: infatti, rifiuta !'idea che il sistema nervoso computi una funzione. Il comportamento selettivo di complessi o gruppi neuronali può essere descrivibile con alcune funzioni matematiche; in questo modo, per esempio, si possono descrivere le proprietà fisiche dei recettori, ma ci appare cosi improbabile che i neuroni eseguano la computazione di un algoritmo, quanto è improbabile che leoni e antilopi interagendo computino le equazioni di Lotka-Volterra. Come abbiamo già affermato, la teoria della selezione dei gruppi neuronali non concepisce la formazione diretta delle immagini, e sembra fuorviante impiegare !'idea di un abbozzo [Marr 1982] che riassuma in sé le complesse correlazioni dei diversi canali di rivelatori o di estrattori di caratteri in una singola mappa. Queste correlazioni sono in sé essenziali, ma sono molto astratte e rappresentate in popolazioni neuronali localizzate in siti diversi che non " Texton: non esiste la corrispettiva traduzione italiana; il termine, coniato da Bela Julesz, indica l'elemento fondamentale per l'analisi percettiva delle tessiture (texture).
27 0
Capitolo ottavo
Azione e percezione
possono, da sole, categorizzare gli oggetti. Qual è allora 1'0perazione complessiva grazie a cui si realizza tale categorizzazione, e per mezzo
Sembrano, inoltre, necessarie numerose interazioni supplementari che non conservano la topologia locale o i caratteri dell' oggetto. Si tratta di interazioni attuate da proiezioni verso zone, come i gangli basali e il cervelletto, prive di vere e proprie mappe somatotopiche, e che si verificano anche nella fusione tra input secondari multimodali e gruppi neuronali presenti in aree organizzate a mappe, come la corteccia parietale" [Mountcastle e altri 1975, 1984; Mountcastle 1978]. Probabilmente, è in queste aree che si verifica la maggior parte delle correlazioni e delle categorizzazioni degli input paralleli. Comunque, dobbiamo notare che si tratta sempre di aree connesse, tramite anelli rientranti, a mappe presenti in aree recettive primarie, alla corteccia sensomotoria, o a nuclei aventi un'organizzazione somatotopica; senza tale rientro tra mappe, non sarebbe conservabile alcuna continuità spaziotemporale. All'interno di tali reti rientranti vi sono sequenze di segnali da regioni mappate a regioni non mappate, e viceversa. Sono proprio i segnali in sequenza nella rete, correlati dal rientro, che consentono di conservare nelle aree recettive primarie un rapporto con i segnali coerenti originati in una porzione dell' ambiente stabile nel tempo. Il mappaggio globale che ne scaturisce comprende gli input sensoriali, ma anche i risultati dei gesti motori, definendo sia la topologia sia un sistema di misura per l'animale (fig. 50). La struttura dinamica di un mappaggio globale viene conservata, rigenerata e modificata dall'attività motoria continua e dalle ripetizioni. A questo punto possiamo considerare il mappaggio globale come la base per le risposte dipendenti dall'insieme [Evarts e altri 1984]. Nella misura in cui i caratteri sensoriali estratti e i gesti motori generano dei segnali diretti ai gruppi neuronali di ordine superiore, viene compiuta una categorizzazione basata su entrambi. Ci attenderemmo che le interazioni tra i gruppi corticali frontali, i gangli basali, e la corteccia sensomotoria attivino quei gruppi della corteccia sensomotoria che insieme coordinano le loro risposte verso specifiche attività motorie. L'innesco delle risposte dei gruppi opportuni nella corteccia sensomotoria dipende dai segnali della corteccia frontale e dei gangli basali. I segnali specifici diretti ai gruppi muscolari prossimali e le conseguenti risposte del sistema per collegare parti in' sequenza delle sinergie sono perfezionati dalla coordinazione e dalla
di quali strutture? La nostra teoria asserisce che la categorizzazione è realizzata dai mappaggi globali.
7. I mappaggi globali. Nei capitoli precedenti abbiamo considerato l'origine e la natura delle mappe locali nel SNC come, per esempio, quelle della corteccia somatosensoriale. In questo capitolo abbiamo sostenuto che tanto le sinergie quanto gli input sensoriali guidati dalle sinergie sono necessari in parallelo per consentire una categorizzazione adattativa in un sistema selettivo. Nell'applicare tale idea alla selezione dei gruppi neuronali ci siamo posti diversi interrogativi sul rapporto tra questa concezione e la formazione delle mappe. Un aspetto delle risposte selettive dei gruppi neuronali alle sinergie è già stato trattato. A questo punto possiamo riesaminare come le mappe interne e le strutture dei gruppi possano favorire la scelta dei movimenti opportuni. Questo ci consentirà di vedere nei capitoli restanti che cosa viene archiviato in segl!ito agli stimoli percettivi che accompagnano la postura e il gesto. E utile, sin dal principio, evidenziare un' asimmetria di fondo nelle mappe sensoriali e nelle mappe motorie. Dal punto di vista operativo, una mappa sensoriale è indagabile registrando le risposte dei neuroni cerebrali agli input periferici. Una mappa motori a viene costruita stimolando direttamente i neuroni nella corteccia, nel colHcolo o in altre regioni che !=onvogliano gli impulsi ai complessi motori o registrando tali neuroni nella loro attività [Evarts e altri 1984; Georgopoulos e altri 1984]. Sia le mappe sensoriali che quelle motorie definiscono un'organizzazione somatotopica, ma lo fanno con due procedure completamente diverse. Tuttavia, il fondamento del mappaggio locale è un sito (per esempio, la corteccia) dove possono verificarsi correlazioni rientranti. Questo è particolarmente significativo perché in un sistema rientrante multiplo è importante associare le risposte distinte, ma relative alla continuità spaziotemporale degli oggetti. Se non esistessero dei siti dove si verifica la correlazione neurale degli input sensoriali e delle risposte motorie con le proprietà di continuità del segnale in input, sarebbe impossibile, persino in un sistema rientrante, connettere in tempo reale i diversi e separati caratteri paralleli correlati dal movimento.
27 1
~
" I partcolari anatomici, fisiologici e comportamentali della integrazione tra le di· verse modalità sensoriali e l'attività motoria sono analiticamente descritti nel libro The Merging 01 the Senses di Barry Stein e Alex Meredith.
27 2
Azione e percezione
Capitolo ottavo
inibizione generate dal cervelletto e devono rappresentare associazioni apprese (si veda il capitolo XI) all'interno di questo complesso percorso rientrante. Ciò che scaturisce unendo i gruppi con questo percorso è una forma di categorizzazione - una manifestazione dell' accompagnamento di gesti con una varietà di caratteri. L'essenza dell' apprendimento e della memoria deriva sia dalle relazioni tra le attività di gruppi neuronali selezionati e connessi dal rientro e resi coerenti dalla presenza di un oggetto, sia dalle relazioni che si stabiliscono attivando le connessioni già presenti tra gruppi appartenenti a singole mappe incluse in un mappaggio globale. Da questo punto di vista, percezione, risposte motorie e' memoria scaturiscono necessariamente da connessioni rientranti tra nuclei e lamine diversi; il ruolo di questo mappaggio globale è consentire delle ricategorizzazioni sensomotorie dinamiche e continue degli oggetti. Come vedremo nel capitolo XI, la scelta o il comportamento dipendente dall'insieme deve scaturire dall'attivazione differenziale di questi mappaggi globali, la quale poggia sia su valori stabiliti evolutivamente sia sull'apprendimento.
8. Riassunto. Come preambolo alla disamina della categorizzazione e della memoria, che svilupperemo nel prossimo capitolo, ci può essere d'aiuto riassumere !'ipotesi sull' azione e la percezione come l'abbiamo proposta in questo capitolo. Secondo la teoria della selezione dei gruppi neuronali, le unità d'azione sono complessi funzionali per i gesti e le posture, le cui componenti muscolo scheletriche formano un insieme degenerato. Riteniamo che l'accoppiamento tra gli elementi di questo insieme e i circuiti rientranti degenerati sia la base per un' azione strutturata. I gesti, cioè l'insieme di tutti i movimenti coordinati che producono una configurazione specifica, si trovano di fronte agli stessi problemi di specificità e di varietà incontrati dai segnali sensoriali. Da questo punto di vista, l'azione è fondamentale per la percezione, e le lamine sensoriali e i complessi motori devono operare di concerto affinché si realizzi la categorizzazione percettiva. La discriminazione degli oggetti si verifica (almeno nelle fasi iniziali) combinando le correlazioni dei caratteri, che nascono dai segnali sensoriali accoppiati con i gesti, e le estrazioni dei caratteri originate dalle risposte multimodali delle lamine sensoriali. Considerazioni di tipo strutturale, evolutivo e funzionale eviden-
.~
~
i'-,
273
ziano l'inadeguatezza dei modelli a elaborazione di informazione del movimento basati su anelli di controllo, le cui unità di azione sono i muscoli, le articolazioni o l'organizzazione gerarchica afeedback. Un'ulteriore difficoltà di questi modelli è che devono invocare un, vagamente definito, "potenziamento" neurale a livello sensoriale per spiegare la scelta delle azioni [Hebb 1949; Bindra 1976; Gallistel 1980]. Invece, nel nostro modello la scelta si basa su una selezione differenziale dei mappaggi globali. Come vedremo nel capitolo XI, questa selezione scaturisce dall'interazione tra variabili etologiche e apprendimento convenzionale, la quale richiede l'esistenza a priori di categorie percettive basate sulle attività svolte sia dalle componenti sensoriali e sia da quelle motorie dei mappaggi globali. Il contributo principale ed essenziale dei complessi motori alla percezione è la correlazione dei caratteri, che emerge dalle proprietà di continuità del movimento e dalla messa a fuoco continua dei segnali sensoriali, creando dei movimenti posturali e gestuali. Come ha suggerito Liberman [Mattingly e Liberman 1987J, le correlazioni dei gesti sono fondamentali per riconoscere il linguaggio, forse il piu sofisticato tra i sistemi di categorizzazione percettiva. Riteniamo che la componente neurale essenziale per la categorizzazione percettiva sia il mappaggio globale, che consiste in: l) sistemi rientranti multipli comprendenti aree della corteccia dove sono rappresentate delle mappe degli input sensoriali e delle risposte motorie parallele e in tempo reale; 2) connessioni dalle regioni mappate verso regioni non mappate (come i gangli basali e, di ritorno, connessioni alle regioni mappate; 3) la correlazione, operata da una segnalazione rientrante di tipo fasico, di segnali neurali che si succedono in tempo reale, la quale consente di conservare una relazione tra le mappe locali presenti nelle aree ricettive primarie e i segnali coerenti originati in una porzione di ambiente in seguito a una attività motoria. Il modo in cui può formarsi la correlazione dei caratteri a partire dal movimento affinché si realizzi la selezione dei gruppi neuronali nelle mappe sarà approfondito nel capitolo X, quando descriveremo le prestazioni di un automa capace di riconoscimento selettivo. Durante la percezione, la categorizzazione dei caratteri continuamente correlati dai gesti serve per definire un equivalente di un oggetto, che è simultaneamente comparato ai caratteri estratti dalle lamine sensoriali. La coordinazione continua si verifica per mezzo del rientro e del campionamento parallelo nel mappaggio globale, i quali consentono il riconoscimento di un insieme polimorfo; nel capitolo X ci occuperemo anche di un esempio funzionale di tale coordinazione.
274
Capitolo ottavo
Come abbiamo già indicato a proposito dei fatti evolutivi, le diverse componenti potenzialmente coinvolte nei mappaggi globali possono ampliarsi o ridursi, secondo la specie. L'aspetto importante è che i mappaggi globali alleviano dalle difficoltà di ordine evolutivo di accoppiare le risposte centrali a mutamenti nei complessi motori: la selezione dei gruppi neuronali, implicando il mappaggio globale, consente un accoppiamento immediato, durante l'esistenza dell'individuo, alle nuove variazioni sensomotorie che si sono evolute nella periferia, facil~tando quello che, altrimenti, sarebbe un vincolo di sviluppo inesorabilmente restrittivo. La coordinazione necessaria a una certa specie per la categorizzazione operata dal mappaggio globale richiede un certo tempo e la memoria. Secondo la nostra teoria, percezione, risposte motorie, e richiamo mnestico sono intimamente connessi dall' attività del mappaggio globale in un incessante processo di ricategorizzazione degli oggetti che, come dimostreremo nel prossimo capitolo, è il fondamento della memoria.
Capitolo nono Categorizzazione e memoria
Sintesi dell'argomento fin qui svolto, p. 275. - La memoria come ricategorizzazione, p. 277. - Definizioni preliminari, p. 278. - La categorizzazione nella specie umana, p. 280. - La categorizzazione nei piccioni, p. 284. - La categorizzazione degli oggetti nei neonati, p. 288. - La categorizzazione dei suoni linguistici nei neonati, p. 291. - Altri esempi, p. 292. - Una sintesi sui fenomeni di categorizzazione, p. 294. - I fondamenti neurali della generalizzazione, p. 297. - Le classi naturali e gli insiemi polimorii, p. -299. - Coppie di classificazione e rientro, p. 302. Una concezione nuova della memoria, p. 303.
I.
Introduzione.
Il mondo si presenta sotto innumerevoli aspetti diversi, e cosi dicasi per gli stati di un animale, che, per sopravvivere, ha bisogno di un sistema che adatti i suoi stati a quelli dell' ambiente. Se pensiamo alle cosiddette funzioni cerebrali superiori, tali adattamenti diventano estremamente sofisticati. Grosso modo, possiamo cosi sintetizzare la nostra concezione sulle basi strutturali di tali funzioni come l'abbiamo sviluppata nel libro: meccanismi epigenetici attivi nello sviluppo generano, all'interno di nuclei e lamine già evolute e nei diversi individui, delle strutture molto variabili e uniche per connessioni intrinseche Queste strutture sono gli elementi che formano numerosi gruppi neuronali degenerati nei diversi repertori aventi connessioni estrinseche' che consentono la diffusione dei segnali rientranti. Il mappaggio e l'organizzazione somatotopica sono comparsi nel corso dell' evoluzione per far si che la continuità spaziotemporale degli oggetti abbia dei punti di riferimento costanti quando interagisce con i sistemi rientranti. Dal punto di vista funzionale la ragione evolutiva per cui nei diversi taxa si sono formate strutture cerebrali varianti è stata quella di adattarsi alle modificazioni delle I.
.J
I
Z
Le connessioni all'interno dei nuclei e delle lamine stesse. Le connessioni tra nuclei e lamine diverse.
27 6
Capitolo nono
Categorizzazione e memoria
lamine sensoriali e dei complessi motori. L'enorme grado di parallelismo nei mappaggi globali presente in questo sistema favorisce un campionamento indipendente dell' ambiente via via piu sofisticato, grazie a sottomodalità distinte, modalità diverse, o interazioni sensomotorie combinate. I complessi motori che attuano il comportamento adattativo, quando interagiscono con i segnali provenienti da tali mappaggi, consentono al sistema nervoso di correlare i caratteri, di categorizzare .le invarianze topologiche e il flusso continuo delle astrazioni sensoriali deriyate dal rilevamento dei caratteri, il quale si svolge in parallelo ed è guidato dall'attività motoria. Qualunque sia la forma sotto cui vengono memorizzati, i repertori modificati dai segnali sensoriali, che a loro volta riflettono la topologia motoria rappresentata nei mappaggi globali, devono essere" decorati" con segnali sensoriali paralleli aventi una risoluzione superiore. Gli elementi dei mappaggi globali devono poter affrontare eventi nuovi, pur conservando i benefici di una selezione favorevole; questo è, in parte, reso possibile dalle regole sinaptiche che incrementano le variazioni correlate a breve termine per mezzo di variazioni a lungo termine, pur assicurando una fonte di variazione nell'operazione della rete'. Questo riassunto fa emergere una questione centrale relativa all'attività globale del cervello: qual è la natura della categorizzazione, della generalizzazione e della memoria, e ancora, come può la loro interazione mediare le relazioni continuamente cangianti tra esperienza e novità? La parola' memoria', con tutte le sue sfumature, è stata riferita a numerosi e diversi livelli operativi di un sistema, a partire dalle molecole sino alle grandi astrazioni semantiche degli organismi sociali. A livello funzionale, la memoria è stata classificata come procedurale o dichiarativa, semantica o non semantica, a breve o a lungo termine [si vedano N,orman 1969; Nilsson 1979; Neisser 1982; Squire e Butters 1984]. E stata anche indagata meccanicisticamente studiando la plasticità neurale, la gemmazione delle terminazioni nervose, le modificazioni chimiche nella sinapsi, e il condizionamento, senza una chiara distinzione nei livelli d'uso delle diverse terminologie [Thompson e altri 1983]. In questo capitolo intendo proporre una tesi radicale, cioè, che la memoria sia una potenziata capacità nel creare classi o nel generaliz-
277
zare in modo associativo, e che non si tratti, quindi, di un archivio di caratteri o attributi degli oggetti in forma di elenco. L'unità minima che può realizzare tale" memoria ricategoriale" è il mappaggio globale rinforzato dall'apprendimento (capitolo XI), entrambi importanti per la sopravvivenza. Ne deduciamo che gli elementi necessari e sufficienti per la memoria non risiedano solo nei mappaggi globali, ma anche in quelle strutture neurali preposte agli aspetti edonici 4, o carichi di significato, del comportamento. Se desideriamo capire pienamente la memoria come ricategorizzazione riportandola alle strutture neurali, dovremo prima comprendere la categorizzazione (il compito di questo capitolo), per poi considerare un esempio concreto di rete selettiva capace di emulare un mappaggio globale, adatta, cioé, per svolgere questa funzione (capitolo x), e, infine, considerare il rapporto tra categorizzazione e apprendimento (capitolo XI). Finché questi compiti non saranno completati, il concetto di memoria come ricategorizzazione non sarà stato visto in tutti i suoi aspetti. Questa nuova concezione della memoria si regge su due pilastri: la struttura dei mappaggi globali in un sistema selettivo, e la natura della categorizzazione percettiva in sé. Il primo aspetto lo abbiamo già trattato nel capitolo precedente e vi faremo ancora riferimento, in relazione alla memoria, nel capitolo XI, dedicato all' apprendimento. Tuttavia, prima di addentrarci nel concetto di memoria come ricategorizzazione, dovremo dedicare buona parte di questo capitolo alla natura della categorizzazione in sé, poiché ritengo che la memoria risieda principalmente nelle strutture neurali ad essa preposte. Dovremo giustificare questa asserzione, in quanto la maggior parte degli studi sulla memoria non attribuisce alla categorizzazione un ruolo preminente. Al contrario, molti studi sulla memoria sono di natura cognitiva e si ricollegano all'elaborazione d'informazione, al linguaggio, alla coscienza, e ai concetti del sé; in altre parole, si riferiscono alla memoria dichiarativa', la quale presenta una spiccata 4 Le strutture neurali implicate negli aspetti edonici del comportamento corrispon. dono al sistema limbico (si veda il Glossario). , La memoria dichiarativa, o esplicita, è una forma di memoria in cui i fatti o gli eventi registrati, quali parole, scene, facce e storie, vengono richiamati consapevolmente e sottoposti a riflessione verbale o ad altra forma di espressione esplicita; l'ippocampo e alcune strutture del diencefalo sembrano fondamentali nella sua formazione. Essa viene a sua volta classificata in memoria episodica (la memoria autobiografica che include il contesto spaziotemporale) e in memoria semantica (memoria sui fatti generali del mondo) [per una rassegna sulla memoria dichiarativa e non dichiarativa si veda Squire I992; ai Sistemi di Memoria è dedicato il fascicolo monotematico del «Journal of Cognitive Neuroscience», IV (I992), n. 3] .
, Una spiegazione del rapporto tra variazione a breve termine e variazione a lungo termine è presente nel capitolo VII, paragrafo 5.
ì~'.
ii .
l!
27 8
Capitolo nono
componente semantica [Neisser 1982; Squire 1982; Squire e Butters 1984]. La complessità dei meccanismi concettuali, relativamente inesplorati, sottostanti a tali prestazioni mnemoniche cognitive, renderebbe essenzialmente speculativo qualunque sforzo per collegarle a strutture neurali specifiche; per questa ragione, la discussione verterà soprattutto su operazioni piu affini a quella che è stata definita la memoria procedurale". Comunque, le due forme di memoria non vanno troppo separate: per esempio, le due principali sindromi di amnesia (diencefalica e bitemporale) non rientrano con facilità nelle classi dei deficit del richiamo mnestico [Squire 1982]. Piuttosto, sembrano in relazione a deficit funzionali connessi ai segnali in arrivo, suggerendo che, anche la cosiddetta memoria dichiarativa possa avere un fondamento procedurale legato a tali segnali.
2.
Restrizioni e definizioni.
Per i fini che ci siamo proposti, dobbiamo meglio delimitare e definire la memoria e la categorizzazione prima di considerarne i rapporti reciproci. Questo è necessario perché il nostro intento primario è definire quale requisito essenziale competa al sistema nervoso affinché possa realizzare la categorizzazione adattativa. Adotteremo le seguenti limitazioni: l) impiegheremo il termine , memoria' per descrivere l'operazione reiterata durante la categorizzazione operata da interi circuiti neurali - per esempio i mappaggi globali - e, in particolare, per descrivere i comportamenti che derivano da, o sono attribuibili a, tali circuiti. In mancanza di una conoscenza dettagliata dei circuiti, il termine memoria sarà riferito ai comportamenti stessi e non agli eventi molecolari sottostanti alle regole sinaptiche; 2) daremo particolare rilievo alla memoria procedurale, e questo significa, ipso facto, che dedicheremo maggiore attenzione al dinamismo degli atti motori e percettivi; 3) sosterremo la tesi secondo cui una memoria di questo tipo implica obbligatoriamente la categorizzazione (che definiremo in breve); 4) pur essendo questo tipo di memoria necessario, lo sono anche ulteriori eventi neurali separati dalla categorizzazione e implicanti l'associazione e il condizionamento (si veda il capitolo XI), e mi riferisco ai comportamenti ba" La memoria procedurale, o implicita o non-dichiarativa, è una forma di memoria caratterizzata da un richiamo inconsapevole di predisposizioni o abilità; il perfezionamento di un certo atto motorio ne è un esempio tipico [si veda Squire 1992}.
Categorizzazione e memoria
279
sati sulla memoria percetto-motoria; 5) la memoria a breve e a lungo termine saranno considerate solo entro questo contesto, e il loro modo di operare sarà posto in relazione all'attività di regioni, come l'ippocampo, che, secondo la teoria, assicurano in tempo reale e in sequenza il legame tra le diverse coppie di classificazione. Come abbiamo già esposto analiticamente nel capitolo VII, il meccanismo dell' archiviazione a lungo termine si basa sull' attività delle regole sinaptiche indipendenti operanti su insiemi degenerati di gruppi neuronali inclusi nei mappaggi globali. Dobbiamo essere particolarmente attenti a non confondere questo concetto di archivio con la memoria stessa. In tale concezione della memoria, deliberatamente ristretta, la categorizzazione assume un ruolo determinante; cioè, non possiamo pensare che alcuna alterazione molecolare, stabile o metastabile, sia all' origine della memoria, se non vi sono indicazioni che, in concomitanza, si sia verificata una categorizzazione. Ovviamente, questa visione parziale o vincolante esclude molti aspetti di ciò che comunemente viene considerata una conseguenza della memoria. Anche a livello neurale, essa è solo uno dei fondamenti per le funzioni di ordine superiore - includendo, per esempio, numerose altre funzioni realizzate da una struttura, quale l'ippocampo [O'Keefe e Nadel 1978; Milner 1985]. Il suo epicentro è la categorizzazione percettiva. Fino a pochi anni fa, lo studio della categorizzazione si riferiva alle prestazioni di individui esperti dal punto di vista semantico e acculturati [Rosh e Uoyd 1978], o veniva considerata una pura questione filosofica [Ryle 1949; Wittgenstein 1953; Pitcher I968; Quine I969; si veda, inoltre~ Ghiselin 198I]. Sulla scia del pensiero di Epstein [1982], possiamo definire una' categoria' come un gruppo di oggetti o eventi non identici valutati da un individuo come equivalenti. Perfezioneremo questa definizione non impegnativa nella sezione intitolata Riassunto critico. Per ora, è importante notare che le attività comprese in questa definizione debole dovrebbero includere la cosiddetta equivalenza stimolo-risposta, la generalizzazione e la classificazione adattativa [Staddon I983]. Oltre alle difficoltà semantiche e cognitive, già menzionate a proposito della memoria, le difficoltà tradizionali che circondano questi processi riaprono la questione se la categorizzazione si verifichi in prevalenza a livello percettivo oppure a livello concettuale. Noi ci limiteremo alla sfera percettiva e motoria, ignorando la coscienza 7 e l'esperienza percettiva correlata, focalizzando l'interesse nell'arco di 7 Edelman ha approfondito l'argomento della coscienza nel libro The Remembered Present: a BiologicalTheory ofConsciousness [I 989b), a cui estende i principi del darwi-
280
Categorizzazione e memoria
Capitolo nono
tempo in cui si sviluppa il comportamento. Impiegheremo dati relativi alla sfera concettuale, ma con la dovuta cautela e circospezione. Qualora il programma abbia successo, potrà poi costituire un fondamento per speculare sulle origini della memoria dichiarativa. Limitando consapevolmente il nostro compito teorico ai fondamenti neuronali della memoria come forma di ricategorizzazione, tralasciamo le questioni cognitive per soffermarci sull'evoluzione delle strutture neurali adattatesi per far fronte ai vari aspetti della nicchia ecologica in cui è collocato un individuo di una certa specie. Dedicheremo particolare attenzione ai mezzi impiegati da ogni individuo per effettuare una scelta tra i molteplici modi in cui la nicchia stessa è scomponibile dal punto di vista della categorizzazio~e percettiva adattativa. Per comprendere lo sfondo e i presupposti che possono influire su tale scelta, dobbiamo approfondire la questione della categorizzazione.
3. La categorizzazione. Gli studiosi della categorizzazione si sono valsi, per comprensibili motivi, principalmente di soggetti umani adulti: data la complessità della materia, è piu facile ottenere dei risultati da individui adulti nismo neurale, qui riferiti alla percezione, all' azione e alla categorizzazione. Edelman distingue due tipi di coscienza: a) la coscienza primaria, che deriva dalla «interazione continua tra la memoria, intesa come processo associativo, e la percezione [... ] una forma di "presente ricordato'» [ibid., pp. I20-34; per una rassegna sull'incontro tra percezione e memoria nella corteccia inferotemporale, si veda Miyashita I993]. Dal punto di vista neurale, «i circuiti chiave alla base della coscienza primaria contengono particolari vie rientranti le quali connettono questo sistema di memoria sé - non sé a repertori primari e secondari che eseguono categorizzazioni percettive in tutte le modalità: odorato, gusto, vista, udito, tatto, propiocezione» [ibid., p. I 25], e b) la coscienza di ordine superiore, specifica dell'uomo, che presuppone la coscien~a primaria a cui si aggiunge il linguaggio, «un mezzo simbolico per ricordare e modificare concetti, che non solo ha permesso di etichettare questi concetti, ma che ha potuto, a sua volta, essere modificato da loro» [ibid., p. I 33], e che ha consentito di svincolarsi dalla coscienza primaria «ancora dipendente in gran parte dalla successione degli eventi in tempo reale» [ibid., p. I32]. A proposito della teoria della coscienza di Edelman, il neuropsicologo Oliver Sachs sostiene in A Leg to Stand on [I984] che tale teoria «dove identità, memoria e spazio vanno di pari passo» [ibid., trad. it. p. 233] abbatte il tradizionale dualismo tra mente e corpo, invalso anche in gran parte della neurologia, alla quale «spetta, ora, compiere il grande salto, dal modello meccanico "classico", a un modello del tutto personale e autoreferenziale di cervello e di mente. Molti segni indicano che tale trasformazione è possibile. Se si avvererà, sarà la pili grande rivoluzione del nostro tempo» [ibid., p. 237; per una rassegna sulla neurobiologia della coscienza si veda Picton e Stuss I994].
!
~
28r
appartenenti a una cultura che usa il linguaggio di quella cultura. Come ha evidenziato un pioniere in questo campo, Eleanor Rosch [1977, 1978; Rosch e Mervis 1975; Rosch e altri 1976; Rosch e Lloyd 1978], questi studi non hanno sviluppato dei modelli che spieghino i meccanismi neurali alla base della categorizzazione. Ciò non toglie che, come preambolo, sia utile considerare il ruolo adattativo svolto dalla categorizzazione basandosi proprio sul lavoro svolto da questi ricercatori, in cui emerge l'enorme ricchezza dei processi di categorizzazione [per un punto di vista critico, si vedano, per esempio, Armstrong e altri 1983]. ' La categorizzazione consente all'individuo di correlare alcune proprietà del mondo, e di "vedere" oltre lo stimolo contingente. Ai fini dell' adattamento, la categorizzazione deve implicare la generalizzazione, cioè, la capacità, fondata su pochi stimoli, di rispondere a, o di riconoscere, un insieme molto piu ampio di stimoli. Se si verifica una generalizzazione di questo tipo, allora, in una certa situazione, gli individui possono trattare nuovi casi e ignorare altri stimoli. Inoltre, come ha evidenziato la stessa Rosch [I978], se la conside:-iamo alla luce della concezione tradizionale della memoria, ne del-iva un'economia cognitiva, cioè, si allevia l'organismo dall'onere di archiviare ogni singolo esempio. Il problema da risolvere è se la categorizzazione percetto-motoria presenti analoghi vantaggi e se sia comprensibile in assenza di una memoria semantica e autoreferenziale [si vedano Macmillan e altri 1977; Smith e Medin 198Ù li nostro pensiero a riguardo, nell'ambito della teoria della selezione dei gruppi neuronali, è che negli organismi complessi la categorizzazione percetto-motoria sia essenziale per lo sviluppo dell' apprendimento e presenti dei vantaggi adattativi simili a quelli della categorizzazione concettuale, rispetto alla quale, naturalmente, viene prima. Proporremo due esempi in cui è stata ampiamente studiata la categorizzazione percettiva e nei quali è assente la complessità aggiuntiva del linguaggio: essi riguardano i piccioni e i neonati umani. Prima di descriverli sarà opportuno, a dispetto delle nostre censure, riassumere le ricerche svolte sulle categorie concettuali negli adulti; essa darà consistenza a quanto diremo sulla natura delle categorie adattative, poiché riguardano la funzione dei gruppi neuronali. La ricerca sulla categorizzazione svolta su soggetti umani dotati di linguaggio indica che, a livello della scelta consapevole e dellinguaggio, essi non definiscono le categorie con il metodo classico, cioè elencando gli attributi singolarmente necessari e complessivamente
282
Categorizzazione e memoria
Capitolo nono
sufficienti ma invece, impiegano dei sistemi piu probabilistici 8 , richiamandosi spesso ad aspetti non necessari, a dimensioni diverse dello stimolo, o a proprietà olistiche. In altre parole, non trova riscontro l'idea tradizionale [si veda Smith e Medin 1981] secondo cui un concetto è una descrizione riassuntiva dei caratteri, ognuno dei quali è definito sulla base di concetti subordinati. Invece, la classificazione sembra essere piu disgiuntiva nella sua essenza. Gli individui categorizzano piu efficientemente gli elementi rappresentativi di un insieme, basandosi su somiglianze familiari o utilizzando caratteri non necessari, e non seguono un superordinamento o una subordinazione nell' assegnazione delle categorie·. L'analisi della categorizzazione concettuale svolta da Smith e Medin [198I] indica che gli-individui effettuano si delle descrizioni caratteriali o dimensionali, ma correlano i caratteri al concetto solo probabilisticamente. Talvolta, gli individui effettuano delle classificazioni aggiuntive basate su descrizioni separate degli esempi relativi a un concetto. Quest'ultima procedura spiega in parte !'impiego di caratteri non necessari, dimostrando la disgiuntività della categorizzazione e, in parte, gli effetti di rappresentatività che sono stati misurati. Questi autori evidenziano che, sebbene entrambi i modi di categorizzare prevedano la disgiunzione, l'ipotesi dell'esempio richiede una disgiunzione esplicita e notevoli" risorse di memoria", mentre, secondo l'ipotesi probabilistica la disgiunzione è un risultato della caratterizzazione e richiede, quindi, minori" risorse di memoria". Esiste una telazione diretta tra le proprietà condivise da una classe e la probabilità che venga impiegata la sintesi invece degli esempi. Infine, sempre gli stessi autori indicano che, in qualche circostanza, le due componenti, cioè sintesi probabilistica ed esempi, possono essere impiegate assieme. Altri studiosi [Armstrong e altri 1983] hanno evidenziato che le basi metodologiche per definire o assegnare le somiglianze familiari o la rappresentatività non sono cosi nette; spesso gli individui riconoscono gli esempi delle categorie per gradi, piuttosto che con una
28 3
modalità del tipo tutto o nulla. Gli stessi autori hanno ribadito che alcuni concetti possono avere un nucleo descrittivo "archiviato" in memoria integrato da un semplice e pronto metodo di identificazione che consente una comparazione graduale. A questo essi aggiungono come non sia affatto chiaro in che modo i caratteri vengano scelti la prima volta; è un problema che si ricollega alla categorizzazione percettiva e ai vincoli di natura etologica sulle categorie naturali [si vedano Fagan 1979; Owings e Owings 1979; Marler 1982]. Difficoltà e origini biologiche a parte, è comunque chiaro che la categorizzazione concettuale viene realizzata né con criteri rigorosi, né logici, né universali. Anzi, è verosimile che non esista una sola modalità generale nella formazione delle categorie. Esistono delle prove che ci si possa districare meglio considerando la percezione, in particolare, riferendola al comportamento degli animali privi di linguaggio? Sono stati studiati due tipi di animali: quelli senza linguaggio perché non ne hanno evoluto le strutture cerebrali (per esempio, i piccioni), e quelli che, pur possedendone le strutture, non lo hanno ancora sviluppato (per esempio, i neonati di quattro mesi). Cercheremo di comprendere la categorizzazione percettiva basandoci su ricerche effettuate in questi due casi. 4. La categorizzazione percettiva.
Nella parte che segue esamineremo la categorizzazione percettiva nei piccioni e il riconoscimento degli oggetti e dei suoni linguistici nei neonati umani. In entrambi i casi i dati sono propositivi e andranno integrati. Tuttavia, sono sufficientemente fondati e tali da meritare una seria attenzione. Il loro messaggio è che alcuni organismi, pur privi di linguaggio, riescono a generalizzare, e che gli organismi aventi facoltà linguistiche sono dotati, per natura, di numerosi e complessi processi di categorizzazione già presenti prima dell' acquisizione del linguaggio, senza che essi siano preceduti da un'istruzione formale o da paradigmi di apprendimento. Se accostiamo queste due serie di dati a quelli sull' apprendimento del canto negli uccelli [Konishi 1978; Gould e Marler 1984; Marler 1984] ne ricaviamo una consistente dimostrazione a favore delle teorie selettive della funzione cerebrale. Uno tra i compiti principali di queste teorie è delineare come, in entrambe le specie, tali potenzialità scaturiscano da ben precise strutture neurali e siano riallacciabili alla memoria asso-
, Per esempio, come esemplifica Howard Gardner [1985, trad. it. p. 387], «data la capacità di percepire piume, pelo e ali, un soggetto percepiente si rende conto ben presto che, nel mondo empirico, le ali sono associate assai piu spesso alle piume che al pelo». • I concetti sono, secondo Eleanor Rosch, subordinati o superordinati rispetto al cosiddetto livello di base, in una sorta di tassonomia degli oggetti concreti, dove convergono biologia, cultura ed esigenze cognitive di informazione e di economia. Per esempio, il concetto di cane è un livello di base, quello di animale è superordinato rispetto a cane e quello di barboncino è subordinato rispetto a cane; quando è possibile, prevale la tendenza a classificare allivello di base [ibid., p. 388].
u
r 28 4
Capitolo nono
Categorizzazione e memoria
ciativa e all'apprendimento. Prima di affrontare questa parte teorica rivediamo insieme i dati a disposizione.
28 5
dei piccioni sulla base di un apprendimento di segnali irrilevanti. Se si fosse verificato un fatto simile, sarebbe sembrato in sé stupefacente, ma non vi è testimonianza di alcun segnale nascosto nel rinforzo del condizionamento operante originale. Gli studi di Cerella [r979] (si veda la fig. 5), sebbene simili ai
La generalizzazione nei piccioni. Gli studi con i risultati piu sorprendenti sono quelli svolti da Herrnstein [I982, I985; Herrnstein e altri I976;] e da Cerella [I979]. Gli esperimenti di Herrnstein consistevano nel proiettare su uno schermo alcune diapositive Kodakchrome, scelte in modo specifico, o a caso, a dei piccioni posti in una camera operante. Quando veniva proiettato un modello positivo, il becchettamento su una chiave veniva rinforzato, mentre i modelli negativi non ricevevano alcun rinforzo. Il riconoscimento veniva identificato da risposte rapide a modelli positivi e da nessuna risposta a modelli negativi. Le immagini venivano scelte nei modi e con i soggetti piu diversi. In una prima serie (fig. 5I), quaranta immagini di alberi, visti nelle prospettive, distanze, raggruppamenti e tipi piu diversi, sono state mescolate con immagini non significative. Il rinforzo, ottenuto dopo un numero ridotto di scene di alberi, ha determinato un rapido riconoscimento e pochi errori in presenza di numerose nuove scene di alberi. Alcuni controlli, rappresentati da oggetti simili ad alberi, come, ad esempio, le facciate di edifici decorati con figure geometriche, disegni simili a tralci, e lampioni, non sono stati riconosciuti. Gli alberi sono parte integrante dell' ambiente naturale del piccione e questo fa pensare che tali attitudini abbiano una base evolutiva o etologica. Tuttavia, malgrado i pesci non facciano parte dell' habitat del piccione, una serie di diapositive rappresentanti pesci sott' acqua veniva riconosciuta, tenendo presente che le immagini erano laterali o di tre quarti. Le immagini dei pesci, analogamente a quelle degli alberi, variavano enormemente per il contesto, la distanza, la tonalità del colore e la presenza di informazioni depistanti. L'esempio forse piu notevole deriva da un insieme di esperimenti in cui veniva presentata una donna fotografata nei modi, nei vestiti, con lo sfondo e le distanze piu diverse. Dopo il rinforzo, la maggior parte dei piccioni non aveva alcuna difficoltà nel riconoscere altre immagini della stessa donna, respingendo persino le immagini di un'altra donna vestita con gli stessi abiti e fotografata nella stessa strada. Sono stati eseguiti anche dei controlli mirati a escludere ogni eventuale presenza di segnali nascosti, l'apprendimento di sequenze specifiche e variabili simili. La sequenza delle diapositive variava in ogni esperimento e da un giorno all' altro. La capacità di generalizzazione e la specificità erano impressionanti. Per quanto se ne poteva capire, non vi era alcuna buona ragione per spiegare le prestazioni
Figura 51. L'esperimento di riconoscimento degli alberi di Herrnstein [1982]. Riproduzioni in bianco e nero di otto diapositive a colori classificate correttamente come alberi o non· alberi da almeno tre dei quattro piccioni impiegati nel test. Gli alberi sono nelle quattro immagini superiori; i non-alberi nelle quattro immagini inferiori. Il non-albero in basso a sinistra illustra una pianta rampicante su un muro di cemento; quello in basso a destra un cespo di sedano.
.tì....l
r-286
Categorizzazione e memoria
Capitolo nono
28 7
(<
precedenti, utilizzavano dei modelli" piu semplici" e astratti, volti ad analizzare alcuni dei meccanismi sotto stanti alla prestazione dei piccioni. Utilizzando una serie di immagini ricavate da una figura campione e distorte al computer, Cerella ha dimostrato che il piccione è sensibile a qualunque trasformazione del modello grafico, confermando gli studi precedenti. Queste trasformazioni comprendevano traslazioni, troncamenti, deformazioni, rotazioni e dilatazioni. Inoltre, le ricerche di Blough [1973] hanno dimostrato che il riconoscimento di figure da parte del piccione può essere indipendente dalla posizione. Gli studi di Cerella [1979] indicano che la discriminazione diminuisce con l'aumentare del grado di distorsione rispetto ai prototipi. Alcuni studi svolti da Anish [J978] su scene naturali di alberi o primi piani di rami e foglie, hanno dimostrato risposte positive a diapositive-test, dopo la proiezione delle diapositive di allenamento. Questi studi sono analoghi a quelli basati su figure astratte, e rappresentano versioni semplificate rispetto a quelle di Herrnstein [1979; Herrnstein e Loveland 1964; Siegel e Honig 1970; Poole e Lander 1971; Herrnstein e de Villiers 1980]. Cerella [1979] ipotizza che i propri risultati ri~lettano un accoppiamento da parte di stampi flessibili, una volta si fosse compreso che, per esempio, l'immagine di una persona non è la cosa accoppiata; piuttosto, la sua idea era che tale immagine venisse prima frammentata in diverse sottoimmagini, ciascuna delle quali sarebbe poi appresa indipendentemente. Tuttavia, Cerella capi che la sua ipotesi era inconciliabile con i risultati di Herrnstein [1979], secondo cui è all' opera un programma di rinforzo di natura probabilistica: tre diapositive nella quinta sessione di esperimenti non accompagnate da alcun rinforzo hanno suscitato una risposta altrettanto pronta di quelle accompagnate ogni volta dal rinforzo. Cosi, mentre la teoria dello stampo richiedeva l'apprendimento di molte singole diapositive, i fatti la smentivano, e per di piu bastava un numero relativamente ridotto di esempi. Cerella [J977, 1979, I980] ha tentato di ridare vigore a una teoria dello stampo indicando che" la percentuale di registrazione" degli stampi è elevata, cioè, anche pochi esempi di una categoria contengono indizi sufficienti per spiegare tutti i successivi riconoscimenti effettuati su numerosi esempi disparati. Finora, questa tesi non è stata granché avvalorata dai dati sperimentali. Tuttavia, gli studi successivi di Cerella hanno rischiarato il problema della generalizzazione, ponendo dei limiti al tipo di generalizzazione che i piccioni sono in grado di svolgere. In una prima fase egli ha utilizzato delle figure ricavate dai fumetti di Charlie Brown
L
,.----
288
Capitolo nono
no stati preferiti gli sfondi vuoti, e non è stato verificato 1'effetto del " rumore VISIVO . . ". Oltre a evidenziare i limiti del potere generalizzante, questi studi hanno anche prodotto dei risultati positivi. In contesti diversi veniva conservata l'invarianza rotazionale. Nelle scene dei fumetti la presenza di uno sfondo disturbava ed era negativa nella prima fase di memorizzazione, mentre diventava irrilevante in scene naturali come quelle di Herrnstein [1979]. Questi risultati indicano che i punti di riferimento impiegati dai piccioni per generalizzare possono cambiare in funzione del contesto e del materiale. Questi importanti studi, per quanto incompleti, indicano comunque una grande capacità di generalizzazione in animali privi di linguaggio, pur in assenza di una istruzione formale o di un apprendimento forzato: è chiaro che il piccione può distinguere la comparsa di piu caratteri disgiuntivi, usarne alcuni in un insieme per riconoscerne altri connessi a nuovi caratteri in un insieme diverso, e, in gran parte (non assoluta), ignorare significative variazioni nel contesto. Prima di interpretare queste scoperte alla luce della struttura cerebrale e della teoria della selezione dei gruppi neuronali, esaminiamo un organismo che non ha ancora acquisito il linguaggio, pur avendone le potenzialità, vale a dire, il neonato umano.
Il riconoscimento di oggetti e il riconoscimento uditivo nei neona-
ti.
Può sembrare astruso saltare dal tema della scomposizione del mondo visivo da parte dei piccioni a quello del riconoscimento di una coerenza negli oggetti e alla categorizzazione nella percezione linguistica nei neonati. Tuttavia, nonostante le enormi differenze nella storia evolutiva, nelle dimensioni del cervello e nelle potenzialità dei relativi soggetti, questi studi, effettuati su specie completamente diverse, affrontano lo stesso rompicapo: l'architettura della generalizzazione nei sistemi neurali e motori. Negli ultimi dieci anni, numerosi studi sui neonati hanno ravvivato l'interesse verso la loro capacità di integrare, categorizzare e generalizzare senza una istruzione formale. Ci riferiremo esclusivamente a due temi appartenenti a questo importante e fiorente campo [si vedano Bower 1967, 1982; Wolff e Ferber 1979; Aslin e altri 1981; Gallin 1981; Harris 1983; Brainerd e Pressley 1985] in quanto si riallacciano ai temi di questo capitolo. Il primo argomento è la percezione degli oggetti. Spelke e collaboratori [Kellman e Spelke 1983] si sono chiesti se un neonato possa determinare l'unitarietà di
Categorizzazione e memoria
28 9
un oggetto occluso da un secondo oggetto, se il neonato stesso abbia la consapevolezza che le parti del mondo si muovono solidalmente, e se lui o lei possano stabilire se due superfici adiacenti giacciano sullo stesso oggetto o su oggetti diversi. Considereremo i risultati sperimentali solo sinteticamente; i dettagli sono rintracciabili nei lavori originali. Il paradigma sperimentale consisteva nell'osservare neonati di quattro mesi intenti a guardare oggetti stazionari e in movimento, e oggetti visibili e occlusi-(fig. 52). Se due bastoncelli, inizialmente colineari, occlusi da un blocco venivano spostati separatamente, il neonato registrava i bastoncelli occlusi come due oggetti distinti. Tuttavia, se i bastoncelli venivano spostati nello stesso verso con le loro parti terminali sempre coline ari rispetto al blocco, allora venivano percepiti come un oggetto unico. La prova si basava sulla predisposizione dei neonati a prestare attenzione, dopo una prima presentazione degli oggetti, solo a oggetti nuovi e non a quelli familiari. Sono state effettuate numerose prove e controlli per determinare se i risultati dipendessero dalla forma o dai colori. La capacità di vedere in modo sistematico le entità in movimento non dipendeva dalla semplicità o dalla regolarità delle forme o dei colori: anche oggetti di forma irregolare erano percepiti come un'unica cosa insieme al bastoncello, se venivano spostati solidalmente a esso. Non è stata trovata alcuna prova della cosiddetta Priignanz '0, cosi definita dagli psicologi della Gestalt [Wertheimer 1958; si veda Kubovy e Pomerantz 1981]. I neonati non sembrano percepire le scene come un mosaico costituito dalle tessere visibili delle superfici e nemmeno sembrano costruirsi un'immagine del mondo come aveva proposto Gibson [r979]; questa facoltà di cogliere la coerenza degli oggetti compare prima che i neonati possano agire in modo coerente sugli oggetti stessi afferrandoli in modo coordinato. Gli oggetti contigui giacenti sullo stesso piano venivano percepiti dai neonati come un tutt'uno, mentre due oggetti collocati a profondità diverse venivano percepiti come distinti oggetti. Le conclusioni che si traggono da queste ricerche [Kellman e Spelke 1983] indicano che i neonati vedono il mondo costituito da "oggetti" connessi spazialmente e movibili separatamente. I neonati non sembrano riconoscere le tessiture prima di un movimento relativo unitario e sistemaIO La pregnanza (Priignanz) è, per la psicologia della Gestalt, quel fenomeno secondo cui, nel caso gli stimoli sensoriali siano ambigui, la percezione sarà tanto piti efficace quanto lo permettono le «condizioni prevalenti», le quali si riferiscono alle informazioni raccolte dalla retina. Se l'immagine è ambigua, l'osservatore tende a percepire la forma piti semplice, compatibilmente con le informazioni a disposizione.
,----
29 0
Categorizzazione e memoria
Capitolo nono
possono indurre una primitiva forma di categorizzazione, sotto forma di "oggetti", delle cose in moto solidale. Grosso modo, la continuità propria del movimento si trasfonde in queste potenzialità di categorizzazione. Prima di integrare questi risultati sulla visione con quelli relativi ad altre forme di categorizzazione, valuteremo un esempio di natura uditiva che dimostra la categorizzazione percettiva nei neonati prelinguistici. Presteremo attenzione all'attitudine dei neonati verso la percezione acustica e fonetica e al fatto che i neonati stessi possono realizzare tale percezione categoriale nonostante la notevole variazione nel ritmo del linguaggio. In quest' analisi ci serviremo degli studi di Eimas e collaboratori [1987; Eimas e Miller 1981; Eimas 1982], di Aslin e collaboratori [1981] e delle loro riflessioni sugli studi svolti da altri ricercatori. La categorizzazione linguistica nei neonati è stata indagata relativamente a: I) la capacità del neonato di categorizzare le variazioni nella coarticolazione, le differenze tra i soggetti parlanti e tra i modelli di intonazione (la cosiddetta equivalenza nella formazione della classe); e 2) la capacità del neonato di definire le categorie sotto forma di variazioni temporali dei meccanismi di articolazione (la cosiddetta percezione categoriale). In linea di principio, sono entrambe forme di categorizzazione. Eimas e collaboratori evidenziano un importante limite: cioè, non è possibile capire se i neonati percepiscano due esempi della stessa categoria come eventi identici. Tuttavia, si può osservare se un neonato reagisce come se manifestazioni fisicamente dif(erenti della stessa categoria rappresentassero esperienze equivalenti. E stato dimostrato che neonati di quattro giorni possono formare delle classi di equivalenza sulla base di una qualità vocale variata Uusczyk e altri 1980]. Altri studi ancora hanno dimostrato che i neonati possono distinguere i contrasti fricativi nelle posizioni iniziali e finali della sillaba prodotti con vocali diverse e da persone parlanti div~rse. Risultati simili sono stati ottenuti anche perle nasali tronche. Nella maggior parte di questi esperimenti sono state annotate le risposte effettuate con i movimenti della testa. Un'altra procedura di verifica valutava l'incremento nella forza di suzione; le differenze nella frequenza di suzione in seguito a un nuovo stimolo, confrontate alle frequenze di controllo, erano l'indizio per riconoscere l' eventuale categorizzazione. Potevano essere impiegati anche suoni linguistici generati sinteticamente. Piccole differenze nell'inizio dell'emissione vocale, nella composizione spettrale delle transizioni nella banda vocale e nella modalità di articolazione sono distinte categorial-
tico e non hanno la tendenza a classificare gli oggetti come uniformi nella sostanza o regolari nella forma. Essi non reagiscono in maniera semplice alle superfici o alle sensazioni, e non è chiaro se essi nascano avendo già il concetto di oggetto, ma se queste osservazioni saranno confermate, ne deduciamo che la visione e il movimento relativo Figura 52. Esempi di figure impiegate da KeIlman e Spelke [1983] per verificare la percezione da parte di neonati di quattro mesi di oggetti parzialmente nascosti. I neonati sono stati abituati a un oggetto di cui era visibile la parte superiore e inferiore, ma il cui centro era occluso da un oggetto pili prossimo. Sono poi stati sottoposti a una prova con un oggetto visibile continuo e con due pezzi di oggetti visibili che mostrano una discontinuità dove era presente l'oggetto occludente. I confini dell'oggetto parzialmente nascosto erano percepiti analizzando i movimenti delle superfici, e l'oggetto veniva percepito come singolo quando le sue estremità si muovevano seguendo una traslazione comune dietro l'oggetto occludente. Non vi era alcuna prova che le decisioni fossero prese analizzando il colore o la forma degli oggetti. Movimento del bastoncino
Dispositivi per l'abitudine
9 ~9 ~9 Dispositivi per l'abitudine
I
Dispositivi di prova
Controllo del bastoncino spezzato
Controllo Occlusione del del bastoncino' bastoncino completo
Linea di fondo
l
I
l
-\- -\--\Movimento del bastoncino
Dispositivi per l'abitudine
I Dispositivi di prova
Movimento del bastoncino e del blocco
-~ ~ _
_
I
-\-
\
Dispositivi \ di prova
Movimento del blocco
--_ _
I
I
-\-\-
\ Senza movimento
99 \ \ I
I
I
29 1
I
J
r-----29 2
Categorizzazione e memoria
Capitolo nono
mente piu o meno bene dai neonati. Una percezione categoriale di questo tipo si basa su molteplici segnali e ha una stretta dipendenza dal contesto. I neonati in ascolto possono compensare le variazioni nel ritmo della parola che, come si può dimostrare, generano un' ambiguità nella distinzione tra consonanti tronche (transizioni brevi) e semivocali (transizioni lunghe), per esempio, /b/ al posto di /w/. Inoltre, sia gli adulti che i neonati gestiscono quest' ambiguità" elaborando" la durata della transizione in rapporto alla durata della sillaba, una durata che, di fatto, riflette la velocità del parlato. Questa predisposizione, definita da Eimas e collaboratori [1987] una procedura di «normalizzazione del parlato in base alla velocità del parlato», è una forma di categorizzazione. Si possono citare molti altri esempi che dimostrano risposte di tipo categoriale. Forse è piu pertinente citare la tesi di Eimas e collaboratori [1987], secondo cui i neonati nascono biologicamente predisposti per categorizzare alcune distinzioni fonetiche tipiche dellinguaggio naturale. Questapredisposizione non si limita al linguaggio, ma è riscontrabile anche nella percezione dei suoni non linguistici, analogamente al riconoscimento visivo degli oggetti. I neonati, oltre a dimostrare un riconoscimento coerente degli oggetti (di cui abbiamo parlato), all' età di sei mesi possono creare una categoria a partire da una forma presentata loro secondo orientamenti diversi [McGurk 1972], e, a cinque mesi, possono distinguere i tratti dei volti umani, l'età e il sesso [Fagan 1976; Fagan e Singer 1979], le categorie dei colori [Bornstein e altri 1976], e le medie del prototipo Il [Strauss 1979]. Miller e collaboratori [r982] ritengono che nell'elaborazione prefonetica, le categorie siano anche definite in termini di categorie prototipiche. Eimas e collaboratori [1987] ipotizzano che le categorie create dai neonati possano fondarsi su prototipi che riguardano piu modalità sensoriali, cioè, che esistano nel costrutto neurale alcune procedure che mettono in relazione le diverse modalità sensoriali, creando dei confini simili tra le categorie. Questa non è la sede per esaminare il rapporto tra queste scoperte e la formazione dei simboli fonetici e di un lessico [si veda Eimas e altri 1987], ma, per i nostri fini, possiamo concludere che i neonati Il
293
possiedono una notevole predisposizione nel selezionare l'universo dei suoni prima di acquisire il linguaggio, che questa capacità è probabilmente un preludio al linguaggio stesso, e che il problema fondamentale è determinarne la natura dei meccanismi biologici. Va detto che non sono ancora state completamente confermate le ipotesi di una forma speciale o separata di elaborazione dei suoni linguistici [Liberman e altri 1972; Liberman e Studdert-Kennedy 1978; Eimas e altri 19 8 7; Mattingly e Liberman 1987]. Tuttavia, studi recenti indicano che, qualunque sia il meccanismo impiegato, è inizialmente sintonizzato sulla informazione acustica e non su quella fonetica. Gli ultimi studi di Aslin e collaboratori [1981; Walley e altri 198rJ e di]usczyk [19 81 ;]usczyk e altri 1977, 1983] indicano che la percezione categoriale non si limita ai segnali linguistici. Inoltre, in accordo con le argomentazioni precedenti, la percezione categoriale non è esclusiva della percezione (linguistica) umana 12. I cincillà possono discriminare le consonanti tronche in modo simile agli esseri umani [Kuhl e Miller 1975, 1978]. Il linguaggio può sfruttare tali capacità dei sistemi percettivi, ma naturalmente non può precederle. Queste conclusioni concordano con la nostra ipotesi secondo cui una categorizzazione percettiva riflette le proprietà generali dei repertori rientranti degenerati. Affrontando il problema essenziale della percezione dellinguaggio - piu propriamente, come un ascoltatore ridefinisce un segnale acustico in modo da formare una mappa di un segmento fonetico e attribuirgli infine un significato lessicale - si evince che un neonato viene al mondo ben dotato, anche se non in maniera completa [Liberman e altri 1972; Liberman e Studdert-Kennedy 1978; Mattingly e Liberman 1987]. Si tratta di un fatto straordinario se pensiamo che i meccanismi di categorizzazione dei suoni linguistici sono estremamente complessi - la segmentazione non è sequenziale, esistono delle prove che durante la coarticolazione si verifichi un' anticipazione, che i singoli segmenti abbiano una sovrapposizione di informazione, e che questa sovrapposizione non sia limitata ai confini delle parole. Esiste un mappaggio degenerato tra le unità del segnale acustico e le loro analisi a livello fonetico, anche quando le proprietà acustiche si modificano in funzione del contesto, della velocità del parlato e del soggetto parlante. Tutte queste proprietà manifestano una variabilità intrinseca e, nonostante ciò, un neonato può in parte categorizzarle e rilevarne i caratteri invarianti.
Nella concezione probabilistica della inclusione di un elemento in una categoria,
il prototipo, come lo definisce Eleanor Rosch, è un elemento della classe o della categoria che presenta la maggior parte dei caratteri propri della categoria e un minor numero di caratteri che lo potrebbero includere in una categoria diversa, e a cui ci si riferisce quando si deve decidere se includere o meno un nuovo elemento in una classe; per esempio, un pettirosso si avvicina piti al prototipo degli uccelli rispetto a un pollo o a un pinguino.
12 Per un aggiornamento sull'apprendimento e la rappresentazione nel linguaggio si veda Kuhl [1994].
i
U
294
Categorizzazione e memoria
Capitolo nono
295
Mentre la maggior parte dei modelli discussi finora non sono polimodali, l'impiego di piu modalità sensoriali può incrementare notevolmente il potere dei sistemi preposti alla generalizzazione. In molti casi non possiamo trascurare il coinvolgimento motorio, vale a dire, i movimenti oculari, i movimenti degli oggetti, la manipolazione o l'azione sull'oggetto. Possono essere implicati dei sistemi in parallelo, come i due sistemi visivi 13 [Schneider 1969], uno dei quali ha una spiccata dipendenza dal movimento. Considerato in relazione alla memoria, ci ricorda lo schema motorio di Henry Head [1920; Oldfield e Zangwill 1942a, 1942b, 1942C, 1943], e indica la presenza di gerarchie che assumono importanza diversa in funzione dello stato attuale o passato del sistema motorio dell' organismo, rappresentato nei mappaggi globali. Inoltre, suggerisce che, per interpretare il movimento, è essenziale lo spostamento relativo degli oggetti rispetto all' organismo. Ciò che il SNC può svolgere con l'ausilio degli occhi, dei muscoli e degli arti è categorizzare i modelli d'azione o gesti. Non possiamo perciò trascurare Bernstein [19 6 7], Spelke [Kellman e Spelke 1983] ed Herrnstein [1979]. Nonostante vi siano le prove dell'identificazione di caratteri locali, 1'organismo, quando generalizza, effettua una sorta di "riconoscimento dell' oggetto" globale (non necessariamente veridica). Alcuni studi indicano che nei neonati esistono dei processi che garantiscono la coerenza interna, la conservazione dei contorni e 1'accorpamento dei movimenti delle superfici nello spazio. I piccioni sembrano privi di quest'ultima attitudine, ma forse compensano accorpando altri aspetti importanti, come il colore e la tonalità. Questo può spiegare l'apparente discrepanza tra i risultati di Cerella [1979] e quelli di Herrnstein [1979, 1982]. Qualunque sia il loro accorpamento, i segni nelle immagini vengono raggruppati sotto forma di oggetti. La soppressione di attributi come il colore, la luminosità e la tessitura possono verificarsi (almeno nei neonati) altrettanto prontamente della segmentazione. Tutte queste osservazioni indicano che la novità non può essere ridotta a una qualunque semplice o singola descrizione su un insieme di stimoli. La categorizzazione implica qualcosa di piu della generalizzazione dello stimolo (cioè, la variazione in una qualunque unica
L'aspetto rimarchevole è che, nonostante le difficoltà di segmentazione, i molteplici segnali, le variazioni del contesto e la variabilità intrinseca, i segnali linguistici siano categorizzati. In realtà, vi sono conferme dell' esistenza di predisposizioni, non basate inizialmente, o almeno non del tutto, sull'apprendimento o sull'istruzione formale. I parametri di tale predisposizione vengono fissati molto precocemente, se non già alla nascita. Inoltre, esiste una significativa flessibilità, e i caratteri evidenziati da un organismo possono essere variati in contesti o in sequenze differenti. Nella creazione delle categorie, gli organismi devono quindi decidere su cosa soffermarsi e su cosa no. In qualche caso [McGurk e MacDonald 1976], una modalità prevale sull' altra, e questo tipo di decisione può essere influenzato in conformità. 5. Riassunto critico.
Realizzare la categorizzazione in fasi della vita molto precoci richiede la disponibilità di numerosi caratteri strutturali e funzionali dell' architettura neurale. Prima di descrivere il possibile fondamento neurale della generalizzazione e della categorizzazione in una logica della selezione dei gruppi neuronali, può esserci d'aiuto distinguere i diversi aspetti salienti e abbozzare una sintesi basata sulle ricerche citate in precedenza. Questa sintesi ci indica che nella categorizzazione è essenziale il campionamento disgiuntivo lungo canali paralleli, e che le attitudini degli animali vanno ben oltre la debole definizione di categorizzazione (cfr. pp. 278-80) dalla quale eravamo partiti. Per prima cosa è importante notare che, sia nell' attività visiva che in quella uditiva, si verificano dei processi paralleli e simultanei, per esempio, la segmentazione nel linguaggio non è meramente sequenziale, né lo sono i caratteri colti uno alla volta. Si verifica, piuttosto, una co articolazione e una «copresentazione», e, inoltre, la natura fisica dei segnali sovrappone le diverse parti o i confini della segmentazione. Vi sono, inoltre, molteplici proprietà con mappaggi ridondanti come, per esempio, nella distribuzione fonetica di un suono consonantico davanti a una vocale. A questo va aggiunta la notevole variabilità emergente da piu presentazioni di caratteristiche diverse. Il riconoscimento non dipende da un ordine fisso in una sequenza, e, in molti casi, i caratteri stessi possono essere percepiti come un insieme disordinato. Tuttavia, quasi tutte le situazioni viste in precedenza dimostrano la notevole dipendenza dal contesto.
13 Si tratta di due aree cerebrali, presenti nei mammiferi, implicate in due funzioni diverse nella percezione visiva. La prima, il collicolo superiore, controlla l'orientamento verso un oggetto, mentre la seconda, la corteccia visiva, è preposta all'identificazione delle caratteristiche dell' oggetto.
~
,
,~
r296
Capitolo nono
Categorizzazione e memoria
dimensi0tle, o la diffusione degli effetti tra intervalli piu ampi degli stimoli). E multidimensionale. Esperimenti comprovano la formazione di gerarchie e l'esistenza di numerosi stadi nel movimento, nel rilevamento degli oggetti e nella percezione del linguaggio. Il rilevamento degli oggetti, per esempio, implica almeno I) la percezione della configurazione tridimensionale e il movimento delle superfici, e 2) il raggruppamento delle superfici. Il linguaggio implica I) l'anticipazione e la coarticolazione dei suoni, e 2) il raggruppamento dei suoni dopo la normalizzazione della lunghezza delle sillabe. La generalizzazione può implicare caratteri, risposte, e una storia comune, ciascuna delle quali può influire indipendentemente sulle altre. Inoltre, la generalizzazione prevede dei processi non lineari, per cui piccole variazioni negli stati interni possono indurre notevoli variazioni nelle risposte. Non sappiamo se, durante le prime fasi della generalizzazione, siano impiegate, direttamente o per sé, proprietà Gestaltiche [Wertheimer 1958] o proprietà relative alla superficie Uulesz 1984]. Sappiamo, invece, di effetti prototipici [Strauss 1979], a testimonianza che si stanno verificando due funzioni simultaneamente: l'assegnamento degli oggetti alle classi e l'assegnamento dell'unicità agli oggetti. Ma gli effetti prototipici possono essere modulati da dimensioni graduate e da effetti di congiunzione, come hanno dimostrato Armstrong e collaboratori [r 983]. In ogni caso si verificano degli errori, ma sono sorprendentemente rari, per cui ogni cosa sembra essere riconosciuta piu o meno bene. Comunque, la maggior parte degli esperimenti svolti finora non fa distinzione tra le invarianze topologiche e quelle metriche. Tutte le osservazioni precedenti ci fanno ritenere che, come spiegazione generale della categorizzazione, non sia sostenibile l'idea di apprendimento di singoli esempi - anche se un apprendimento di questo tipo è ben sviluppato, svanisce di fronte ai fatti della generalizzazione. Inoltre, come abbiamo accennato, pone delle richieste enormi a qualunque sistema di memoria. Fallisce anche la teoria dell'esistenza di una prototipicità estrema o di esempi unici varianti nello stampo; deve verificarsi perlomeno una mediazione o una mescolanza tra questi due processi. Il mondo non può essere amorfo, ma non si manifesta nemmeno sotto forma di categorie fisse o designate a priori. Tuttavia, questo non significa che alcune" categorie naturali" non possano consolidarsi nel corso dell' evoluzione di una specie vivente in una nicchia ecologica relativamente stabile [Marler 1982]. Comunque, la categorizzazione e la generalizzazione non sono esau-
297
rientemente spiegabili con l'apprendimento convenzionale, la ricompensa e le variabili etologiche fissate dall'evoluzione. Il fallimento della prototipicità come unica spiegazione, le con-'\ traddizioni inspiegate dai modelli di rilevamento semplice dei caratteri, il notevole influsso del contesto, e la natura essenzialmente parallela degli input, sono, nel complesso, indicazioni dell'assenza di una soluzione generale chiusa al problema della categorizzazione. Tutto questo può confutare alcuni tentativi di sviluppare l'analisi linguistica secondo regole e rappresentazioni, ma non preoccupa un selezionista che esamina il problema a livello percettivo. A tale livello, la questione nodale può essere il modo in cui un animale sceglie in modo disgiuntivo i criteri locali (non solo i caratteri) per includere in una categoria un certo esempio. Per criteri locali intendo pochi caratteri accorpati, o correlati dei caratteri. Talvolta, si verificano simultaneamente e in misura variabile il rilevamento locale del carattere e la correlazione globale del carattere. Forse, nel contesto della storia e delle risposte comuni dell' animale, è la combinazione dei due processi, astratti dall'oggetto nei modi piu diversi, a determinare quale sottoinsieme di attributi venga estratto dall' animale. Scomporre il mondo determinando i confini apparenti degli oggetti può essere il primo passo importante. Come accade per l'evoluzione, il parallelismo e la possibilità di soluzioni convergenti ed equivalenti può consentire le scelte piu eterogenee. Infine, come abbiamo suggerito a proposito della categorizzazione concettuale, la "semplice" categorizzazione percettiva e la categorizzazione culturale" dall' alto verso il basso" e basata sui linguaggi naturali evoluti [Chomsky 1980] possono avere molti aspetti in comune, nonostante le enormi differenze nel grado di complessità. Come testimoniano gli studi sulla fonetica, l'una può essere la base per la determinazione dell'altra [Liberman e Studdert-Kennedy 1978; Mattinglye Liberman 1987].
6. Organizzazione neurale e generalizzazione.
I
~
Adesso siamo nelle condizioni per considerare alcune possibili architetture neurali preposte a categorizzare e a generalizzare. Data la complessità di questi processi, possiamo soltanto delineare eventuali strutture e modelli essenziali; tuttavia, siamo in grado di proporre un modello relativamente compatibile con le teorie selezioniste, del quale dimostreremo l'autoconsistenza nel capitolo x, descrivendo le prestazioni di un automa fondate proprio su di esso. Le architetture
298
Capitolo nono Categorizzazione e memoria
neurali che proporremo sono la base strutturale per definire la memoria come un processo di ricategorizzazione. È illuminante iniziare con 1'esame di alcuni aspetti relativi all' ambiente e ai segnali o stimoli. Malgrado il mondo non sia amorfo e le proprietà degli oggetti siano descrivibili con il linguaggio della chimica e della fisica [Pantin 1968], è chiaro che, a livello macroscopico, gli oggetti non si presentano a noi sotto forma di categorie predefinite, ma variano nel tempo, si manifestano come novità e innescano in un organismo risposte adattative, piuttosto che descrizioni veridiche. Questo conferisce un sapore relativo e disgiuntivo alla categorizzazione degli oggetti operata dagli animali: le cose vengono scomposte in base a fattori significativi e disponibili per l'animale che percepisce. La percezione dei caratteri è il risultato di una particolare mescolanza costituita dal grado di importanza, dai segnali e dai contesti che compaiono in tempi e in sequenze definite. Esiste un'ambiguità di fondo nel classificare gli oggetti se si pongono dei vincoli come quelli della figura 53, ricavata da Bongard [1970] e moFigura 53. Ambiguità nella classificazione secondo Bongard [1970]. Se l'ellisse grande viene presentata per dei test dopo gli oggetti nella classe I e nella classe II, sono possibili tre decisioni: I) classe I, «grande»; 2) classe II, «ellisse»; e 3) «spazzatura», cioè irrilevante.
~\]
~
o
o
Classe I
\:J
o ~
Classe II
299
dificata in funzione del contesto, un animale può classificare le figure piu grandi o come ellissi o come oggetti grandi. Nella misura in cui una certa presentazione di un oggetto non ne esaurisce i caratteri o le relazioni tra i caratteri, dobbiamo considerare quali tra questi siano campionati e quali siano considerati importanti. In precedenza abbiamo visto come gli studi sulla categorizzazione concettuale dimostrino che i soggetti impieghino sia insiemi probabilistici dei caratteri sia modelli. Inoltre, nella categorizzazione percettiva abbiamo documentato gli effetti prototipici, malgrado non determinino tutte le decisioni. Queste caratteristiche dimostrano che il sistema nervoso non stabilisce una definizione chiusa di un universale e di un «universale in assenza» ("una memoria"), cioè quando interagisce con gli stimoli non genera una definizione basata su caratteri in sé necessari e perciò sufficienti. Viceversa, le scelte ricordano le somiglianze di famiglia proposte da Wittgenstein [1953] o la sua definizione di gioco: un gioco non è definito da un rigido elenco di caratteri, né è vero che ogni gioco sia definito arbitrariamente per mezzo di una designazione nominalistica. Piuttosto, è chiaro che i giochi non hanno necessariamente alcunché in comune tranne il fatto di essere dei giochi. (Traduzione: se n è l'ampiezza di un elenco arbitrariamente lungo di attributi di un gioco, un elenco aperto, qualunque m ricavato dagli n attributi basterebbe per trasformare una certa attività in un gioco). Si tratta, di fatto, della definizione di insieme polimorfo (si veda la fig. 6). Dennis e collaboratori b973] hanno costruito degli insiemi visivi di questo tipo scoprendo che per alcuni studenti universitari era estremamente difficile trovare gli indicatori per distinguere Y da N (fig. 6). Nell'esempio illustrato, la regola con cui Yveniva costruito e gli oggetti compresi venivano caratterizzati è la seguente: la scelta di almeno due caratteristiche tra circolare, scuro o simmetrico. In effetti, un insieme polimorfo è caratterizzato da una disgiunzione delle possibili suddivisioni degli oggetti o dei caratteri (nel senso della teoria della probabilità). Questo è osservabile nel diagramma della figura 54. La degenerazione, come l'abbiamo definita a proposito dei repertori dei gruppi neuronali, comprende anche disgiunzioni, in questo caso scomposizioni di reti neurali - cioè, la varietà dei modi funzionali in cui i neuroni possono essere interconnessi non isomorficamente nei gruppi per fornire risposte piu o meno equivalenti in condizioni di soglia definite. Una tale rete è mirabilmente congegnata per rispondere in modo adattativo a un mondo scomponibile in modo disgiuntivo. Ci chiediamo: come può questa organizzazione
Il! "I I,
li II ,Ili il
Il
l
1 ,11 11:
'l'
Il,
Il'
~ Il
il '1!
,II~
il
~I Il i,
,[
Il !'
1
Il
I
I
~
1J
Il'II
, ~
r--
3 00
Capitolo nono
Categorizzazione e memoria
di rete trovare una corrispondenza specifica nella struttura neurale per realizzare la generalizzazione? Un' analisi basata sulla teoria della selezione dei gruppi neuronali indica che un' organizzazione di questo tipo richiede sei proprietà: I) una notevole variabilità locale e una degenerazione dei gruppi neuronali a tutti i livelli; 2) strutture evolute, impiegate come astrattori nelle lamine sensoriali e agenti in sintonia e simultaneamente ai complessi motori in un organismo adattato; 3) reti neurali e strutture del SNC connesse alle lamine sensoriali che effettuano il rilevamento locale dei caratteri. Le reti che sono connesse ai complessi sensomo-
3°1
tori si sono evolute per determinare gli assi spaziali incentrati sull' oggetto e sull' organismo e la continuità di un oggetto, e per rilevare e rappresentare il moto relativo sistematico; 4) strutture a mappa e sequenze simili a quelle descritte nei capitoli precedenti: mappe locali che inviano le rappresentazioni somatotopiche verso strutture polimodali non piu a mappa e, nella fase conclusiva, verso una mappa di output motorio; nel complesso, esse costituiscono il mappaggio gl<,>baIe; 5) il rientro tra livelli e tra mappe - il primo per compensare le variazioni dinamiche e riassestare il mappaggio (si veda la fig. 35), e il secondo per creare delle mappe che formino delle coppie di classificazione (fig. 55). Le connessioni rientranti assicurano che i gruppi
Figura 54. La selezione di parti di gruppi neuronali come risultato dei mappaggi rientranti delle disgiunzioni di parti in insiemi polimorfi di segnali. Le disgiunzioni implicano funzioni OR inclusive, e al di là di una grossolana somatotopia e mappaggio punto-area, i repertori superiori nei mappaggi globali non presentano alcun isomorfismo con il mondo dei segnali. Mondo fisico
Disgiunzioni delle parti negli insiemi polimorfi
j
Coordinazione tramite le mappe rientranti
Figura 55. Schema di una coppia di classificazione che impiega il rientro. I neuroni - quelli del sistema visivo, per esempio - agiscono come rilevatori di caratteri (ereditando questa capacità dall'evoluzione). Essi vengono mappati sulla sinistra (mappa I) in qualche lamina cerebrale di ordine superiore. Altri neuroni - per esempio, quelli implicati nello sfioramento di un dito in movimento - agiscono come correlatori di caratteri, delineando un oggetto col movimento, come illustrato a destra. Questi neuroni vengono mappati su un'altra lamina (mappa 2). Le due mappe si scambiano proiezioni reciproche per mezzo del rientro, in modo che i gruppi in una mappa possano eccitare i gruppi presenti nell'altra. Questo consente il campionamento parallelo simultaneo dei caratteri disgiuntivi che costituiscono un insieme polimorfo nello stimolo; a causa delle connessioni rientranti, queste caratteristiche possono essere connesse nelle risposte delle reti di ordine superiore. In questo modo, alcune caratteristiche piu generali di una rappresentazione di un oggetto possono essere connesse con altre caratteristiche particolari. Per mezzo della variazione sinaptica, specifici modelli di risposta nella mappa I saranno legati a modelli di risposta campionati indipendentemente nella mappa 2, come risultato delle connessioni rientranti. La generalizzazione può scaturire da qualunque combinazione di caratteri locali o correlazioni di caratteri derivanti dal campionamento disgiuntivo di segnali provenienti da oggetti mai incontrati. Il rientro unirà a modelli precedenti di risposta le risposte a queste combinazioni. In un certo senso, il concetto di coppia di classificazione è un caso limite: esistono seri motivi per ritenere che, in generale, interagiscano piu di due mappe, formando delle n-tuple di classificazione. Correlatore dei caratteri (ricava principalmente gli aspetti delle classi)
Rivelatore dei caratteri (necessario per i singoli aspetti degli esempi)
Disgiunzioni delle parti dei gruppi tramite la selezione
Mappa
I
I.
Rientro
~I
Mappa
2
,.-----
3 02
Categorizzazione e memoria
Capitolo nono
30 3
certo comportamento, sia il legame tra selezione dei gruppi neuronali e ricompense vantaggiose per l'animale. Nel capitolo XI vedremo un esempio concreto di questo sistema di apprendimento nell' animale. Nelle figure 54 e 55 manca una descrizione delle strutture neurali implicabili in tali attività. Chiaramente, è importante il riferimento a specifici nuclei e lamine nervose e alla neuroanatomia; altrettanto chiaramente, a eccezione delle strutture menzionate nei capitoli precedenti, mancano dei riferimenti precisi e siamo in attesa di protocolli sperimentali qualificati. Alcuni di questi protocolli saranno proposti nell'ultimo capitolo; per ora, occorre adeguarsi a un argomento che, per ovvi motivi, non è del tutto persuasivo. La specifica realizzazione sotto forma di circuiti, che descriveremo nel capitolo x, evidenzierà finalmente 1'autoconsistenza di queste idee, dimostrando come la categorizzazione sia il preambolo per la generalizzazione. Il sistema che abbiamo descritto non potrebbe funzionare se gli eventi esterni non si riverberassero sulle popolazioni di sinapsi, come abbiamo visto nel capitolo VII. Se vogliamo generalizzare oggetti nuovi visti dopo una sequenza di oggetti-test, diventa indispensabile la memoria. Merita pertanto riconsiderare alcuni aspetti della memoria alla luce di quanto adesso sappiamo sulla categorizzazione e sulla generalizzazione.
neuronali che riconoscono caratteri unici in una mappa possano essere associati simultaneamente alle correlazioni dei caratteri associati in un'altra mappa, ricavandone configurazioni costanti, possibili grazie a rappresentazioni topologiche simili a quelle dei complessi senso motori, descritti nel capitolo precedente; 6) le funzioni rientranti di tali mappe possono propendere, in momenti diversi, verso una spiccata componente locale oppure verso una globale, a seconda che venga evidenziato il rilevamento oppure la correlazione del carattere. Se un sistema di mappaggio globale è congegnato in questo modo, allora può trattare gli insiemi polimorfi. Come viene schematizzato nella figura 54, il sistema effettua tale operazione mappando le disgiunzioni, scelte con criteri adattativi, sulle disgiunzioni di parti rappresentate da insiemi degenerati di gruppi neuronali selezionati, accoppiati in serie e in parallelo (fig. 55). Naturalmente, questo campionamento dipende dalle caratteristiche dell' apparato sensomotorio e dai fondamenti etologici [Marler e altri 198 l; Gould e Marler 1984] del comportamento. Va riconosciuto che questo sistema non è né completo né esente da errori - ciò che basta è una soglia di risposta che generi un comportamento adattativo. La ragione per cui il sistema può generalizzare è che la completezza e 1'assenza di errori sono compensate da un mappaggio sufficiente tra le proprietà dei caratteri campionate localmente e dalle definizioni globali dell' oggetto emerse correlando i caratteri (si noti la similitudine con la correlazione dei caratteri nella definizione degli oggetti da parte dei neonati). La specificità e la variabilità potenziali, proprie del rilevamento del carattere, vengono cosi riferite alla invarianza della correlazione indipendente dei caratteri nell'ampio insieme costituito dalle differenti proprietà dell'oggetto. Se il campionamento di queste due funzioni si verifica piu o meno separatamente in parallelo e in tempo reale, allora ciascuna funzione può di volta in volta fluttuare ampiamente. Nella struttura neurale 1'efficacia delle connessioni associative di ordine superiore può subire fluttuazioni altrettanto ampie, ma, in presenza dell'oggetto, vengono ripetutamente rinforzate dal rientro che si verifica in frazioni di tempo successive, in concomitanza con il campionamento da parte di coppie o di n-tuple di classificazione. Come vedremo piu avanti, l'apprendimento associativo convenzionale, pur legando un tale sistema alle risposte e alle ricompense, non può mai essere responsabile della generalizzazione iniziale realizzata dal sistema. Tuttavia, un apprendimento di questo tipo assicura sia l' output verso un
7. Il problema della memoria rivisitato.
Nella prima parte del capitolo abbiamo adottato la tattica di evitare il problema della memoria semantica. Piuttosto, la nostra scelta è stata indirizzata verso che cosa viene ricordato e come viene definito in un primo tempo a livello percettivo. L'importante domanda che adesso dobbiamo porci è: la memoria è replicativa? In altre parole, ciò che viene archiviato è qualcosa di simile a un insieme organico (per quanto trasformato) di caratteri, attributi, e proprietà, in analogia a un computer che memorizza insiemi di valori di grigio in una matrice per rappresentare una scena? Se ci basiamo sulle tesi sviluppate in questo capitolo risulta che le cose stanno diversamente. Infatti, abbiamo sostenuto la teoria secondo cui percezione, categorizzazione, generalizzazione e memoria sono intimamente legate. Nella nostra teoria, la memoria è una forma di ricategorizzazione che si basa sull' input; in questo senso, la sua
,
.iJ
30 4
Categorizzazione e memoria
Capitolo nono
30 5
una parte di specificità a favore dell'intervallo, esso si pone in una condizione ragionevolmente buona per comportarsi adattativamente. Se quel comportamento è ricompensato, il guadagno o la perdita nella quantità di "informazione" è un giudizio ex post facto di dubbia efficacia. Tale concezione dei fondamenti percettivi della memoria modifica il concetto di memoria intesa come archivio e il suo rapporto con la variazione sinaptica; essa trasforma anche la nostra comprensione di alcune idee affini, ma piu astratte, riguardanti le immagini e le proposizioni. L'archiviazione mnemonica, che si verifica variando le forze sinaptiche (si veda il capitolo VII), favorisce le connessioni tra interi sistemi o popolazioni di gruppi neuronali che rispondono allo stesso carattere e le popolazioni di gruppi isolati, attive nel correlare i caratteri e nell' ottenere risposte grosso modo costanti. Si può accedere a questa rete dinamica per vie diverse, ma, in linea di massima, non si verifica 1'archiviazione di un ampio insieme di caratteri riferiti a un oggetto. Invece, è sufficiente" archiviare" quelle modificazioni sinaptiche relative alle procedure che consentono in maniera degenerata le combinazioni degli esempi, le combinazioni piu frequenti e gli aspetti disgiuntivi [Fuster 1984]. E, naturalmente, non viene archiviata una rappresentazione completa dell'oggetto. Se la presenza di un oggetto riattiva un qualunque sottoinsieme di gruppi neuronali in una coppia di classificazione, gli altri gruppi che sono in relazione a caratteri necessari o non necessari in un mappaggio globale hanno maggiori probabilità di essere, a loro volta, attivati. La risposta mnemonica viene generata dal complesso senso motorio, dalla sua attività ripetitiva e dalle risposte coordinate con la funzione delle coppie di classificazione (fig. 55) nei mappaggi globali (fig. 50). In una concezione di questo genere, possiamo comprendere sia la natura probabilistica che quella basata su esempi di questo sistema misto, di cui è altresl evidente lo spiccato senso procedurale.
natura è piu trasformativa che replicativa, sebbene le modificazioni nei caratteri tipici possano corrispondere a variazioni sinaptiche in diverse parti di una coppia di classificazione. Questa tesi - che la memoria sia una forma di ricategorizzazione derivante da una maggiore capacità di categorizzare e di generalizzare - non si discosta poi molto da alcuni aspetti dello schema motorio di Head [1920; Oldfield e Zangwill 1942a, 1942b, 1942C, 1943] e dalle concezioni successive di Bartlett [1964]. Ma, a parte il comune trasferimento della questione sul piano dell'organizzazione neurale, la nostra teoria se ne differenzia per numerosi aspetti. Infatti, essa si limita alle categorie percettive e affronta direttamente gli aspetti non verbali, propedeutici per la creazione di qualunque modello di memoria piu ambizioso, sostiene esplicitamente che 1'essenza della memoria è la generalizzazione (non proprio 1'apprendimento associativo), e che è la natura selettiva dei sistemi neurali ad alimentare la memoria stessa. Infine, ritiene necessario un processo neurale specifico o una forma di organizzazione per realizzare una memoria ricategoriale (un mappaggio globale; si veda la fig. 50), e che questo substrato sia il requisito minimo per realizzarne la funzione. Secondo la teoria, è importante riesaminare rigorosamente il rapporto tra memoria e informazione nel cervello, insieme al concetto di archivio mnemonico limitato [Pierce 1961]. Se la ricategorizzazione realizzata dalle coppie di classificazione presenta un elemento variabile, e poiché la categorizzazione è un processo selettivo continuamente attivo di scomposizione disgiuntiva di un mondo" senza etichette", allora non è molto appropriata l' idea ~tatica di informazione, proposta dalla teoria della comunicazione. E vero che, se aumenta la categorizzazione dei membri di un insieme, si verifica una maturazione del comportamento adattativo e della generalizzazione della risposta; è altrettanto possibile che il tutto si accompagni a una diminuzione della degenerazione nei circuiti neurali che mediano la risposta. Ma, dato che nei sistemi selettivi esiste sempre un compromesso tra specificità e intervallo (si veda il capitolo II), e poiché, in generale, non vi è una relazione codificata a priori tra il comportamento di un animale e gli oggetti ed eventi presenti nel suo ambiente, non ci aiuta affatto parlare di informazione (tranne a posteriori, dal punto di vista di un osservatore). È altrettanto infruttuoso cercare di misurare la capacità di un sistema di questo tipo ricorrendo alla teoria dell'informazione: se un animale perviene, anche vagamente, a una risposta che categorizza uno stimolo rinunciando a
È l'insieme delle capacità impiegate per ricavare un insieme definito di procedure (o atti) che consente la categorizzazione, poi ricordata. Questo si verifica per mezzo di associazioni interne derivanti dal confronto con gli oggetti e le proprietà comuni negli insiemi polimorfi, rinforzate dall' apprendimento associativo (capitolo XI). In precedenza abbiamo considerato la struttura generale dei substrati neurali indispensabili nella categorizzazione percettiva, ma abbiamo trascurato la modalità con cui essi si uniscono per formare un insieme coerente che riflette la successione degli eventi. Al cospetto dei segnali piu diversi, vengono impiegate numerose coppie (ed
L
30 6
Capitolo nono
n-tuple) di classificazione distribuite in diverse aree corticali e sottocorticali. La questione fondamentale è come questo insieme disperso rispecchi la continuità temporale e la successione, caratteristiche di oggetti ed eventi, richiamandole, per esempio, nei movimenti di attacco o difesa. Una tra le caratteristiche peculiari della memoria legata alla categorizzazione percettiva e all'azione è questa continuità dinamica 14. Qual è la sua sede? Secondo la teoria deve esistere un' area o regione cerebrale deputata a questo scopo e deve essere adatta per consentire la concatenazione delle coppie di classificazione. Tuttavia, tale area non dovrebbe essere la stessa in cui è in corso la classificazione delle proprietà disgiuntive; piuttosto, dovrebbe essere un'area in cui diverse coppie di classificazione possono essere connesse in successione e organizzate secondo tempi di un ordine di grandezza superiori rispetto al tempo massimo impiegato da un animale per allontanarsi da una minaccia. Chiaramente, si tratta di un'esigenza evolutiva piuttosto forte - è ovviamente utile, per esempio, nella ricezione e reazione a diversi segnali uditivi, ma è anche importante in situazioni di attacco osservato visivamente. Pur essendo azzardata 1'estrapolazione e 1'assegnazione della funzione ad aree e strutture cerebrali specifiche, è sensato ritenere che le regioni temporomediali ", l'ippocampo e il complesso amigdaloideo siano tra i candidati possibili per svolgere questo ruolo. Recenti studi neuropsicologici [per una rassegna, si veda Squire 1986] e una serie di studi effettuati su scimmie dopo ablazione [Mishkin 19 82 ; Mishkin e altri 1984] basati su un lavoro classico [Milner 19 85], han14 La continuità che Edelman applica anche alla coscienza [Edelman 19 8 9b] è una proprietà che non trova concorde il filosofo Daniel Dennett [1991, trad. it. p. 395], il quale afferma che «uno dei caratteri piti sorprendenti della coscienza è la sua discontinuità», e per sostenere questa tesi si richiama a Marvin Minsky [1985] secondo cui «paradossalmente, il nostro senso della continuità proviene dalla nostra meravigliosa insensibilità alla maggior parte dei cambiamenti, piti che da un' autentica capacità di percezione [Dennet 1991, trad. it. p. 3 0 5]. 15 Le regioni temporomediali sono costituite dall'ippocampo e dalla corteccia adiacente e correlata, che comprende la corteccia entorinale, peririnale e paraippocampale. Queste strutture, «presumibilmente in virtti delle loro diffuse e reciproche connessioni con la neocorteccia, sono essenziali per stabilire. la memoria a lungo termine relativamente a fatti o a eventi, cioè la memoria dichiarativa. Il lobo temporale mediale come sistema di memoria è importante per legare assieme le archiviazioni distribuite nella neocorteccia che rappresentano una memoria globale. Tuttavia, questo ruolo è solo temporaneo, infatti, con il passare del tempo dall'apprendimento, la memoria archiviata nella neocorteccia diventa gradualmente indipendente dalle strutture del lobo temporale» [Squire e Zola-Morgan 199r].
Categorizzazione e memoria
3°7
no dimostrato che queste regioni svolgono un ruolo fondamentale nella mediazione della memoria a breve termine, ma non sono le sedi per un richiamo diretto di questo tipo di memoria. Quindi, nonostante la rimozione di una o piu di queste regioni procuri dei gravi deficit nella memoria a breve termine, la maggior parte dei dati indicano che queste strutture non sono per sé le sedi della categorizzazione. Attualmente abbiamo dati appena sufficienti per ipotizzare che 1'ippocampo [Isaacson e Pribram 1975; Weiskrantz 1978] possa svolgere un ruolo nel modulare gli aspetti sensoriali della percezione, in 'analogia a quanto svolto dal cervelletto [!to 1984] nel comportamento motorio (si veda il capitolo vm). Entrambe le strutture presentano una architettura neuronale ripetitiva con caratteristiche connessioni convergenti-divergenti, sono sedi per iI rientro e, a livello sinaptico, del potenziamento a lungo termine 16 [relativamente all'ippocampo, si vedano Lynch e altri 1976,1977, 1982; Andersen 1977, 1980; Lynch e Baudry 1984] e della depressione a lungo termine [relativamente al cervelletto, si veda Ito e altri 1982] ". In queste strutture gli effetti sinaptici metastabili (si veda la fig. 50) possono consentire che un mappaggio globale agisca da filtro selettivo per iI sincronismo degli eventi richiesti per incrementare la variazione a lungo termine nelle aree corticali. Si presume che il cervelletto, analogamente all'ippocampo, agisca come un sistema di ripetizione in tempo reale che unisce in una sequenza omogenea diverse parti non previste delle sinergie; tuttavia, a differenza dell'ippocampo, coordina l' output che genera 1'azione. In entrambi i casi siamo in presenza di una logica afeedjorward, ed è assente una mediazione diretta delle funzioni che ippocampo e cervelletto contribuiscono a perfezionare con la loro attività. Sia nella struttura dell'ippocampo che in quella del cervelletto vi è un'organizzazione circuitale input-output che sembrerebbe ideale per creare dei legami sequenziali tempo-dipendenti. In seguito, legami di questo tipo potrebbero orchestrare le connessioni secondarie, assicurando variazioni sinaptiche nella corteccia tra coppie di classificazione del sistema sensoriale, e tra queste coppie e regioni motorie non organizzate a mappa. Secondo questa ipotesi, l'ippocampo è un centro 16 Per una rassegna sul potenziamento a lungo termine si veda Bliss e Collingridge [1993]· " Per una rassegna sulla depressione a lungo termine si veda Linden [1994].
308
Categorizzazione e memoria
Capitolo nono
30 9
particolari che potrebbero essere apprese. Naturalmente, in animali dotati di linguaggio tali sequenze apprese sarebbero presenti, ma potrebbero essere riorganizzate o accantonate in funzione di altre esigenze. Concludendo, possiamo chiederci: quale relazione esiste tra questo concetto riduttivo di memoria a fondamento percettivo e la memoria dichiarativa [Squire 1982]? Poiché la memoria dichiarativa dipende dalle capacità semantiche, dalla nozione del sé, dalla coscienza e dalla trasmissione culturale, dobbiamo rimandarne l'approfondimento. Tuttavia, se la nostra teoria è corretta, la memoria come ricategorizzazione è una componente necessaria, ma, ovviamente, non sufficiente per l'esperienza percettiva che forma tale memoria dichiarativa; è necessario, per esempio, l'apprendimento associativo (si veda il capitolo XI). Questo concetto, che a un primo sguardo non appare molto articolato, si arricchisce se consideriamo che i poteri della ricategorizzazione aumentano enormemente all' aumentare del numero di coppie di classificazione indipendenti e operanti in sincronismo. Inoltre, se aumenta il numero di tali architetture neurali, è un fatto inevitabile che la memoria abbia una natura distribuita. Se ciò che viene archiviato non è una replica della categoria o dell'evento, ma è piuttosto la capacità di generalizzare e perciò di incanalare il comportamento verso le opportune ricompense, non esiste un singolo e privilegiato sito di "memoria" o di" traccia" [Lashley 195 0 ]. La memoria ricategoriale è dinamica, in trasformazione, associativa e distribuita - le sue procedure rappresentano le categorizzazioni, ma non sono necessariamente rappresentazioni [si veda Rortblatt 1982 ]. Le verifiche della consistenza di queste teorie sui fondamenti neurali della memoria devono dimostrare come le sinapsi possano variare le loro proprietà popolazionistiche in una rete selettiva, compatibilmente con la funzione di una o piu coppie di classificazione, e devono dimostrare come le coppie stesse possano essere un ausilio per l'apprendimento. Gli argomenti che svilupperemo nei prossimi due capitoli cercheranno di affrontare queste sfide, esemplificando la categorizzazione nelle coppie di classificazione sotto forma di un modello verificabile e analizzando la relazione tra memoria (come l'abbiamo appena definita) e apprendimento. Naturalmente, queste teorie hanno bisogno di una verifica empirica realizzabile con degli esperimenti, alcuni dei quali saranno indicati alla fine del libro.
ripetitivo e sincrono posto in rete che connette in successione o in sequenze ordinate l'attività di coppie di classificazione distribuite (prevalenti nella corteccia cerebrale) e implicate nella categorizzazione disgiuntiva. Da questo punto di vista, non sono casuali le connessioni tra queste aree e il sistema limbico, le quali consentono di assegnare un valore all' apprendimento e, come approfondiremo nel capitolo XI, risultano essenziali per l'apprendimento stesso. In questo sistema [Mishkin 1982; Mishkin e altri 1984], l'amigdala svolge un ruolo fondamentale nelle interazioni tra diversi sistemi. Errori nella coordinazione della successione o nel legame delle coppie di classificazione potrebbero determinare alcuni deficit nei legami rappresentativi dei sistemi sensoriali della corteccia, impedendo quindi una memoria a breve termine coerente. Tuttavia, dopo il consolidamento della memoria a breve termine e la formazione di connessioni secondarie tra coppie di classificazione nella corteccia non sarebbe necessaria la scansione operata dall'ippocampo in tempo reale. In questa concezione, è possibile che la memoria a lungo termine si formi tramite connessioni secondarie e, in una memoria associativa di questo tipo, la scansione può essere una proprietà derivata, senza bisogno di quella ripetizione che si presume necessaria per l'ippocampo. Questa concezione prevede tre conseguenze. La prima è che le stesse coppie di classificazione coinvolte nella memoria a breve termine possano essere completamente o in parte trasformate in memoria a lungo termine tramite variazioni sinaptiche esterne all'ippocampo. La seconda è che, in virtu della fisica percettiva, la continuità a brevissimo termine sia conservata anche tra coppie svincolate e senza l'azione dell'ippocampo; allora, la funzione dell'ippocampo sarebbe quella di legare eventi ripetitivi, ma varianti, o di compensare le brusche variazioni che si verificano in scale temporali forse dieci o cento volte superiori rispetto ai tempi della risposta motoria dell' organismo. La terza conseguenza, che dipende dal grado di consolidamento, è che la memoria a lungo termine si gioverebbe di alcune o di tutte le coppie di classificazione impiegate nella memoria a breve termine. Tuttavia, contrariamente alla memoria a breve termine, non mostrerebbe una successione obbligata nel legame di queste strutture né farebbe affidamento sull'ippocampo. In animali con i lobi frontali atrofici, qualunque combinazione delle coppie di classificazione legate da connessioni secondarie rinforzate dall' apprendimento sarebbe adeguata per consentire il volo e la difesa (la categorizzazione è spesso priva di un ordine). In animali con i lobi frontali normali, le connessioni secondarie hanno effettivamente imposto delle sequenze
I
lJ
Reti selettive e automi percettivi
Capitolo decimo Reti selettive e automi percettivi
Automi percettivi, p. 3 IO. - Le caratteristiche del progetto Darwin II, p. 311. - Le prestazioni dell'automa, p. 318. - La generalizzazione, p. 322. - L'associazione, p. 323. - Textoretica, p. 328.
l.
Introduzione.
La nostra ipotesi secondo cui la categorizzazione percettiva scaturisce da coppie di classificazione agenti di concerto nei mappaggi globali, e la concezione della memoria come ricategorizzazione sono insieme descrizioni convincenti ed essenziali per la teoria, ma non per questo garantiscono che il sistema funzioni effettivamente. Inoltre, i tre fondamenti della teoria della selezione dei gruppi neuronali (cioè, la generazione del repertorio primario durante lo sviluppo, la selezione sinaptica che genera i repertori secondari, e il rientro) pur essendo ragionevolmente semplici da spiegare, diventano estremamente complessi quando agiscono in reti interattive non lineari. Entrambe qu~ ste ragioni ci spingono a esplorare tali interazioni, simulandole. E in gioco l'autoconsistenza della teoria: è possibile che una rete precablata o un' associazione di reti basata sui principi selettivi e sul rientro risponda in modo stabile e adattativo a input che rappresentano il mondo, realizzando il riconoscimento di caratteri, la categorizzazione e l'associazione, senza alcuna istruzione a priori I, alcuna regola semantica, o alcun apprendimento forzato? Possiamo trasfondere le ipotesi avanzate nel capitolo precedente in un modello realistico? Volendo risolvere questi interrogativi, George Reeke jr ed io [Edelman e Reeke 1982; Reeke ed Edelman 1984] abbiamo concepito e simulato in un potente computer digitale un automa, Darwin n, in cui abbiamo incorporato i fondamenti della teoria, per quanto non si tratti di un modello esplicito né di una parte né di tutto il sistema nervoso animale. Comunque, descriverlo ci può aiutare a metI
Il cosiddetto apprendimento senza istruttore (unsupervised learning).
3I
I
tere a fuoco alcune problematiche sperimentali consentendoci anche di esplorare il potere delle reti selettive 2 nel risolvere veri problemi di categorizzazione, indicandoci la via verso la creazione di sistemi artificiali che percepiscano i caratteri e che siano basati sui principi delle teorie selettive. Per quanto Darwin n sia limitato, si tratta comunque di una macchina di nuova concezione il cui comportamento è analogo a una coppia di classificazione, in quanto può funzionare senza un programma e senza un apprendimento forzato, riconoscendo degli stimoli "visivi" bidimensionali, classificandoli e formando delle associazioni tra essi. Nella fase di progettazione vi abbiamo incluso molti aspetti del mappaggio globale e, inoltre, il modello è una valida rappresentazione di un tipo di rientro, poiché agisce in una coppia di classificazione. Ci troviamo dinanzi a un dilemma quando cerchiamo di simulare la complessità funzionale delle reti neurali superiori; cioè, da un lato, qualunque rappresentazione in una macchina deve essere molto contenuta rispetto alle reti neurali reali, dall' altro, la struttura interna di un modello di coppia di classificazione, quale è Darwin n, per quanto semplificata ed essenziale, deve essere estremamente complessa rispetto alla logica dei computer. È una complessità che dipende dall' ampiezza richiesta dai repertori, dal parallelismo insitonelle coppie di classificazione, dalla non-linearità nel comportamento delle reti e dalla deliberata omissione di componenti semantiche o istruttive nel progetto della macchina. La descrizione di Darwin n ha uno scopo squisitamente euristico: infatti, intendiamo dimostrare come una parte della teoria selettiva, in particolare quella descritta nei capitoli precedenti, sia incorporabile in una rete realistica capace di auto-organizzarsi.
2.
Darwin II: il sistema.
Nel concepire Darwin n abbiamo seguito alcune regole (tab. 1 l).
Ci è parso ovvio che il sistema dovesse essere una rete. I nodi della rete sono gli elementi di riconoscimento del modello e corrispondono ai gruppi neuronali postulati dalla nostra teoria. Abbiamo pensa2 Le reti selettive occupano una nicchia specifica nell' ambito delle reti neurali artificiali. In particolare, Edelman e collaboratori le definiscono modelli neurali sintetici, in quanto integrano molteplici livelli: la sinapsi, il neurone,l' area neurale, il fenotipo e la storia individuale degli stimoli e delle risposte nell'ambiente [Reeke e Sporns I993].
3 12
Reti selettive e automi percettivi
Capitolo decimo
coefficente di inibizione fisso; Sk è lo stato del gruppo definito da k, che comprende tutti i gruppi in uno spazio inibitorio specificato attorno al gruppo i; al è la soglia dell'input inibitorio (vengono inclusi solo input con Sk 2: al); N rappresenta il rumore ricavato da una distribuzione normale con media e deviazione standard scelti;
to di simulare i gruppi nei loro aspetti funzionali, ma non nei loro dettagli elettrofisiologici. Ogni gruppo nel modello è in uno stato corrispondente al proprio livello di attività. Lo stato di un gruppo dipende esclusivamente dagli input attuali e dalla sua storia passata. I gruppi possono trasmettere i valori delle loro variabili di stato ad altri gruppi tramite le connessioni della rete, in analogia alle sinapsi del sistema nervoso. Prima di parlare della struttura globale vediamo che cosa è un gruppo. Un gruppo (fig. 56) è, dal punto di vista formale, un aggregato di unità neurone-simili, sebbene le connessioni tra le unità dei gruppi non siano state considerate esplicitamente nella simulazione (la didascalia della fig. 56 è una sintesi della funzione di un gruppo; invece, i dettagli appaiono nelle equazioni sottoI stanti). I gruppi ricevono numerosi input provenienti da altri gruppi presenti nella rete stessa o in reti diverse. Lo stato di ogni gruppo è caratterizzato da una singola variabile scalare s, tempo-dipendente, determinata dagli input e dalla storia passata del gruppo, secondo una funzione di risposta non lineare,
Si(t)
= ~Ci;(Sl-' ;
'I
aE) -
~ ~(Sk k
al) + N + W'Si(t - r)
Figura 56. Struttura logica di un gruppo in Darwin II. Tutti i repertori dell' automa si costituiscono connettendo insieme dei gruppi che condividono la struttura logica, come sintetizzato nella figura 57. Esistono due classi di connessioni in input. Le connessioni specifiche (in alto a sinistra) possono derivare da una matrice di input o da gruppi appartenenti allo stesso repertorio o ad altri. Le fonti di tutte queste connessioni sono specificate da liste (<
[r3]
dove Si(t) è lo stato del gruppo i-esimo al temp,o t; Ci; è la forza di connessione dell' input i-esimo al gruppo i (per Ci; > O, eccitatorio; per Ci; < Oinibitorio); SIi' è lo stato del gruppo specificato da li; (cioè, del gruppo connesso cdn l'input j-esimo del gruppo t); E è la soglia dell'input eccitatorio (vengono inclusi solo input con Sii; 2: E); ~ è un
a
31 3
a
r-------------~·I '.~1.I ... :.~~~·~----
Tabella I I. Regole di base per progettare un automa percettivo.
~OE?
Sei!
I
.. - - - -Aggiusta Cij XCi!
\
"~ > ; I"',? I"" ':C0
Il sistema deve essere una rete. I nodi della rete sono elementi per il riconoscimento e corrispondono a gruppi di neuroni. L'attività di ogni gruppo dipende solo dai suoi input e dalla sua storia passata. I gruppi possono segnalare la loro attività ad altri gruppi lungo le connessioni delle reti (" sinapsi "), La connettività, una volta stabilita, non può variare (dogma a senso unico). Le forze di connessione variano in risposta alla attività di uno o entrambi i gruppi connessi (regole sinaptiche). Non è inserita alcuna informazione sugli stimoli, e non si verifica alcun apprendimento forzato negli stadi iniziali della categorizzazione (ignoranza neuronale; sistema selettivo) ,
"~~~ Si+l~051 ,~
Si+2~'-
:.
,.---, XJ3
+/
Si_l~
11
l
Decadimento ~Op?
SON?
+Q>lb-
Si
verso
altri gruppi
Reti selettive e automi percettivi
Capitolo decimo
314
_ affine, da questo punto di vista, alle scelte inscritte negli organismi dai loro programmi e fenotipi, evolutisi nel tempo. La figura 57 illustra uno schema generale di Darwin II. In alto possiamo osservare una matrice di input, in cui gli stimoli figurano come pixel accesi e spenti su una griglia. (Sono impiegabili caratteri dell'alfabeto su una griglia I6 x I6, ma qualunque configurazione bidimensionale va bene). Sotto la matrice di input viene rappresentato il sistema vero e proprio che consiste in due reti distribuite in parallelo, ognuna composta da diverse sottoreti o repertori (indicati dalle caselle), che sono attivi in parallelo e "si parlano" tramite il rientro,
e, infine, w è un parametro di durata (w = e-l/T, dove't è una costante temporale caratteristica). Il primo e il secondo termine della funzione di risposta vengono trascurati finché la loro somma non supera una soglia di attività positiva (e p) o è inferiore a una soglia inibitoria negativa (e N). (Vengono anche inclusi i gruppi con una fase refrattaria successiva a un'eccitazione oltre la soglia). Il numero di gruppi di ogni repertorio e il numero di connessioni verso ogni gruppo sono variabili a piacere; la memoria del computer consente un massimo di circa I06 connessioni distribuite nei modi piu diversi tra i vari repertori. La funzione di amplificazione, progettata per varare la "forza sinaptica" o efficacia Cij di una connessione in base all' attività dei gruppi pre- e postsinaptici, è data da Cij(t + I)
= Cii (t) + o· cP (CijHSi - eMIHsi - eMI)
315
Figura 57. Piano costruttivo semplificato di Darwin II. Una spiegazione dettagliata è presente nel testo. Si osservi la generale somiglianza a una coppia di classificazione (cfr. fig, 55)·
[I4]
o
dove è il fattore di amplificazione (0:5 0:5 I); cp(C) è un fattore di saturazione che impedisce a ICiil di superare il valore di I [cp (c) = 2 4 I - 2C +C se C'(Si-eMI)'(Si-eMi) >0; cp(C) = I se C'(Si-eMI)' (Si - eM,:5 O]; e eMI e eMI sono le soglIe di amplificazione per i gruppi postsiriaptici i e per i gruppi presinaptici j. Si possono concepire complessivamente 3 4 = 8I regole di amplificazione per o positivo, negativo o nullo, a seconda che Si e Si siano superiori o inferiori rispettivamente alle soglie eMI e eMi' (In termini di reale attività neuronale, solo pochi tra questi sarebbero ragionevoli. Nella maggior parte degli esempi di questo capitolo, oera nullo per Si:5 eMI e Si:5 eMi; negli altri casi oera positivo). Prima di descrivere lo schema generale di Darwin II, dovremmo far notare che nell' automa, pur verificandosi variazioni nei parametri, tutti i gruppi sono simili. Esiste un ampio margine di libertà nelle connessioni dei gruppi nella rete; tuttavia, vale lo stesso principio in atto nel sistema nervoso centrale dell' adulto -le connessioni della rete, una volta formatesi, non variano piu. Possono però variare le forze di connessione e, grazie a questi cambiamenti, è possibile l'amplificazione selettiva della risposta, ipotizzata dalla teoria. Infine, una regola molto importante che caratterizza Darwin II rispetto ai modelli basati sui computer digitali e sull'intelligenza artificiale è che non può essere inscritta nel sistema alcuna informazione riguardante gli oggetti-stimolo. Naturalmente, l'informazione generale sui tipi di stimoli potenzialmente significativi per il sistema è implicita nella scelta degli elementi di rilevazione dei caratteri presenti nell' automa
I
'~---
--~
•
--l"
"'-
~
Matrice di input
"WAIL\CE" Traccia
-'111/
1..-
Li.J1ì , ,
~
-
ecc.
---
Gruppo
il
I
J "~ '.~
I [I
~I
3 16
Capitolo decimo
consentendo 1'emergere di una funzione assente in ciascuna rete isolata. Abbiamo denominato per convenzione i due insiemi di reti, che associati costituiscono una coppia di classificazione, «Darwin» e «Wallace », dai nomi dei due massimi esponenti della teoria della selezione naturale. La rete Darwin (a sinistra) è stata progettata per rispondere in modo specifico a ogni singolo stimolo, e corrisponde, grosso modo, alla categorizzazione basata sul!' esempio. Invece, la rete W allace (a destra), è stata concepita per avere reazioni simili al cospetto di oggetti appartenenti alla stessa classe, e corrisponde, all'incirca, alla categorizzazione basata su un accoppiamento probabilistico. Darwin e Wallace possiedono un livello strutturale comune. Entrambi sono connessi alla matrice di input (o "mondo"), il livello piu prossimo ai caratteri, sopra al quale vi è un livello di astrazione o di trasformazione che riceve l'input principale dal primo livello. Il primo livello di Darwin è il repertorio R, o "riconoscitore", il quale comprende dei gruppi che rispondono a singoli caratteri nella matrice di input come, per esempio, segmenti orientati in direzioni precise o con angoli particolari, come indica il riquadro piccolo (fig. 57)· I vari insiemi di rilevatori di caratteri sono connessi topograficamente alla matrice di input in modo tale che le risposte in R riproducono i rapporti spaziali dello stimolo. R è connesso a una rete trasformante di ordine superiore, definita R di R (" riconoscitore dei riconoscitori"). Ogni gruppo R di R è connesso a numerosi gruppi R distribuiti sopra la lamina R, quindi ogni gruppo R di R può rispondere a un'intera configurazione di risposta in R. In questo processo, non viene conservato il mappaggio topografico di R; come risultato, R di R effettua un'astrazione dello stimolo originario. (A titolo esemplificativo, se lo stimolo viene modificato, come nel caso di una traslazione in una nuova posit:ione sulla matrice di input, la risposta di R di R sarà molto diversa. E compito di Wallace occuparsi di questa traslazione e del bisogno di conservare l'invarianza. R di R si occupa delle singole proprietà di uno stimolo rilevando ne i caratteri; senza entrare nei dettagli, questi riguardano il rapporto tra stimolo e sfondo). Wallace, in quanto correlatore di caratteri, inizia con un meccanismo di tracciamento progettato per scandire la matrice di input, rilevando i contorni dell' oggetto e tracciandoli in modo da correlare i caratteri che rivelano la presenza di oggetti come singole entità e la loro proprietà di continuità; una traccia di questo tipo può riconoscere alcuni caratteri dell' oggetto, come le giunzioni tra linee di vario
Reti selettive e automi percettivi
317
tipo. Da questo punto di vista, Wallace si comporta come un occhio che scandisce rapidamente una scena per rilevare gli oggetti presenti o come un dito che traccia i contorni di un oggetto. La traccia stessa eccita un insieme di gruppi "virtuali" (G b ••• , G 27 nella fig. 57) in accordo con la topologia della configurazione dell' input. Definiamo questi gruppi, "virtuali", perché, nella simulazione, il loro input non presenta delle vere e proprie connessioni sinaptiche, ma è, invece, connesso a una simulazione computerizzata della scansione e del tracciamento. Questo non significa che non si comportino come gruppi fedeli. A loro volta i gruppi virtuali sono connessi a una rete di astrazione di ordine superiore, RM (" riconoscitore del movimento"), che risponde all' attività della traccia in modo molto simile a come R di R risponde all'attività in R. Poiché la traccia risponde alla presenza di linee o di giunzioni di linee e presenta un modesto interesse per la loro lunghezza e orientamento, RM è insensibile a trasformazioni rigide e non rigide dell'oggetto-stimolo e tende, piuttosto, a rispondere alle caratteristiche di classe di intere famiglie di stimoli correlati (si veda la «topologia» di Bernstein nella fig. 49). Le reti R di R ed RM sono unite da connessioni incrociate reciproche illustrate nella figura (al centro in basso). Si tratta di connessioni rientranti, in quanto connettono reciprocamente le varie parti del sistema, piuttosto che collegarsi all'esterno, e scambiano segnali di tipo fasico; inoltre, rendono possibile il richiamo associativo, consentendo a Darwin e a Wallace di interagire e di comportarsi come una coppia di classificazione 3. Poiché i diversi gruppi sono costtuiti con schemi di input e forze di connessione simili, i repertori dei gruppi stessi saranno degenerati quanto basta. La specificità dei gruppi dipende dalle rispettive forze di connessione - la risposta ottimale si ottiene quando gli input piu attivi sono connessi alle sinapsi con elevate forze di connessione. La figura 56 ci fa capire come queste forze varino, in una tipica connessione, con il procedere della selezione. Come abbiamo già detto, Darwin II consente di scegliere una qualunque tra ottantuno regole possibili per ciascun tipo di connessione. Queste regole sono accomunate dal fatto che la variazione nella forza di con3 Le ricerche neurofisiologiche (si veda il capitolo III, nota 5) sembrano aver individuato nella corteccia cerebrale un meccanismo di questo tipo, dove gruppi neuronali diversi, attivati da uno stimolo, dialogano, tramite il rientro. Tali risultati sperimentali hanno offerto lo spunto a Edelman e collaboratori per simulare in modo piil realistico l'integrazione tra sistemi corticali distribuiti [Finkel e Edelman 1989; Tononi e altri 1992a, 1992b; Friston e altri 1994].
Reti selettive e automi percettivi
Capitolo decimo
3 I8
erano attivate. Si può osservare che le risposte di R sono topografiche, assomigliando, in genere, alle lettere stimolo, tranne per alcune occasionali risposte al rumore. Le risposte in R di R, come atteso, sono individuali e peculiari, e per nulla topografiche, poiché i caratteri di parti diverse di R devono essere correlati. Le risposte alle due A non sembrano essere piu simili di quanto lo siano la risposta a una A e a una X, malgrado i risultati statistici evidenzino una maggior similitudine tra forme simili, come vedremo in seguito. La situazione in Wallace è completamente differente. Infatti, le risposte in RM sono molto simili per i due stimoli appartenenti alla stessa classe (le due A di forma diversa), e non sono in alcun modo sensibili agli aspetti peculiari di ciascuna lettera, e la risposta è indipendente da qualunque rotazione o traslazione della lettera. Quando si consente alla selezione di operare, con le forze sinaptiche che si modificano in accordo a una regola di amplificazione, le risposte diventano piu specifiche (si veda la fig. 59)· Gli istogrammi delle frequenze di queste risposte ne illustrano la distribuzione alla prima comparsa di un certo stimolo e dopo che lo stesso è ricomparso piu volte. Inizialmente, la maggior parte dei gruppi risponde debolmente, ma accade che alcuni rispondano molto bene. A selezione avvenuta, viene reclutato un maggior numero di gruppi aventi una valida risposta, inclusi tra quelli che in precedenza avevano una forza di risposta media, pur rimanendo disponibili numerosi gruppi silenti, predisposti a rispondere a futuri stimoli non impiegati nell'esperimento. Questo comportamento è un esempio di riconoscimento, ossia, una risposta piu intensa a uno stimolo già incontrato. Se lo stesso tipo di esperimento viene ripetuto con numerosi stimoli diversi, il sistema può effettuare una limitata classificazione (tab. 13)· La somi-
nessione dipende dalle attività pre- e postsinaptica e dal valore preesistente delle forze stesse, ma non da altre variabili. Nei limiti di questo modello semplificato, non è cosi importante quale regola sinaptica venga impiegata, una volta stabilito che le connessioni devono potersi rinforzare o indebolire - altrimenti, tutte le sinapsi tenderebbero a un massimo di forza, e il sistema perderebbe la propria selettività. Poiché, realizzando 1'automa, abbiamo deciso di mantenerci entro limiti di complessità accettabili, non abbiamo incluso nelle regole sinaptiche il modello popolazionistico presentato nel capitolo VIT. Invece, le prime versioni della macchina impiegavano la sola variazione presinaptica, la sola variazione postsinaptica, oppure una regola affine alla regola di Hebb: cioè, se un certo gruppo risponde con forza e, simultaneamente è attivo 1'input a una delle sue sinapsi, allora aumenta la forza di quella sinapsi cosicché lo stesso input, ripresentandosi, potrà indurre una risposta piu intensa. Se l' input ~ forte e l' output è debole, o viceversa, la sinapsi si indebolisce 4. E importante capire che questa semplice regola, pur limitando le prestazioni della macchina, non ne modifica radicalmente il comportamento generale, che vedremo nella sezione successiva. Inoltre, a causa dei tipi di connessione e della natura selettiva dei gruppi dell' automa, anche regole cosi semplici non operano alcun trasferimento d'informazione tra i neuroni.
3. Darwin II: il comportamento. Per valutare i risultati ottenuti con Darwin II, abbiamo impiegato tre criteri (tab. 12) di successo: I) in Darwin, abbiamo valutato la generazione di rappresentazioni individuali, cioè risposte uniche a ogni stimolo diverso, e la stessa risposta, intensificata, allo stesso stimolo ripetuto; 2) in Wallace, abbiamo valutato la generazione di rappresentazioni di classe, cioè, risposte simili a stimoli diversi, aventi però caratteristiche di classe comuni; 3) nel sistema completo, a queste rappresentazioni individuali e di classe era richiesto di interagire, mediante il rientro, e di effettuare un richiamo associativo di stimoli diversi appartenenti alla stessa classe. La figura 58 illustra le risposte di singoli repertori in condizioni in cui le connessioni incrociate rientranti tra Darwin e Wallace non 4
3I 9
Tabella 12. Criteri per una prestazione di successo. "Darwin"
Rappresentazione individuale - risposta unica per ogni stimolo differente; la stessa risposta alla presentazione ripetuta dello stesso stimolo, ma piu intensa.
"Wallace" Rappresentazione di classe - risposta simile a stimoli diversi aventi caratteristiche comuni per classe. "Darwin II'' (sistema completo) Interazione di rappresentazioni individuali e di classe per fornire un richiamo asso· ciativo di stimoli differenti in una classe comune.
La cosiddetta sinapsi anti·hebbiana.
J
Reti selettive e automi percettivi
Capitolo decimo
3 20
glianza, ottenute per coppie di lettere (o modelli) nella stessa classe, sono divise per valori corrispondenti di somiglianza per coppie di modelli in classi diverse. Naturalmente, le classi di appartenenza delle diverse lettere impiegate sono stabilite dallo sperimentatore e non fanno parte delle potenzialità di Darwin II. Nella tabella 13 possiamo vedere i valori di questo rapporto per R di R e per RM al momento d'inizio di un tipico esperimento e dopo che la selezione ha operato su ciascuno stimolo presentato tre volte. Relativamente a questi stimoli, i gruppi in Wallace (R M) avevano una probabilità novantun volte maggiore di rispondere a tutti e due gli stimoli appartenenti alla stessa classe rispetto a stimoli di classi di-
glianza tra le risposte di un repertorio a due caratteri qualunque può essere misurata contando il numero di gruppi che rispondono a entrambe le lettere, dividendolo poi per il numero che si sarebbe ottenuto casualmente se lo stesso numero totale di gruppi attivi avesse avuto una distribuzione uniforme nel repertorio. Possiamo stimare la classificazione esaminando i rapporti in cui queste misure di somi-
Figura 58. Le risposte di repertori individuali (R, R di R, e R M ; i nomi sono in alto) a una A alta, stretta (riga in alto), a una A' piti bassa e piti larga (nel mezzo), e a una X (in basso). I cerchi rappresentano dei gruppi che rispondono al 50% (cerchi piccoli) o piti rispetto alla risposta massima (cerchi grandi). I gruppi che rispondono per meno di metà della rispo'sta massima non sono illustrati, lasciando delle aree vuote nei diagrammi dei repertori. "DARWIN" RdiR
ID
o
0°
o
QQo
A
.
p
o
0'0 O • 0 8. o O 000 00 00 o O O O •• O t> § €I O ,0 0 e :
O O
b
A
O
O O
O
..
~
O
o
o O
(
O OQ)
O
o
O Q.
o
'B
O
g
O 00
8
O 11
.Qo.~ .. o
O li 0
8
o
O",
~
ç'
.
t
•
" o0,5i'
~ Do
0
~
I
< O •
O o
100
ao~
CO
..
00
x
1
o(ll)
8
o
B)
A)
600
o
0000 Co o • O 8
010
O
000 O
O :
/'>0 o
o o(ll)
O
~'OOO
~0<Ò>'
O
O • O
o
o
RM
00
~ b,~l' . P l! o o II)
Figura 59. Istogrammi della frequenza di risposta. A) Risposta iniziale a un nuovo stimolo. B) Risposta allo stesso stimolo dopo che la selezione è proceduta per una volta. Ascissa: livelli di risposta s, espressi come frazione della risposta massima. Ordinata: numeri di gruppi che rispondono allivello s.
"WALLACE"
R
~
.
z
!
50
000
0
O O O
o O OCP
o
ca: O
3 21
I o
...... i
~. I i I i
l i
0,5
Risposta, s
O
t~
o
0,5
Risposta, s
3 22
Capitolo decimo Reti selettive e automi percettivi
verse. Quindi, il sistema classifica fornendo risposte simili a caratteri diversi, ma dello stesso tipo. Come abbiamo già detto, anche in Darwin possiamo scorgere una minima traccia di classificazione, come indica il valore di 1,2 I per il rapporto iniziale. Dopo la modificazione selettiva delle forze di connessione, la capacità di classificazione progredisce, nonostante l'assenza di unfeedback dall'ambiente che consentirebbe al sistema di "imparare" quali sono le risposte" corrette".
cazione, dimostrando che le reciproche connessioni rientranti possono realizzare un richiamo associativo di risposte a stimoli che il sistema colloca nella stessa classe, grazie alle risposte simili che esse evocano nella rete Wallace e, in grado minore, nella rete Darwin. Nella figura 60, viene illustrato lo schema di un sistema per un esperimento di associazione. Sono impiegati solo due stimoli: una X e un +, scelti poiché le loro risposte in R di R sono assai diverse, mentre le loro risposte in RM sono molto simili (ovviamente perché ognuna consiste di una coppia di linee che si incrocia al centro). Quando la X compare per prima (fig. 60, riquadro a sinistra), R (a sinistra al centro) fornisce la risposta topografica attesa; R di R presenta una configurazione unica e specifica per quello stimolo (per chiarezza, nella figura viene mostrato un solo gruppo attivo, con la stimùlazione che segue il percorso I). Contemporaneamente, in Wallace si genera una traccia che determina una risposta opportuna in R M • Vi sono delle connessioni incrociate bidirezionali tra R di R e R M ; le connessioni che eventualmente uniscono i gruppi attivi nei due repertori sono rinforzate dalla normale procedura di modificazione (percorso 2). Nel riquadro al centro della figura 60, la X viene rimossa e sostituita da un +. I gruppi precedentemente attivi in risposta alla X si disattivano (cerchi vuoti) sebbene le connessioni che li uniscono rimangano rinforzate (linee continue). In Re R di R, come risposta al +, diventano attivi nuovi gruppi (cerchi pieni); le connessioni tra questi gruppi vengono
Se estendiamo i risultati precedenti a stimoli non inclusi nell'insieme di allenamento (l'insieme presentato durante la selezione) ne ricaviamo la generalizzazione (tab. 14) sia in RM che in R di R. In RM questa è una conseguenza diretta delle caratteristiche di risposta di classe di quel repertorio, ma non lo è in R di R; tant'è che si riesce a generalizzare solo in presenza di connessioni rientranti da RH a R di R e all'interno di R di R. Queste connessioni consentono a RM di influenzare 1'attività di R di R, rafforzando le connessioni comuni quando rispondono a stimoli diversi, ma simili nella risposta in R",r, poiché appartengono alla stessa classe. In un esperimento (tab. 14) riguardante lettere di prova mai incontrate, in R di R il rapporto di similitudine delle risposte nell' ambito della stessa classe rispetto a quello tra classi diverse era 6, IO dopo la selezione basata su altre lettere dello stesso tipo (l'insieme di allenamento), mentre inizialmente era soltanto 1,77. I risultati basati su un insieme di controllo costituito da lettere non correlate dimostra che si tratta di un effetto specifico, non dovuto a un generico aumento della somiglianza di risposta a tutti gli stimoli. Sebbene questi risultati ci aiutino a comprendere come le reti Darwin e Wallace esaudiscano i criteri per cui sono state progettate, abbiamo voluto impiegarle insieme sotto forma di coppia di classifi-
Tabella 14. Generalizzazione in R di R. rnterclasse / Caso
Tabella 13.
Numero di gruppi che rispondono a stimoli nella stessa classe/numero di gruppi che rispondono a stimoli in classi diverse.
Inizialmente Dopo la selezione
rnterclasse / Caso
Interclasse / rnterclas,e
inizialmente
La classificazione in Darwin II.
Darwin (RdiR)
Wallace
1,2I
9°,°3 24 I ,30
I>4 I
32 3
Insieme di allenamento Insieme di prova Insieme di controllo
2,°9 2,89
Insieme di prova Controllo
6,IO
0,7 2
I,63 I,96
2,90 1,77
(R M )
dopo la selezione
Repertori: R, }840 gruppi; altri, 4096 gruppi; nessuna connessione Darwin-WalIace. Stimoli impiegati: 16 (4 per ciascuna di 4 classi). Amplificazione: } serie di 4 stimoli/corsa, 8 cicli/stimolo.
I
~ I
lJ
1,00
1,00
Repertori: R, }840 gruppi; altri, 1024 gruppi. Connessioni a ciascun gruppo R di R: 96 da R, 64 da R di R, 128 da RM. Amplificazione: 4 serie di 16 stimoli ciascuna, 4 cicli/stimolo.
6,10
Capitolo decimo
32 4
Reti selettive e automi percettivi
rinforzate analogamente all'esempio precedente (linee tratteggiate, percorsi l). In Wallace, la traccia è la stessa che per la X, e viene evocata una risposta in RM molto simile a quella precedente. Perciò si rinforzano le connessioni tra i gruppi che riconoscono il + in R di R e gli analoghi gruppi in RM • In questo modo si forma un percorso associativo indiretto, mediato da R M , tra i gruppi coinvolti nei due modelli di risposta in R di R. Il terzo riquadro della figura 60 illustra quali sono i modi per verificare l'associazione. Il meccanismo della traccia viene disattivato, cosi l'associazione sarà esclusivamente basata sulla passata esperienza con lo stimolo e non su una qualunque correlazione immediata verificantesi durante la prova. Quando la X compare in queste condizioni, R e R di R generano risposte molto simili a quelle ottenute originariamente con la X. RM riceve un input soltanto da R di R attraverso i percorsi 2 precedentemente rinforzati, ricavando una risposta comune, appropriata per la X e per il +. I percorsi 3 consentono poi a RM di stimolare in R di R il modello originariamente associato al secondo stimolo (il +), anche se il + non è poi presente nella matrice di input. In funzione della costante temporale scelta, questa risposta
l
i
ii
1 ..
Figura 60. Visioni schematiche di Darwin II, illustranti tre stadi in un esperimento di richiamo associativo per scopi esplicativi. I cerchi pieni rappresentano i gruppi attivi; i cerchi vuoti, i gruppi inattivi. Le linee piene rappresentano le connessioni tra gruppi selettivamente rinforzati; le linee tratteggiate rappresentano le connessioni attivate per la prima volta. I numeri racchiusi nei cerchi marcano le vie attivate in tempi successivi. Per la discussione, si veda il testo.
~
'"
/
~
//
/
~
"'---'t •• • \ ~. ·V.4_~"
~D
\
t;\f v'
1
,
r-t~=t~~~~~ri1 LJ0L.:J x
o
+
x (prova)
'l ,~
i I
lI
~
32 5
associata può verificarsi contemporaneamente alla risposta per la X o piu tardi. La figura 61 illustra i risultati di un tipico esperimento di questo tipo. Dopo uno stimolo iniziale, gruppi completamente diversi hanno risposto a una X e a un + (fig. 61 A). Dopo l'esposizione allo stimolo e ripetute amplificazioni, le risposte di un certo numero di gruppi R di R sono rappresentate in un diagramma in funzione del tempo. Nella figura 61 B (a sinistra), sono visibili i risultati quando lo stimolo di prova era una X. I gruppi in alto hanno risposto alla X la prima volta che essa è comparsa; i gruppi in basso hanno risposto al + la prima volta. Come ci si attendeva, i gruppi attivi per i + non rispondono immediatamente quando compare la X. Dopo quattro cicli di stimolazione, il repertorio R viene disattivato (freccia) in modo da non influenzare ulteriormente la risposta di R di R e da avere input esterni né verso Darwin né verso Wallace. In queste condizioni, la risposta di alcuni gruppi attivi per la X (in alto) inizia a decadere (si vedano, ad esempio, i gruppi 77, 85 e 91), mentre alcuni dei gruppi attivi per il + in questa fase diventano attivi dopo le stimolazioni ricevute tramite connessioni rientranti da RM (si vedano, ad esempio, i gruppi 28, 34 e 95). Cosi, il sistema a cui viene presentata una X rievoca elementi attivi specifici per il +; questo significa che i due stimoli sono stati associati. Nella figura 61 B a destra è illustrato un esperimento diverso e speculare, in cui vengono rappresentati in un diagramma gli stessi gruppi, ma in questo caso lo stimolo di prova è il +. Questa volta i gruppi di risposta (in alto) immediatamente attivati riguardano il +, ma decadono quando R viene disattivato (freccia), e i gruppi di risposta per la X (in basso) si attivano in un richiamo associativo quando viene rimosso lo stimolo. Se ne deduce che l'associazione è bidirezionale, cioè, il + è associato alla X e la X è associata al +. Non si verifica però alcuna associazione se gli stimoli iniziali non condividono alcuna risposta in Wallace, come nel caso di una A e di una X. In questo esperimento le lettere sono associate da Wallace in modo semplice perché inizialmente attivano risposte molto simili. Invece, in Darwin, le risposte non sono aspecifiche, ma ben caratterizzate. Qui Darwin non avrebbe potuto compiere un' associazione senza Wallace, ma nello stesso tempo travalica ciò che Wallace avrebbe potuto compiere da solo, perché Darwin conserva il carattere individuale delle risposte ai due stimoli. Darwin e Wallace, agendo come una coppia di classificazione, sono un esempio di come il riconoscimento dei caratteri si perfezioni in seguito all'interazione dei due
r32 6
Capitolo decimo
Reti selettive e automi percettivi
Figura 61.
quadrato se il gruppo ha risposto inizialmente a un +. B) «Risposta di allenamento» di ciascun gruppo in funzione del tempo, misurata in cicli del modello (scale in basso). Le frecce (in alto) indicano il tempo (dopo il quarto ciclo) in cui tutto l'input a! sistema è sta· to interrotto. Riquadro a sinistra: stimolazione con una X. Riquadro a destra: stimola· zione con un + . Si notino la natura dinamica oscillatoria delle risposte e il richiamo parziale e l'associazione nella risposta degenerata.
Risposte di gruppi individuali R di R in un esperimento di richiamo aSSOCIatIvo. A) Gruppi che rispondono a uno stimolo costituito da una X (a sinistra) o da un + (a de. stra) prima dell'esperimento; si noti che non vi sono gruppi in comune ai due stimoli. Ogni gruppo viene marcato da! proprio numero di serie nel repertorio. Un numero di se. rie viene racchiuso in un cerchio se il gruppo ha risposto inizialmente a una X o in un A)
Stimolazione con
x
B)
o
("
EJ
~ ~ ~
8
o
G
~ ~ ~
EJ
El B,' - - - - 4
Ciclo
8
o
G
~ ~ ~
@ @ @
®r-; ® (0
El
v
•
~ ~ ~
v-
El B
B 8
El
cv o @
o
cv01---------
@ @
~
~
G
-
~
~
B
@
~ ~ ~
!
o o @
~ ~ ~
® ® (0 B
R disattivato
!
G
@ @ @
Stimolazione con +
Stimolazione con X
R disattivato
+
cv o @
32 7
® ® (0 B
./
~
~
@~---~~----::-
@I-----@I-----J
.
@I-------,~
~
4
(0~----- BI------~
El B
8 ', - - - - 8
~ 4
Ciclo
8 Ciclo
l.J
®~-----
®I--------
12
16
e
4
8
-
Ciclo
12
16
r 3 28
Capitolo decimo
Reti selettive e automi percettivi
metodi fondamentali nella formazione delle categorie, la prima basata su una strategia grosso modo simile a quella degli esempi, la seconda, invece, impiegante una strategia statistica che evidenzia gli aspetti comuni di una classe.
molto elevata e il disastro combinatorio che ne deriverebbe; 4) il rientro entro singole reti ovvia a quei limiti che Minsky e Papert [I 9 6 9J' hanno evidenziato in una classe di automi percettivi (i percettroni), privi di tale tipo di connessioni; e 5) il rientro tra reti in-, tercomunicanti con specializzazioni diverse origina nuove funzioni inattuabili da una rete isolata, di cui la capacità associativa è un esempio. Né le trasformazioni della rappresentazione, né le limitate generalizzazioni di cui Darwin H è capace, richiedono l'intervento diretto di un osservatore classificante, si tratti di istruzioni o di apprendimento forzato. Invece, queste potenzialità scaturiscono dai principi selettivi incorporati nella rete per mezzo della rilevazione dei caratteri, del rientro, e di un' amplificazione differenziale. La selezione consente al sistema di effettuare delle discriminazioni sulla base di criteri generati internamente. Se si consente al sistema di evolversi in base alla propria esperienza, questi criteri rispecchiano gli aspetti fisici rilevanti del mondo esterno. Per quanto limitate, le prestazioni di questo automa percettivo ci fanno intravedere la possibilità di ulteriori sviluppi in questo campo. Sviluppi naturali possono essere: r) reti supplementari che consentirebbero l' output motorio di un "braccio" e di una" testa" opportunamente congegnati; 2) l'introduzione di reti che consentano di interagire con i molteplici stimoli in movimento, un' attitudine che negli organismi viventi si è manifestata probabilmente prima dell'interazione con gli stimoli stazionari; 3) la dotazione per la macchina delle potenzialità per interagire con qualunque tra diversi oggetti-stimolo tr~mite regole o meccanismi di attenzione e, infine, 4) degli strumenti per rispondere a una rete innata di valori mentre, contemporaneamente, riceve dei segnali a/eedback dal mondo, il che gli consentirebbe di apprendere le associazioni convenzionali. T ali potenzialità, che richiedono ulteriori sistemi di mappaggio globale, sono parte integrante di un nuovo automa, Darwin HI". Le potenzialità per realizzare un apprendimento convenzionale o delle
4. I limiti e le prospettive' nelle prestazioni. La progettazione di Darwin H è stata stimolata da tre obiettivi correlati [Edelman e Reeke r982; Reeke e Edelman r984]: r) veriCicare l'auto-consistenza del concetto di selezione dei gruppi in rer~rtori degenerati non lineari costituiti da gruppi neurone-simili aventi tipo e forza di connessioni pre-assegnate; 2) progettare delle reti capaci di effettuare rappresentazioni uniche di singoli oggetti rivelandone i caratteri locali, e reti che rappresentino in modo pressoché costante gli oggetti di una classe tramite la correlazione globale dei caratteri; e 3) organizzare delle interazioni rientranti tra le due reti che svolgono separatamente e in parallelo queste operazioni cosi da sviluppare una memoria associativa che lega le singole rappresentazioni in una classe. Di fatto, Darwin H si comporta come una coppia di classificazione incorporando, inoltre, numerosi aspetti tipici di un mappaggio globale. Darwin H, pur non essendo il moqello di alcun sistema nervoso reale, rappresenta un primo passo per affrontare uno dei problemi che l'evoluzione ha dovuto risolvere nella formazione dei sistemi nervosi complessi, cioè, la necessità di formare delle categorie relative alle strutture presenti nell' ambiente seguendo una strategia dal basso verso l'alto (bottom-up) 6. Cinque caratteristiche del modello rendono possibile questo: r) Darwin H incorpora delle reti selettive progettate per rispondere a stimoli non familiari senza essere state istruite; 2) la degenerazione consente diverse possibilità di risposta allo stesso stimolo, con una ridondanza funzionale che compensa eventuali deficit nei componenti; 3) l' output di Darwin H è un modello di risposta, poiché impiega risposte simultanee di molteplici gruppi degenerati, eludendo, quindi, il bisogno di una specificità , Per un inquadramento dei modelli di Edelman nel panorama eterogeneo delle reti neurali artificiali si vedano Morasso [1989] e Reeke e Sporns [1993]. Al tema Reti neurali e connessionismo è dedicato il fascicolo monotematico della rivista «Sistemi Intelligenti », 1(1989), n. 2. 6 Per delle rassegne sulla dicotomia top-down / bottom-up nelle neuroscienze cognitive si vedano Kock [1993] e McClelland e Plaut [I 993].
329
ì
,I
7 In questo lavoro di Minsky e Papert è contenuta una critica radicale a uno dei primi modelli di rete neurale, il percettrone, ideato da Rosenblatt [1961], del quale sono stati evidenziati i limiti computazionali. L'analisi storica indica che questa stroncatura ha rallentato drasticamente per piu di vent' anni l'evoluzione della ricerca nelle reti neurali artificiali [Anderson e RosenfeId 1988]. , Darwin III è descritto nella Prefazione di Giulio Tononi e in Edelman [1989b, 1992a, 1993]. Un modello piu avanzato della stessa famiglia è Darwin IV (si veda la Prefazione); [cfr. Edelman 1992a, 1993; Edelman e altri 1992b].
330
Capitolo decimo
associazioni libere si sommerebbero a quella di categorizzare, già presente nell' automa, promuovendo Darwin II dalla sua condizione di macchina solipsistica a sistema con un margine adattativo pi~ ampio e con una capacità di comunicare con automi congeneri. E chiaro che i progressi nel campo della teoria delle reti negli automi (definibile' textoretica', dal latino textor, 'tessitore', e rete' rete ') dipenderà da tali integrazioni, ma anche da nuove concezioni nel comportamento matematico dei sistemi non lineari. La textoretica si discosta profondamente dagli attuali approcci istruttivi nella modellazione delle reti [si vedano Cooper 1974; Kohonen 1977; Murdock 1979; Anderson e Hinton 198r] in quanto non richiede delle convenzioni o ipotesi semantiche a priori per stabilire le categorie che consentono le risposte adattative o mnemoniche degli automi. Darwin II non è un modello esplicito né di una parte né di tutto il sistema nervoso, tuttavia, è stato euristicamente progettato avendo in mente il sistema nervoso, per cui non sarebbe sorprendente se ne riflettesse alcuni aspetti della funzionalità. In ogni caso, le sue prestazioni sono una dimostrazione delle potenzialità della selezione dei gruppi in repertori composti da gruppi neurone-simili, illustra i concetti di rientro, di coppia di classificazione, e di mappaggio globale e, pur nei suoi limiti attuali, dimostra l'auto-consistenza della selezione dei gruppi e del rientro in reti multineuronali atte a categorizzare. Dopo aver dimostrato che una rete primitiva di questo tipo può, seppur limitatamente, categorizzare, nel prossimo capitolo affronteremo il rapporto tra categorizzazione percettiva e apprendimento nei sistemi selettivi sottolineandone, in particolare, i reciproci vantaggi adattativi per 1'organismo. A quel punto potremo sviluppare una concezione ancora piu completa della memoria, intesa come ricategorizzazione.
Capitolo undicesimo Selezione, apprendimento e comportamento
Aspetti adattativi del comportamento e dell'apprendimento, p. 332. - Rivalutazione della teoria classica dell'apprendimento, p. 333· - Il contesto, p. 335. - La sorpresa, p. 336. - Rappresentazioni e condizionamento, p. 338. - Il canto degli uccelli e l'apprendimento neotenico, p. 341. - Relazione con periodi critici, p. 343. - Spiegazione unificata del condizionamento e dell'apprendimento neotenico, p. 347. - Il grande anello e l'origine dell'elaborazione di informazione, p. 352.
1.
Introduzione.
La discussione svolta sui fattori legati alla selezione dei gruppi neuronali verteva sull'evoluzione e sullo sviluppo dei sistemi sensomotori e del cervello, ma non si è soffermata sul comportamento effettivo che scaturisce dalla categorizzazione percettiva. Tuttavia, la selezione naturale non opera sulla percezione, ma sugli individui il cui comportamento è adattativo. Se vogliamo seguire gli ammonimenti di Tinbergen [1942, 1951, 1963], dobbiamo indagare le funzioni, le cause, lo sviluppo e 1'evoluzione del comportamento, in quanto attengono alla teoria. Per nostra scelta daremo maggior rilievo ai primi tre aspetti, lasciando praticamente irrisolti molti importanti aspetti etologici ed evolutivi. I comportamenti innati evoluti [Gould 1982] possono essere estremamente complessi e, naturalmente, sono estremamente importanti, ma approfondirne 1'origine avrebbe un contatto marginale con i processi di selezione somatica, centrali nella trattazione di questo libro. Nondimeno, tratteremo alcuni aspetti del canto degli uccelli [Marler 1982, 1984] poiché sono un esempio illuminante delle interazioni tra i fattori evolutivi e la plasticità del cervello indotta dall' apprendimento selettivo. Per quale motivo 1'apprendimento è molto piu efficace della sola percezione? Una prima ragione è che il cervello si è evoluto per svolgere azioni adattative e per controllare il comportamento, e non per una semplice registrazione delle rappresentazioni. Inoltre,
33 2
Capitolo undicesimo
Selezione, apprendimento e comportamento
prendimento, di cui 1'apprendimento del canto negli uccelli sarà un esempio. In seguito, proporremo un modello essenziale dei fondamenti neurali dell' apprendimento, secondo il quale esso rimodella le connessioni nei mappaggi globali e tra questi e i centri edonici, modificando le sinapsi tra le coppie di classificazione, alcune delle quali possono essere specie-specifiche. Tali variazioni consentono una categorizzazione adattativa in condizioni di aspettativa. Questo modello ci consentirà di capire come la selezione dei gruppi neuronali possa spiegare l'elaborazione di informazione negli individui e nelle specie.
la categorizzazione percettiva, per quanto centrale ed essenziale nel comportamento, è insufficiente per generare un comportamento adattativo. In qualunque ambiente complesso, costituito da combinazioni e sovrapposizioni di eventi fortuiti che mettono alla prova la sopravvivenza, 1'apprendimento è fondamentale per assicurare un adattamento vincente. L'apprendimento è necessariamente incluso in sistemi di valore (value systems) selezionatisi nel corso dell' evoluzione e che hanno consentito la sopravvivenza di una certa specie. Gli aspetti piu fruttiferi del comportamento, evoluto o innato che sia, sono quelli che consentono all' organismo una progressiva indipendenza dalle repentine fluttuazioni ambientali. Tuttavia, molte caratteristiche ambientali non sono affrontabili semplicemente in questo modo, in quanto, per affrontare queste fluttuazioni sono necessarie nuove risposte adattative [Staddon 1983] nella nicchia ecologica dell' animale, che si manifestano esse stesse con aspetti avventizi, eterogenei, unici, complessi, o nuovi. A tale proposito, dobbiamo considerare singole variazioni utili per 1'adattamento: 1'assuefazione, la facilitazione, lo pseudocondizionamento, o 1'apprendimento vero, tanto quello classico quanto quello operante. Poiché la nostra tesi si riferisce ad animali dotati di un cervello complesso e viventi in ambienti ricchi di stimoli, la disamina verterà soprattutto sull' apprendimento vero. L'assunto della tesi è che tale apprendimento sia possibile perché prima si verifica la categorizzazione percettiva. Data l'adattabilità conferita dalI'apprendimento e data la maggiore predisposizione ad apprendere propria dei sistemi che effettuano una complessa categorizzazione, nel corso dell' evoluzione dovrebbe essere favorito lo sviluppo di repertori primari e secondari piu sofisticati. L'adozione di questa tesi implica che il "condizionamento" dei diversi sistemi neurali [Thomson I986], pur essendo una componente dell' apprendimento vero, non gli è equivalente. Infatti, secondo la nostra teoria, l'apprendimento vero viene riferito al comportamento globale dell' animale, e, quindi, non si possono trascurare i fattori etologici. A proposito dell' apprendimento, considereremo dapprima l'esperienza, impiegando come traccia il condizionamento classico I e il condizionamento operante e, successivamente, lo sviluppo dell' apI Per una rassegna sulla riscoperta del condizionamento classico e delle sue interpretazioni contemporanee nella psicologia cognitiva si veda Holland [1993]. Qui vengono descritti gli sviluppi nello studio della selezione dello stimolo e nella rappresentazione
333
2.
L'interpretazione moderna degli esperimenti sull'apprendimento.
Oggi la maggior parte degli studiosi sull' apprendimento è d'accordo [si vedano Jenkins I979, 1984; Staddon 1983] sul fatto che non è sostenibile una teoria generale dell' apprendimento [Dikenson I980] comprendente tutte le specie, come quella basata sulle ricerche classiche di Thorndike, Pavlov, Hull o Skinner. Alcune ricerche etologiche piu recenti [Marler e Terrace 1984] insieme ad analisi dell'evoluzione e dello sviluppo del linguaggio umano [MacPhail 1982; Gleitman I984] evidenziano che 1'apprendimento e il comportamento delle diverse specie sono fortemente condizionati da aspetti evolutivi molto specifici, legati alla nicchia ecologica, e, per di piu, nonostante i paradigmi fondamentali del condizionamento classico e di quello operante rimangano ben saldi [Mackintosh I 983], ne è cambiata l'interpretazione. Infatti, è stata abbandonata la vecchia teoria secondo cui sono sufficienti la contiguità e le concatenazioni tra stimolo condizionato e non condizionato. Gli studi svolti da Estes e Skinner [194I] sulle risposte emotive condizionate (CER)\ da Garcia [Garcia e altri 1955,1973] sull'avversione per il cibo, da Rescorla [1968, interna degli eventi legati al condizionamento, e viene confermata la tendenza, evidente in questo capitolo, a considerare il condizionamento pavloviano come un im-
, Ì;.l
portante paradigma per lo studio dei meccanismi neurali dell'apprendimento, tale da assumere nelle scienze del comportamento «una nuova egemonia» [Turkkan 1989, p. I2 d. Per esempio, la risoluzione-di-problemi, lo studio del linguaggio e della memoria o altri comportamenti ritenuti oggetto di studio proprio del condizionamento operante o della psicologia cognitiva sono oggi interpretabili anche alla luce del condizionamento pavloviano [per uno stimolante approfondimento si veda Turkkan 1989]. 2 Acronimo di Conditioned Emotional Responses.
334
Selezione, apprendimento e comportamento
Capitolo undicesimo
I976; Rescorla e Skucy I969; Rescorla e Wagner I972] sulla sensibilità per il contesto e sull' autoadattarnento (autoshaping) [Hearst e Jenkins I974; Schwartz e Gamzu I977; Locurto e altri I98I] hanno, tra gli altri, chiarito la relazione indiretta tra l'osservazione e l'interpretazione dei fenomeni. Gli studi di Rescorla e Wagner [I972] e di Kamin [I969] indicano che la contiguità degli stimoli non è l'aspetto prevalente nell' apprendimento; piuttosto, è importante la correlazione tra il contesto e il valore predittivo dello stimolo condizionato. Tutto questo ci induce all'importante conclusione secondo cui un animale di una certa specie sviluppa una rappresentazione o una conoscenza di una situazione di apprendimento sulla base delle sue diverse aspettative, cioè, alcuni stimoli sono piu correlati di altri. Ovviamente, questa conoscenza deve, in parte, fondarsi sulla categorizzazione percettiva caratteristica di quella specie. Oltre a questo importante mutamento concettuale, l'interpretazione moderna riconosce che gli ingredienti del condizionamento classico sono necessari anche per il condizionamento operante. In questa interpretazione, l'azione e l'apprendimento non sono coestensivi e i principi associativi non bastano, da soH, per spiegare il comportamento. Ecco; quindi, emergere l'importante questione della possibile traduzione dell'apprendimento in azione. Infine, come già accennato, l'impostazione moderna riconosce l'importanza della nicchia ecologica e della specie di un animale [Marler e T errace I984] promuovendo la riconciliazione tra gli studi etologici e il comportamento studiato in laboratorio. Gli obiettivi suggeriti ai teorici da queste nuove interpretazioni sono, innanzitutto, mostrare come i contenuti dell' apprendimento siano rappresentabili sotto forma di aspettative per l'animale, e come poi vengano tradotti nel comportamento osservato. Anche la proposizione inversa è una sfida: se la prestazione sottovaluta la conoscenza [Staddon I983], come devono essere inglobate in una teoria dell' apprendimento le cosiddette rappresentazioni di quella conoscenza? Coerentemente alla nostra posizione, l'unica spiegazione ragionevole deve partire da una teoria dei meccanismi e dei processi neurali, descrivendo come la struttura e la funzione neurale consentano a una certa specie la categorizzazione percettiva. L'ipotesi opposta, cioè che gli esperimenti psicologici possano essere svolti trascurando gli aspetti neurali, per quanto importante in una interpretazione funzionale [si veda Staddon I983], può soltanto condurci da descrizioni funzionali fenomenologiche a un insieme virtualmente infinito di
335
possibili interpretazioni neurologiche. Inoltre, qualunque facoltà psichic a derivata da una visione funzionalistica è contraddetta dalle conferme etologiche di un comportamento specie-specifico e dalle dimostrazioni evolutive che indicano come il sistema nervoso e l'adattamento siano alquanto diversi nei vari taxa. Questi problemi, ancor piu di altri già considerati, ci spingono ad affrontare gli obiettivi proposti nella Prefazione del libro. In questo capitolo intendiamo indirizzare correttamente e interpretare i problemi sollevati dai recenti studi sull' apprendimento, basandoci sulla teoria della selezione dei gruppi neuronali 3. Inizieremo con una definizione provvisoria dell' apprendimento a cui seguiranno alcune interpretazioni moderne sugli esperimenti di condizionamento. Cercheremo, inoltre, di chiarire come le aspettative nell' apprendimento implichino una precedente categorizzazione percettiva. La conseguente interpretazione delle aspettative, intese come categorizzazioni accoppiate ai bisogni, ci spingerà a riesarninare le interazioni delle coppie di classificazione nei mappaggi globali. Un ulteriore riferimento allo sviluppo di questi mappaggi ci consentirà, poi, di mettere in relazione gli aspetti generali del condizionamento e lo sviluppo in esempi specie-specifici come, per esempio, il canto degli uccelli. 3. Apprendimento e sorpresa.
Staddon [I983] sostiene che l'apprendimento è una particolare forma di modificazione acquisita che unisce in modo adattativo il presente al comportamento passato, cosicché le valenze positive o negative degli eventi rappresentano dei segnali per qualcos'altro. Un adattamento di questo tipo richiede la selezione nella variabilità obbedendo a ~n insieme di regole aventi un complesso rapporto con la categorizzazione, la continuità e contiguità spaziotemporale, la storia individuale, e una serie di vincoli ontogenetici e filogenetici. Sebbene l'apprendimento non sia un processo a sé stante, in genere nella sua definizione non sono incluse l'assuefazione e la sensibilizzazione 4 • Esso è specifico a un contesto, che consiste nello 3 Secondo alcuni psicologi, la distinzione tra comportamentismo e cognitivismo è, oggi, meno fondamentale di quella tra essenzialismo e selezionismo [Palmer e Donahoe
199 2 ]. ~
Ji
lJ
4 Perché l'assuefazione e la sensibilizzazione sono forme elementari, non associative, di modificazione del comportamento (si veda il Glossario).
33 6
Selezione, apprendimento e comportamento
Capitolo undicesimo
337
nimale il quale coinvolge aree cerebrali (regioni limbiche, ipotalamo, e cosi via) nella cui funzione sono incorporati valori di origine evolutiva, in genere legati all' attività consumatoria o a risposte determinate dalla paura. L'aspetto piu importante per la nostra tesi è che l'animale inizia veramente ad apprendere solo di fronte a un elemento di novità, di sorpresa o di violazione delle aspettative; quando la sorpresa si manifesta la prima volta è critica [Rescorla 1975; Dickenson 1980]. La sorpresa implica l'organizzazione spaziotemporale degli oggetti o degli eventi re~li in ordine di importanza, non in rapporto all' entità dello stimolo. E da questo punto di vista che la sorpresa implica una discrepanza tra questa organizzazione e il momento vissuto dall' animale. In tale contesto funzionale, possiamo cercare di unificare le tesi sviluppate in precedenza e i risultati di alcuni fondamentali esperimenti sull' apprendimento. Il mondo macroscopico consiste in eventi e oggetti che si manifestano in un insieme dinamico, irreversibile e fluttuante di organizzazioni e interazioni. Se un animale deve apprendere o far combaciare i propri stati cerebrali (cioè l'efficacia sinaptica, le risposte motorie, ecc.) ai segnali che rappresentano le relazioni tra oggetti ed eventi e deve sviluppare, di conseguenza, un comportamento adattativo, come può riconoscere tali oggetti o eventi? Chiaramente, la risposta prevede la categorizzazione percettiva, il cui fondamento neurale deve essere già presente nell' animale, e, in base alle nostre tesi precedenti, esso risiede nella struttura e nella selezione dei gruppi neuronali e nella rappresentazione della continuità, possibile grazie al mappaggio globale e al rientro. Quindi, la capacità di apprendere richiede che queste condizioni per la categorizzazione percettiva siano già presenti. Naturalmente, la sola categorizzazione percettiva non esaudisce i bisogni che nascono nel tempo evolutivo o in quello individuale. L'attitudine a definire con un buon margine gli oggetti grazie a questo mezzo dipende dalle potenzialità innate a effettuare la caratterizzazione disgiuntiva dei diversi oggetti-stimolo. Tuttavia, gli eventi e la disposizione degli oggetti nella nicchia ecologica dell' animale possono essere categorie o circostanze accidentali (il vento può abbattere gli alberi, l'acqua può inondare le risorse alimentari, ecc.), per cui, devono essere disponibili degli strumenti convenzionali di adattamento per campionare tali eventi in base alle circostanze, alloro accavallamento temporale, e alla presunta relazione con la causa. Questo è l'apprendimento. L'aspetto che vorrei sottolineare in questo capifolo è che la selezione dei gruppi neuronali non potrebbe verificarsi adattativamente
stato interno dell' animale (in definitiva il suo stato cerebrale) e nelle sue risposte agli oggetti e agli eventi nel mondo. Uno stimolo è un episodio molto specifico che modifica questo stato interno; tale variazione determina stocasticamente lo stato futuro e la risposta, a sua volta determinata dallo stimolo e dallo stato interno preesistente. Nel mondo reale, i diversi stimoli generano una storia di variazioni di stato e di risposte. Questo definisce il contesto dell' apprendimento; poiché in tale processo è implicata la storia, lo è anche la memoria. Tuttavia, coerentemente alle tesi sostenute negli ultimi due capitoli, non possiamo affatto considerare la memoria come una replica archiviata della storia di un animale. I criteri per l'apprendimento sono una serie di adattamenti a variazioni ambientali carichi di significato e che consentono un adattamento. L'apprendimento è osservabile solo indirettamente, nella misura in cui unisce il passato al presente, e mancano dei metodi generali per misurarne simultaneamente l'attività cerebrale. Perciò, la maggior parte delle teorie sull'apprendimento (o l'interpretazione degli esperimenti di condizionamento) ricorre a spiegazioni funzionali, come ha ben evidenziato Staddon [1983], la cui eccellente analisi offre lo 'spunto per buona parte della descrizione sviluppata in questa sezione del capitolo. Il nostro obiettivo è superare la semplice descrizione per correlarla alla struttura neurale. Non è questa la sede per analizzare quel vasto territorio costituito dagli esperimenti di apprendimento. È però importante ribadire che, nella interpretazione moderna, il condizionamento classico, o pavloviano, implica qualcosa in piu della semplice associazione o contiguità: coinvolge anche il valore. Alcuni aspetti degli eventi significano cibo, presagiscono il pericolo, segnalano il tempo che scorre, e cosi via. L'importanza è legata al valore - ricompensa o punizione, che sono, in ultima analisi, correlati all' adattamento darwiniano [si veda Sober 1984]. Il valore, per una certa specie, è relativo alla condizione presente, alla conoscenza del passato, e alle caratteristiche evolutivamente innate degli animali appartenenti a una certa specie. In sintesi, il condizionamento classico si verifica solo quando lo stimolo condizionato (SC) prevede lo stimolo non condizionato (SnC) in un contesto legato al valore. Come ha evidenziato Staddon, questo significa che l'animale deve agire come se svolgesse un tipo di inferenza (attesa o previsione) sulla base di un insieme interno di stati o di una rappresentazione. Nella nostra disamina considereremo tale rappresentazione come un mappaggio globale nel cervello dell' a-
. i.J ,
.t
33 8
Capitolo undicesimo
Selezione, apprendimento e comportamento
senza un comportamento che si confronta con tali eventi contingenti, perché la selezione dei gruppi neuronali non può essere efficiente senza una variabilità nel comportamento (nella misura in cui dipende dalla variazione negli stati cerebrali) e sia perché, in un ambiente mutevole, l'adattamento richiede l'apprendimento. Detto altrimenti, è l'apprendimento che rende adattativa la categorizzazione. Non si tratta di un ragionamento circolare, ossia, l'apparato atto a categorizzare deve essere creato dall' evoluzione nel cervello e nel sistema nervoso prima che si verifichi l'apprendimento. Le conoscenze dell'embriologia [Weiss 1955] confermano questa codcezione: lo sviluppo di un repertorio primario non implica alcuno dei comportamenti che si verificheranno dopo la nascita [Hamburger 1970].
339
tra lo specifico SC e lo SnC; nel condizionamento operante, lo stimolo discriminante è dato da tutti i caratteri ambientali (poi categorizzati) che possono regolare il comportamento. In entrambe le forme di condizionamento è necessaria una variazione nell' aspettativa, ind~zio di una variazione dello stato interno basata sulla categorizzaZIOne. Possiamo riassumere le differenze tra i due tipi dicendo [Staddon 198 3] che il condizionamento classico è un anello aperto (o una procedura per assegnare un valore a uno stimolo neutro), mentre, al contrario, il condizionamento operante è un anello chiuso e modifica la priorità d'azione. Malgrado l'azione sia, in quest'ultimo caso, parte della rappresentazione categoriale dell'animale, tuttavia, per rinforzare il condizionamento operante sono necessarie le procedure del condizionamento classico che legano gli eventi contingenti. Infatti, è il condizionamento pavloviano che consente a un animale di definire una situazione in base a valori derivanti da associazioni innate e da associazioni generate in precedenza. Nel condizionamento operante l'animale non solo deve selezionare gli stimoli significativi, ma anche gli stimoli per rendere efficace il proprio comportamento. Se pensiamo alla nostra concezione del mappaggio globale e dei gesti quali parti di categorie, non si tratta, dppo tutto, di uno straordinario mutamento interpretativo. Nell'apprendimento sono notevoli le ripetizioni e le variazioni e le risposte rinforzate scaturiscono da attività apparentemente eterogenee, ma ciò non toglie che si verifichino in maniera coerente. Lo scopo del condizionamento è indirizzare 1'azione scegliendo tra le strutture disponibili, siano esse innate, evolutive, ontogenetiche e di conoscenza. Chiaramente, ai fini di un successo, è importante una scelta rapida tra un insieme ampio di possibilità, il quale richiede la memoria di numerose funzioni di categorizzazione, sia motorie che sensoriali. Un certo comportamento di un animale, il quale a un osservatore appare privo di senso, può, in realtà, rappresentare un allenamento sensomotorio che coinvolge diversi mappaggi globali. In questo allenamento, come pure negli stati di attenzione e di attivazione, la selezione delle risposte dipende anche della selezione degli stimoli che definiscono un evento e sono, al tempo stesso, i bersagli delle risposte. Ecco, quindi, che variabilità e selezione diventano temi centrali per il comportamento, e la grande importanza del movimento e delrazione nel mediarle è in sintonia con quanto abbiamo detto a proposito dei mappaggi globali. Staddon [1983] ha elegantemente riassun-
4. Comportamento e condizionamento.
Sebbene le interpretazioni degli esperimenti sull' apprendimento siano di tipo funzionale, tuttavia, non vi è alcun dubbio che gli studi sperimentali dimostrino l'esistenza, nell'animale e nel suo cervello, di strumenti per classificare oggetti ed eventi. Prima di descriverli in dettaglio, sarà bene vedere il possibile rapporto tra le due forme di condizionamento e l'apparato sensomotorio impiegato nella categorizzazione adattativa. Se ripercorriamo il ragionamento di Staddon [1983; si veda anche Mackintosh 1983], possiamo proficuamente riassumere in questo modo il rapporto tra condizionamento classico e condizionamento operante. L'apprendimento è una specifica modificazione nell' animale legata a un risultato positivo o negativo, utilizzando un evento o la sua assenza come segnale per qualcos'altro. Il condizionamento classico prevede uno stimolo condizionato neutro (SC) che precede uno stimolo edonico (lo stimolo non condizionato, o SnC); lo SC è un'anticipazione o un segnale per lo SnC, e l'animale reagisce allo SC come se fosse un' anticipazione dello SnC. Il condizionamento operante, contrariamente a questo, classico o pavloviano, si divide in due fasi. La prima è il comportamento, il cui esito è, prima o poi, la ricompensa o la punizione, cioè, una forma di controllo basata sugli effetti [Skinner 198rJ. La seconda è la riespressione di quel comportamento adattativo quando l'animale si ritrova nella situazione originale. Queste due forme di condizionamento sono strettamente legate: la selezione del comportamento in una risposta pavloviana dipende dalla capacità dell' animale di fare previsioni basandosi sulla relazione
iJ
34 0
Selezione, apprendimento e comportamento
Capitolo undicesimo
34 1
Come abbiamo rilevato a proposito del condizionamento classico e di quello operante, la selezione delle risposte dipende dalla selezione di che cosa è significativo conoscere. Tale selezione è il risultato combinato di molti livelli, cioè, eredità, sviluppo ed esperienza. In questa sezione abbiamo parIato essenzialmente di alcuni aspetti dell' esperienza. Cosa possiamo dire a proposito degli altri fattori? Poiché ci interessa considerare l'eredità, lo sviluppo e le componenti specie-specifiche dell' apprendimento, prenderemo a esempio l'apprendimento del canto negli uccelli, perché ci aiuta a capire l'importanza della selezione della nicchia ecologica e perché coinvolge tutte quelle componenti ritenute indispensabili nella formazione dei mappaggi globali. A vendo a disposizione questo esempio e quello del condizionamento potremo unificarIi in un modello fondato sulla selezione dei gruppi neuronali.
to questo insieme di caratteristiche. Egli sostiene che l'apprendimento rinforzato procede attraverso quattro stadi che si ripetono: I) la novità o sorpresa - 2) l'''inferenza'' - 3) l'azione - 4) una nuova situazione ambientale - la sorpresa. Diverse risposte protettive ed esplorative modificano le rappresentazioni e i valori nel momento in cui l'animale valuta l'importanza di relazioni precedenti o causali rispetto agli eventi in corso, e l'importanza della contiguità temporale a uno stimolo edonico [Dickenson 1985]. Questo processo prosegue sino a che la storia individuale genera una risposta stabile, quasi del tutto priva di sorpresa categoriale. In questo modo l'animale impiega presumibilmente al meglio delle proprie potenzialità le sue limitate risorse per la categorizzazione e la risposta. Tuttavia, un animale (anche un animale" superiore") può svolgere uno o pochi compiti alla volta [Neisser 1967] e, inoltre, deve selezionare la variabilità ambientale agendovi, mentre ne sta sfruttando i vantaggi, e queste due attività devono essere in equilibrio. Nasce, pertanto, l'esigenza di strumenti per distribuire le risorse, cioè, il bilancio tra attivazione e attenzione, e la capacità di spostare l'attenzione, preferendo stimoli significativi, pur separando le proprietà dell'oggetto dai suoi effetti edonici. Poiché la natura di tale procedura è storica e mutevole, ogni animale sirappresenta una situazione secondo schemi propri, aggiorna la conoscenza con procedure e selezioni diverse, "automatizzando", infine, la propria risposta. Malgrado questa individualità, in situazioni simili i comportamenti propri di una specie tendono a convergère. Cosi, anche i meccanismi del comportamento hanno una certa degenerazione che, forse, riflette la selezione dei gruppi neuronali nei complessi sensomotori che costituiscono i mappaggi globali. Entrambi sono processi di sviluppo e, come abbiamo già avuto modo di ricordare, obbediscono a dei principi molto simili a quelli della morfogenesi. La tesi di Staddon [1983] sullo stretto legame tra le due principali forme di condizionamento è compatibile con l'interpretazione dei complessi sensomotori proposta nei capitoli precedenti. Nel condizionamento classico, ad anello aperto, è evidente il bisogno di procedure di categorizzazione e di ricategorizzazione fornite dalla memoria. La selezione della risposta è guidata da relazioni temporali tra gli atti e gli stimoli di rinforzo, da fattori innati, e dalla memoria dell' esperienza trascorsa. In parte, si tratta di una selezione negativa, cioè, alcune varianti del comportamento prive di effetto sono eliminate.
5. Gerarchie selettive nello sviluppo dell'apprendimento: il canto
degli uccelli. L'apprendimento del canto negli uccelli è un esempio che appare, per struttura, in contrasto con le situazioni incontrate nel condizionamento. Inoltre, a livello della sua produzione, il canto sembra possedere alcuni aspetti selettivi, interpretati [MarIer 1984] come una prova diretta della selezione dei gruppi neuronali. Questi sono due buoni motivi per soffermarsi sul canto degli uccelli, in quanto può essere studiato con profitto alla luce della selezione dei gruppi neuronali, poiché ci consente di far affiorare i diversi tipi di selezione che si verificano in questo comportamento. Marler [1984] e Konishi [1984] hanno dimostrato che l'apprendimento e la produzione del canto consistono in tre fasi: I) una fase sensoriale in cui i giovani uccelli ascoltano un canto in una fase critica dello sviluppo e ne memorizzano alcune componenti; 2) una fase sensomotoria in cui si allenano a vocalizzare il canto (l'ascolto del proprio canto da parte dell'uccello è essenziale in questa riproduzione vocale); e 3) una fase di produzione automatica del canto, finalmente" cristallizzato". In alcune specie la vocalizzazione e ilfeedback uditivo vengono certamente impiegati per prevenire lo sfasamento rispetto al modello memorizzato. Ilfeedback procede per tentativi ed errori e, in queste specie, il canto è una abilità motoria acquisita. Che si tratti di una abilità molto particolare lo si capisce esaminando i risultati degli studi di MarIer. Essi, infatti, evidenziano
j.~ll.
lJ
34 2
Selezione, apprendimento e comportamento
Capitolo undicesimo
343
I differenti segmenti del canto possono svilupparsi secondo modalità diverse, alcuni soggetti al dialetto, altri all'imitazione, altri ancora all'invenzione. I segnali che scatenano l'acquisizione del canto possono includere non solo componenti acustiche, ma anche altri segnali di carattere piu generale che devono essere appresi. MarIer [1984] ipotizza che siano implicate delle impronte (template) uditive specie-specifiche non solo nella fase sensomotoria, ma anche nelle primissime fasi dell' acquisizione del canto. Egli suppone che la creazione di nuovi schemi motori dovuta all'esperienza impli-
chi la permutazione e la modificazione di un bagaglio di gesti vocali universali per una certa specie. Marler propone un quadro selettivo che si fonda su tre tipi di "impronte" - impronte specializzate attive che possono influenzare lo sviluppo senza una specifica stimolazione uditiva, impronte latenti specializzate innescate da impronte uditive ambientali, e impronte uditive generalizzate, a piu ampio spettro, che richiedono suoni eterospecifici e ambientali capaci di guidare !'imitazione vocale. Le due impronte specializzate vengono impiegate nel rinvio alla memoria e nel suo consolidamento; le impronte attive emergono, di solito, negli uccelli isolati, quelle latenti no. Nell'esperienza normale vengono selezionati entrambi i tipi di impronte". Questa descrizione dell' apprendimento del canto è assai diversa da quella del condizionamento. Tuttavia, poiché in una stessa specie le due forme di apprendimento coesistono, qualunque teoria neurale dell'apprendimento le deve spiegare entrambe. Prima di ipotizzarne le modalità, riesaminiamo alcune caratteristiche delle fasi critiche e dell' epigenesi (per una discussione di questi temi in termini di mappe si veda il capitolo v). L'origine del canto cristallizzato degli uccelli è un esempio di evento epigenetico in cui bisogna attraversare una sequenza definita di stadi di sviluppo prima di ottenerne la fissazione. Queste sequenze epigenetiche neurali e comportamentali differiscono da quelle osservate nel corso dell' embriogenesi [Hamburger 1970], nel senso che hanno componenti di vero apprendimento associate a punti o a periodi critici specifici della sequenza. Sebbene tali sequenze comportamentali si esauriscano spontaneamente, richiedono 1'apprendimento per integrarsi adattativamente. Sequenze simili, per quanto meno dettagliate, compaiono nell'assemblaggio delle componenti nel comportamento copulatorio dei maschi di scimmia Rhesus [Mason 1968], nella maturazione delle procedure di imboscamento del cibo negli scoiattoli [Ewer 1965] e nei richiami di accoppiamento negli uccelli [Immelmann 1984]. L'esempio anatomico piu conosciuto di periodo critico legato alla percezione è rintracciabile nello sviluppo della visione binoculare nei gatti e nelle scimmie [Wiesel e Hubel 1963a, 1963b; Hubel e Wiesel 1970; Wiesel 1982], sebbene in questi casi le componenti dell'apprendimento, pur completamente presenti, non siano state approfondite con lo stesso successo. La deprivazione sensoriale può allun-
" T aie plasticità dipende dalla produzione ex novo di neuroni anche nell' adulto [per una rassegna sulla neurobiologia del canto degli uccelli si veda Nottebohm 19 8 9].
6 La teoria selettiva dell'apprendimento del canto negli uccelli continua ad essere confermata [Nelson e Marler 1994].
nelle varie specie differenze innate nei meccanismi di apprendimento del canto, impulsi innati ad apprendere, segnali specifici che dipendono dal contesto, una resistenza alla regressione (dopo l'inizio della cristallizzazione del canto), e, per di piu, in assenza di un' apparente ricompensa. Significativamente, vi sono prove evidenti della preesistenza di una certa plasticità nei circuiti cerebrali [Nottebohm 1980, I98Ia, I98Ib] implicati in questa forma di apprendimento 5. Gli aspetti che, forse, piu ci interessano concernono l'ipotesi che l'acquisizione dell' abilità canora sia un apprendimento selettivo con aspetti stereotipati, ma anche variabili, che si sviluppano secondo un programma epigenetico [Marler 1984]. Le componenti di questo programma sono: I) programmi motori centrali che si sviluppano anche in uccelli sordi e che generano delle versioni semplificate del canto; 2) meccanismi uditivi che creano le cosiddette impronte sintattiche; in loro assenza e in uccelli allevati in isolamento la struttura dettagliata delle note e delle sillabe è anormale; 3) l'imitazione, in cui i canti co specifici (che possono essere appresi) vengono respinti a favore di canti intraspecifici. Si tratta di un processo attivo e selettivo che riguarda sia la struttura fine delle note sia la composizione globale del canto; 4) la memorizzazione seguita dall'invenzione e dall'improvvisazione sensomotona. Questa si evolve per stadi, dalla produzione amorfa del sottocanto alla produzione plastica del canto e, infine, al canto pieno. I modelli non vengono prodotti esattamente, ma sono decomposti in sillabe, frasi o note. Talvolta sono sparse qua e là invenzioni e deviazioni. L'attenzione selettiva è indicata come un primo passo per la variazione del canto; 5) questa attività per tentativi ed errori culmina nella formazione di un programma motono
fisso.
) I ........
,
I
I
I j ~ 'I
111
Il
I~ 1
~\
t
~ ~
III!II
~
\W~
,..-----
344
Selezione, apprendimento e comportamento
Capitolo undicesimo
gare il periodo critico sia per il canto degli uccelli sia per la visione binoculare, ma il termine di questa fase non può essere posposto indefinitamente. L'esempio visivo è importante perché illustra in modo chiaro la plasticità e la competizione in un'area corticale (si veda il capitolo v). Questo significa che in molti eventi epigenetici di apprendimento possono coesistere l'acquisizione dell'apprendimento e la maturazione delle connessioni in centri neurali predestinati, ma plastici. Per quanto questi centri neurali sembrino essersi specializzati con l'evoluzione, vi sono motivate ragioni per pensare a un loro accoppiamento neurale con i gruppi di cellule e con 1circuiti implicati nel condizionamento. Abbiamo già visto che le connessioni nei repertori primari di alcuni circuiti, come quelli presenti nella visione binoculare e nelle proiezioni retinotettali, possono essere modificate dall'attività (si veda il capitolo v). L'apprendimento può essere definito in alcune fasi critiche, apprendimento neotenico, per sottolineare l'eventuale ritardo nel consolidamento dei circuiti. L'apprendimento neotenico, a differenza dell' apprendimento per condizionamento, può verificarsi durante la formazione postnatale di nuovi schemi di connessione e può influenzare gli schemi stessi. Tutti i dati sin qui riassunti concordano con !'ipotesi secondo cui l'apprendimento del canto sia neotenico: è selettivo, ha una fase critica, e deve contenere degli stimoli scatenanti innati e specifici. Il rinforzo classico non riesce a modificare la morfologia del canto. Tuttavia, le componenti dell' apprendimento selettivo e i programmi epigenetici probabilmente implicano ancora l'apprendimento associativo Uenkins I979, I984]. Sarebbe perciò un errore concludere che, poiché in una certa specie si verifica l'apprendimento selettivo, non siano compresi alcuni aspetti generali del condizionamento, come un tratto evoluto del sistema nervoso di quella specie. Inoltre, contrariamente all'ipotesi di Marler [1984], l'esistenza dell'apprendimento selettivo non è in sé né una prova né una controprova della selezione dei gruppi neuronali. Sebbene l'ultima sia compatibile con il primo, i livelli di organizzazione in cui si verifica la selezione sono molto diversi in ciascuna e l'apprendimento selettivo potrebbe verificarsi con mezzi diversi dalla selezione dei gruppi neuronali. Qual è, allora, la connessione tra la selezione dei gruppi neuronali e le diverse forme di apprendimento?
345
6. La selezione dei gruppi neuronali nell'apprendimento. Per i nostri scopi, il significato principale dell'apprendimento nelle fasi critiche è la sfida che esso pone alla teoria della selezione dei gruppi neuronali: come può la selezione dei gruppi neuronali spiegare sia 1'apprendimento condizionato, che è evolutivamente diffuso 7, sia l'apprendimento selettivo nelle fasi critiche, che è specie-specifico? Come possono le due forme di comportamento interagire? Per rispondere a queste domande abbiamo concepito un modello di apprendimento basato sulla selezione dei gruppi neuronali che concorda con entrambi. Chiariti quali sono gli interrogativi, possiamo affermare che un' adeguata teoria dell' apprendimento deve perseguire i seguenti obiettivi: l) la teoria deve avere un fondamento neurale e occuparsi di meccanismi e processi neurali; 2) deve specificare come le condizioni e le situazioni consentano la formazione di rappresentazioni categoriali (o conoscenza) sulla base di valori evolutivi sottostanti alle diverse aspettative e alla sorpresa incluse in tale conoscenza; 3) deve illustrare come tali rappresentazioni si traducano in prestazioni; 4) deve illustrare come le basi neurali della rappresentazione siano compatibili con l'apprendimento specie-specifico, cioè, con il notevole adattamento alla nicchia ecologica che favorisce forme di apprendimento specifiche e particolarmente evolute. Stando a questi requisiti è ovvio che la teoria debba essere una teoria dello sviluppo, e per numerose ragioni. È molto improbabile dedurre direttamente dalle osservazioni dell'apprendimento e delle sue interpretazioni funzionali la storia dei meccanismi neurali corretti. Data l'esistenza di un apprendimento selettivo ed epigenetico 7 Il condizionamento pavloviano si sta rivelando un comportamento evolutivamente diffuso, manifestatosi tanto negli organismi unicellulari [Hennessey e altri 1979] quanto nell'uomo. Anche i meccanismi cellulari su cui si fonda sono, almeno in parte, universali. Per esempio, le indagini sul mollusco marino Hermissenda crassicornis e sull'ippocampo di coniglio, entrambi sottoposti a condizionamento pavloviano, evidenziano lo stesso tipo di cambiamento strutturale, biochimico e biofisico nei neuroni inclusi nelle reti neurali attive durante il condizionamento [per un approfondimento su questi meccanismi si veda Alkon 1989]. Sui principi ricavati da questi studi Alkon e collaboratori hanno progettato una memoria artificiale basata sul principio delle reti neurali non istruite, i cui elementi neurone-simili hanno un elevato realismo neuronale, a differenza della quasi totalità delle reti neurali, le cui unità, o nodi, ne sono versioni estremamente semplificate e infedeli. Tale memoria riconosce e memorizza secondo tempi e logica simili a quanto svolto da Hermissenda [Alkon e altri 1990; Werness e altri 1992, 1993].
u
r
34 6
Capitolo undicesimo
Selezione, apprendimento e comportamento
(di cui l'apprendimento neotenico è un esempio), qualunque adeguata spiegazione non può ignorare le sequenze di sviluppo. Inoltre, ~ difficile immaginare una dettagliata e soddisfacente relazione tra condizionamento e apprendimento selettivo o neotenico tralasciano do lo sviluppo. Abbiamo già segnalato che la categorizzazione percettiva, per quanto necessaria nell' apprendimento, non è, tuttavia, sufficiente, Se il mondo si manifesta senza etichette, la categorizzazione deve es· sere svolta dalla selezione per mezzo delle coppie di classificazione e del mappaggio globale (si veda la fig. 50). Tuttavia, affinché le rappresentazioni che ne derivano (e la ricategorizzazione implicata dalla ' memoria) siano coinvolte in modo adattativo nell' apprendimento, i relativi mappaggi globali devono accoppiarsi alle aree del cervello imo plicate nel controllo appetitivo, consumatorio ed edonico, cioè, l'ami· gdala, l'ipotalamo e il tronco encefalico, e parti del sistema limbico', A questo punto, possiamo delineare un modello di apprendi. mento. La mia proposta è che le strutture neurali indispensabili per l'apprendimento siano dei gruppi neuronali uniti in coppie di clas· sificazione comprese in mappaggi globali e collegate per mezzo del rientro ai centri edonici, dai quali deriva il significato. In altre parole, numerosi gruppi, attivi nelle coppie di classificazione (che I
8 Alcune recenti tendenze nello studio del condizionamento propongono dei modelli computazionali in cui le funzioni sensomotorie si integrano al sistema limbico e ipotalamico, cioè, ai sistemi di valore. Tra questi, Edelman e collaboratori [Tononi e altri 1992a] hanno simulato una forma di condizionamento dove un organismo semplice, composto di circuti neurali visivi, uditivi, e connessioni oculomotorie, modifica i movimenti oculari (foveazione) in funzione di specifici stimoli uditivi e in connessione con sistemi neurali di valore. In una estensione di questo lavoro [Friston e altri 1994] essi hanno dimostrato che l'apprendimento dipendente dal valore può essere applicato alle connessioni che raggiugono i sistemi di valore stessi, in modo che il valore può, a sua volta, modificarsi durante la vita dell'individuo. Una diversa simulazione integrata dell' apprendimento e dei sistemi di valore è stata proposta da Harry Klopf e collaboratori [Klopf e altri 1993]. Essi considerano la loro metodologia una "terza via" verso la riproduzione del comportamento intelligente, alternativa tanto al paradigma dell'intelligenza artificiale, quanto al paradigma del riconoscimento di configurazioni (pattern recognition), e che considera le interazioni tra sistema intelligente e ambiente in tempo-reale, ad anello chiuso, e con la ricerca di un obiettivo (goal-seeking). Tale posizione, strettamente analoga a quella espressa da Edelman in questo capitolo, se ne differenzia per minore realismo neurale e per il modello matematico impiegato, in quanto Klopf rivaluta la teoria del controllo, fondamentale nei modelli cibernetici [Ashby 1952], e la integra con le teoria dei meccanismi di appredimento tempo-dipendenti [Klopf e altri 1993]. Questo approccio, la neuroetologia computazionale, propone un modello entro cui correlare psicologia dell' apprendimento animale, psicologia fisiologica, neurobiologia, teoria delle reti neurali, teoria del controllo e apprendimento delle macchine, e di integrare anche i complessi sensomotori ai sistemi di valore e all' ambiente.
347
campionano l'ambiente con modalità sensoriali piverse) e connessi ai circuiti limbici e ai sistemi di output tramite connessioni rientranti, costituiscono un plausibile sistema per l'apprendimento. Queste coppie rientranti mettono in relazione le categorizzazioni con i gruppi neuronali del sistema limbico, esaudendo numerosi requisiti evolutivi propri di quel sistema. Allo stesso tempo, la connessione a gruppi del mappaggio globale preposti all' output motorio consente la revisione esplorativa fino a che l'input non rispecchia le aspettative riposte nella categorizzazione precedente (" memoria") e riduce la spinta rientrante dal sistema limbico [per una spiegazione neurale del comportamento consumatorio in termini di teoria della selezione dei gruppi neuronali, si vedano Mobbs e Pfaff 1987; Pfaff e Mobbs 1987]. Poiché le regole sinaptiche consentono un ampio margine di flessibilità nel legame reciproco tra coppie di classificazione, è possibile un ricco mosaico di categorizzazioni. In genere, le coppie di un mappaggio globale prevedono una gerarchia di reti, con le reti di ordine superiore rientranti tra se stesse (si veda il capitolo x), che conferiscono enorme flessibilità alla concatenazione delle risposte categoriali. "Il loro valore (la deviazione da punti fissi stabiliti dallo stato limbico e dalla memoria) è dinamico. TI numero di coppie o di n-tuple di classificazione, il loro rientro di livello superiore e il grado di connessione determineranno l'" apertura" del programma di condizionamento. Questo modello può spiegare le variazioni del condizionamento, ma anche l'importanza della sorpresa. Se vogliamo inserire l'apprendimento selettivo o quello neotenico in questo schema, dobbiamo semplicemente notare che l'eterocronia o un ritardo di sviluppo (si veda il capitolo VI) nelle connessioni di alcune reti di ordine superiore, coinvolte in coppie particolari in alcune specie, consentirebbe alloro sviluppo morfologico definitivo e alle loro connessioni di essere selezionate dai segnali esterni, e il condizionamento di queste connessioni, stimolato dai segnali appropriati, genererebbe dei programmi chiusi [Marler 1984]. Interpretato in questo modo, l'apprendimento selettivo è una forma di neotenia, cioè, la maturazione delle connessioni di alcuni sistemi neurali viene ritardata sino alla ricezione di alcuni stimoli postnatali. L'apprendimento neotenico ricorda, da questo punto di vista, gli eventi metamorfici [Alberch 1980, 1982a, 1982b], nel senso che alcuni programmi di sviluppo rimangono" congelati" e vengono attivati solo in particolari momenti di interazione col mondo. I diversi tipi di apprendimento sono correlabili all'organizzazione
34 8
Capitolo undicesimo
Selezione, apprendimento è comportamento
delle coppie di classificazione nelle mappe e alloro grado di consolidamento durante lo sviluppo. Nel caso dell'apprendimento del canto, il consolidamento rappresenta un tipo di neotenia nei circuiti neurali influenzabile dall'esperienza esterna. Tale forma di epigenesi è forse la piu sofisticata conosciuta, in quanto può essere influenzata dall' apprendimento e da eventi individuali, ignoti alle sequenze embriologiche [Hamburger 1970]. In altri casi di condizionamento involontario [Thompson 1970], dove il cablaggio è completo, l'influsso è limitato a variazioni nell' efficacia sinaptica, e la funzione nell' apprendimento è generale. Entrambe le organizzazioni sono soggette a una notevole variazione evolutiva e si sovrappongono, nel senso che tutte le sottocomponenti vengono influenzate dai fattori discussi nei capitoli precedenti. Un sistema di questo tipo consente scelte evolutive molto ampie - i tipi di coppie che sono collegate, le modalità sensorialì coinvolte nelle coppie, e il livello e i tempi della selezione dei gruppi nel consolidare l'efficacia sinaptica (o nel "chiudere" certe configurazioni circuitali, nel caso dell' apprendimento selettivo) sono tutti elementi su cui la selezione naturale può operare indipendentemente tramite il fenotipo. Il bisogno in tempo reale di un campionamento efficiente tra le numerose reti dei gruppi è esaudito dal legame con le risposte motorie, le quali possono migliorare il campionamento da parte di coppie specifiche, aumentando, quindi, la probabilità di ridurre le attese. In qualche caso, verrebbero posti severi vincoli ai sistemi sensomotori di campionamento; in altri casi potrebbe stabilirsi uno stretto legame, fissato dall'evoluzione, con i gruppi neuronali dei sistemi edonici (spiegando la precedenza di alcuni stimoli condizionati); infine, in altri casi ancora, l'ordine di alcuni programmi motori sarebbe determinato evolutivamente. Stando a questo modello, ciò che si modifica nell' apprendimento è il legame dei mappaggi globali con i centri edonici e con le risposte motorie, dovuto alla variazione sinaptica nelle coppie di classificazione (alcune delle quali devono essere specie-specifiche). L'operazione complessiva di tale circuito di reti descrive da un punto di vista categoriale il "valore" in condizioni di aspettativa. In tali reti, l'apprendimento (e la conoscenza) devono sempre superare la prestazione la quale è selezionata dai repertori che comprendono elementi dell~ coppie incluse nei mappaggi globali. E importante ribadire come le strutture che abbiamo indicato a fondamento dell' apprendimento costituiscano ampi e complessi sotto-segmenti del sistema nervoso [si vedaJohn e altri 1986]. Non è
349
una sorpresa dato che 1'apprendimento consegue necessariamente alla categorizzazione. Un tale sistema di rete non è un semplice arco riflesso o un sottosistema condizionabile [Thompson 1986]. Le teorie del condizionamento basate su questi semplici anelli neurali vanno bene con le vecchie idee di apprendimento per contiguità e con il comportamento di organismi molto semplici, ma non con le moderne teorie secowo cui l'aspettativa e la rappresentazione costituiscono i principali elementi dell'apprendimento in un animale. Che cosa si può dire, allora, di quelle osservazioni secondo cui possono essere isolati dei sottosistemi neurali che rispondono a paradigmi affini al condizionamento [Tsukahara 198I; Thompson 1986]? La risposta deve risiedere nel fatto che l'intera rete descritta può contenere molti di questi sistemi, e, quindi, se solo uno o pochi sistemi vengono attivati e modificati nell' animale, è possibile che non si verifichino variazioni nel comportamento complessivo. Cioè, se la funzione di tali sottosistemi neurali è incompatibile con le aspettative stabilite dai gruppi neuronali di ordine superiore, il loro accoppiamento con l'azione può anche essere soppresso. In altre circostanze, tuttavia, si può immaginare che un numero crescente di tali "sottosistemi condizionabili" possa essere modificato dall' apprendimento, in modo che, se vengono esaudite le condizioni essenziali attese, i sottosistemi stessi vengano rapidamente impiegati, nel qual caso ci aspetteremmo di osseryare che molti di questi sistemi sono modificati dall' apprendimento. E sorprendente la somiglianza con i complessi motori controllati a livello centrale e con i concetti di insieme [Evarts e altri 1984]. Ne concludiamo che l'individuazione di un sottosistema "condizionabile" non rappresenta un modello esaustivo di apprendimento, ma è solo una piccola parte di un sistema molto piu ampio dell' animale osservato nel suo agire. Va detto che questa conclusione integra, ma non contraddice, le osservazioni secondo cui "l'apprendimento associativo" può verificarsi in animali privi di neocorteccia [Oakley 1979, 19 80]' La plausibilità del modello di apprendimento fondato sulla teoria della selezione dei gruppi neuronali può essere sintetizzata in questo modo: I) procede" dal basso verso l'alto", dagli elementi neurali all'apprendimento; 2) grazie alle coppie di classificazione e ai mappaggi globali esaudisce la necessità di una rappresentazione, tipica degli esperimenti di condizionamento; 3) è in rapporto con le aspettative, tramite il legame di queste strutture ai sistemi" di valore" limbici, e tramite la memoria, intesa come sistema di ricategorizzazione; 4) unisce il comportamento operante grazie all'azione afeedback dei
·Ll
35 0
Selezione, apprendimento e comportamento
Capitolo undiceslmo
gruppi motori che variano il campionamento (" scrutinio") dell' ambiente operato dalle reti incluse in coppie di classificazione di livello inferiore; 5) in alcune specie favorisce la variazione epigenetica e i modelli etologici tramite la "neotenia insegnabile" nei mappaggi globali, consentendo che, in certi periodi critici, l'esperienza modifichi le connessioni. Questo ritratto ben si accorda non solo con i dati etologici, ma anche con la teoria secondo cui il condizionamento sia un aspetto generale evoluto del sistema nervoso di molte specie. Si basa sulla consapevolezza che le reti dei sistemi di apprendimento devono affrontare evenienze convenzionali o arbitrarie con modalità impossibili alle singole coppie di classificazione. La categorizzazione può trattare gli oggetti campionandone alcune proprietà fisiche, ma solo l'apprendimento può creare un comportamento complesso. In altre parole, solo l'apprendimento può estrarre il significato e il valore di sopravvivenza nonostante le fortuite giustapposizioni di eventi e ." cause" che si verificano su scala macroscopica. Tuttavia, poiché l'apprendimento richiede una precedente categorizzazione percettiva, che a sua volta richiede il mappaggio globale, esiste un intimo rapporto tra il fenotipo di una certa specie e il tipo di apprendimento di cui quella specie è capace, poiché le componenti sensomotorie dei mappaggi globali dipendono strettamente da alcuni aspetti della morfologia e del complesso motorio, e poiché i mappaggi stessi hanno un forte legame con i sistemi neurali evolutisi per realizzare gli stati consumatori specie-specifici. In questo senso, il substrato neurale della categorizzazione percettiva determina il legame tra condizionamento e comportamento specie-specifico. La variazione evolutiva operante sul comportamento di una popolazione può selezionare quali coppie di classificazione saranno unite e quali reti nelle coppie subiranno una variazione eterocronica. Il grado di specie-specificità delle reti dedicate all' apprendimento può essere modificato, pur conservando gran parte degli aspetti generali. La psicologia comparata e la psicologia dello sviluppo vengono unificate, a questo livello, dalla selezione naturale. L'occupazione evolutiva di una nicchia ecologica è una forma di categorizzazione di ordine superiore, e cosi dicasi per l'apprendimento. Noi pensiamo che, grazie alla selezione dei gruppi neuronali, lo sviluppo di reti neurali specializzate nella categorizzazione percettiva renda possibile un ampio spettro di adattamenti che vanno dal condizionamento generale all'apprendimento selettivo specie-specifico comprendente la neotenia.
35 I
7. Dalle reti selettive rientranti al!' elaborazione di informazione. Dopo aver definito questo modello neuronale dell' apprendimento, converrà approfondire alcune questioni generali legate al valore adattativo della selezione dei gruppi neuronali: come può, in definitiva, un cervello, operante per mezzo della selezione dei gruppi neuronali in un mondo senza etichette, elaborare informazione, un fenomeno che, di sicuro, si verifica negli esseri umani? Dob1;>iamo una spiegazione perché, per quanto una teoria selettiva sia vigorosamente sostenuta dai fatti relativi alla struttura e alla funzione neuronale, non può, basandosi esclusivamente sui suoi diversi meccanismi, originare nel singolo animale un sistema che elabori informazione. La categorizzazione percettiva, riflessa nelle variazioni in gruppi neuronali degenerati selezionati, è, di per sé, "solipsistica". Pertanto, si presume che, in situazioni simili, due animali appartenenti alla stessa specie producano gli stessi comportamenti adattativi (talvolta originali) grazie a combinazioni diversificate dei gruppi neuronali. A condizione che le categorizzazioni basate sulla selezione dei gruppi neuronali siano sufficientemente complesse e stabili, gli eventi successivi possono essere collegati per mezzo di associazioni neuronali, generando forme di apprendimento potenzialmente uniche in ciascun individuo. La categorizzazione percettiva nel singolo animale può ovviamente essere un fondamento dell'apprendimento individuale, in cui la sorpresa o la rottura dell'aspettativa è seguita dalla ricompensa o dalla punizione. Tuttavia, per due animali appartenenti alla stessa specie e reagenti ai medesimi stimoli ambientali, i fondamenti neurali di categorizzazioni simili possono essere differenti in realtà, è probabile che sia cosi. T ali animali non potrebbero mai comunicare quei comportamenti esclusivamente come risultato della selezione dei gruppi neuronali né, in una certa specie, i singoli comportamenti potrebbero fissarsi tramite la selezione evolutiva delle varianti neurali che determinano quei comportamenti. Ciò si verifica perché la selezione dei gruppi neuronali, come la selezione naturale, è a posteriori e può verificarsi con efficacia comparabile in molti modi diversi. Sebbene sia concepibile che, in alcune specie, l'apprendimento individuale in senso stretto possa verificarsi senza un'elaborazione d'informazione, sappiamo per certo che l'elaborazione d'informazione si verifica, almeno in specie che hanno le potenzialità di un vero apprendimento rinforzato dalla trasmissione o dalla comu-
l
iJ l'
,..--.
35 2
Capitolo undicesimo
nicazione sociale. Una soluzione generale al problema richiede l'unione tra selezione dei gruppi neuronali e informazione o tra selezione e apprendimento trasmesso tra individui, e, infine, legando tale selezione alla comunicazione sociale e a una diffusa elaborazione d'informazione, come, di fatto, accade nella specie umana. L'unione (operata dalla comunicazione) di categorie che non hanno necessariamente alcunché in comune nella struttura neurale, ma la cui associazione può essere particolarmente adattativa, è una forma di apprendimento. 10 definiremo apprendimento comunicato, per indicare che deve essere generato da legami comunicativi aventi valore adattativo [si veda, per esempio, Cheney e Seyfarth 1985] piuttosto che direttamente tramite caratteristiche neurali implicite o categorie di rappresentazione necessariamente condivise da due animali. Quindi, l'apprendimento comunicato richiede una forma di scambio tra almeno due, ma in genere piu di due, organismi. In base a questa tesi, per spiegare l'evoluzione di una vera e propria elaborazione d'informazione capace di trattare le novità, dobbiamo aggiungere alla categorizzazione percettiva diversi processi .realizzabili dalle reti rientranti dei gruppi degenerati. Allo scopo di spiegare la capacità di manipolare l'informazione, questi processi includono l'apprendimento vero, l'apprendimento comunicato, e alcuni aspetti etologici evolutivi del comportamento di una specie. Ciò che è necessario per unire la teoria della selezione dei gruppi neuronali all'elaborazione di informazione per mezzo dell'apprendimento vero è la comparsa, nel corso dell' evoluzione, di una sequenza di processi dipendenti. Questi processi sono: I) la categorizzazione percettiva tramite la selezione dei gruppi neuronali; 2) l'apprendimento adattativo basato sull'imitazione o sulla convenzione trasmessa tra almeno due individui di una specie, costituendo l'elaborazione di informazione; e 3) la selezione evolutiva degli individui i cui repertori, derivanti dalla selezione dei gruppi neuronali, consentono il piu rapido ed efficiente apprendimento adattativo di questo tipo. Dopo che si sono verificati sia la variazione etologica [Gould e Marler 1984] sia l'adattamento individuale tramite il condizionamento con tale apprendimento comunicato, l'informazione diventa un patrimo.nio dell'individuo e della specie, La sua forma evolutivamente piu elevata è costituita dai sistemi simbolici e dal linguaggio. La tesi della teoria della selezione dei gruppi neuronali è che la selezione naturale, originando questo sviluppo trascendente, abbia agito su individui il cui sistema nervoso aveva già la potenzialità per cate-
Selezione, apprendimento e comportamento
353
Figura 62. Schema illustrante alcune interazioni tra evoluzione (il «grande anello») e diverse condizioni di sviluppo determinate da eventi embrionali e dalla selezione somatica dei gruppi neuronali negli individui (il «piccolo anello»). Tutti i processi nei rettangoli lunghi verticali (I, m, n) si verificano negli individui di una specie. TI comportamento adattativo e l'apprendimento dipendono dalla categorizzazione percettiva stabilita nel piccolo anello. Questo genera la variabilità somatica, unica per ciascun individuo. Le varianti fenotipiche che mediamente sono le piu adatte vanno incontro a una riproduzione differenziale. Le modificazioni risultanti nelle frequenze geniche si verificano in un ampio insieme di geni istoregolatori e in un insieme piu ridotto di geni morforegolatori (l'ipotesi dei regolatori), stabilendo nuove opportunità evolutive per la selezione somatica nel piccolo anello. La comunicazione in specie aventi variazioni che generano dei ritardi nella formazione del repertorio primario può favorire l'apprendimento neotenico, poi fissabile in una popolazione. Le specie che sviluppano una comunicazione sociale vera e propria possono realizzare un'elaborazione di informazione.
Individuo
I
Individuo n
.... __
i
,,
i l
Selezione somatica
o'
Selezione
.~ ~
somatica
o,
g:
B'
5:
~:
@: 0.'
Selezione dei gruppi neuronali (repertorio 2°)
PICCOLO ANELLO
Regole sinaptiche Mappaggio globale
Selezione somatica sulla
I
variazione
0.'
<:,
neuronale
Variazione fenotipica nelle specie Competizione intrasp!'cifica e interspecifica
Ìi.J
r 354
Capitolo undicesimo
gorizzare, grazie ai complessi sistemi di selezione somatica 9 • Nella figura 62 viene presentato un diagramma che illustra i diversi rapporti tra selezione naturale (il grande anello) e selezione somatica (il piccolo anello). Naturalmente, in ogni specie varia il grado con cui il comportamento è determinato etologicamente e il grado con cui è determinato, in ogni individuo, dalla selezione dei gruppi neuronali. Quali che siano i contributi relativi, il punto centrale è che i meccanismi della comunicazione all'interno della specie [Boyd e Richerson 1985] e i meccanismi della selezione dei gruppi neuronali interagiscono per produrre dei sistemi a elaborazione d'informazione. Aver riconosciuto che questa interazione può influire sulla selezione evolutiva prevede notevoli conseguenze, alcune delle quali saranno menzionate al termine di questo libro. 9 Le ricerche sul linguaggio di questi ultimi anni sembrano confermare questa ipotesi e traggono delle conclusioni affini al pensiero selezionista di Edelman. In particolare, è vivo il dibattito sulla questione se, per apprendere il linguaggio, l'uomo possegga un'organizzazione neurale specifica, la cosiddetta specificità di dominio, secondo cui le strutture dedicate al linguaggio sono modulari, discontinue e dissociabili da tutti gli altri sistemi cognitivi e percettivi, oppure se si verifichi una riconfigurazione di sistemi neurali e mentali già esistenti in altre specie. Risultati convergenti ricavati da simulazioni su reti neurali [Pinker e Prince 1988], da studi elettrofisiologici, da studi sull'apprendimento del linguaggio in bambini con danni cerebrali locali e da studi comparati sul ritardo mentale sembrano dimostrare che l'apprendimento del linguaggio si basi su una mescolanza relativamente plastica di sistemi neurali, specializzati anche per altre funzioni [per una rassegna sul tema si veda Bates 1992; per un'analisi sulla natura selettiva dell'apprendimento del linguaggio si veda Piattelli Palmarini 1989].
Parte quarta Conclusione
.'
ì.J
Capitolo dodicesimo Riassunto, previsioni e implicazioni
Riassunto, p. 358. - La questione biologica, p. 358. - La questione psicologica, p. 358. - La questione etologica, p. 358. Sintesi della teoria, p. 360. - La sufficienza esplicativa della teoria, p. 363. - Alcune previsioni: i meccanismi selettivi, p. 366. - Le mappe rientranti, p. 369. - La categorizzazione, p. 371. - Note conclusive, p. 372.
I.
Introduzione.
L'utilità di una teoria risiede nel suo potere esplicativo e predittivo, e nell'indicare la via per ulteriori indagini e perfezionamenti sperimentali. Una teoria che si occupa di sistemi complessi deve necessariamente includere teorie parziali e modelli. Tale è la teoria della selezione dei gruppi neuronali. Data 1'intricatezza della funzione neurale è assai probabile che alcuni dettagli fisici dei modelli che sostengono il corpo centrale della teoria siano inesatti. Pertanto, è opportuno domandarsi quali siano gli aspetti irrinunciabili ed evidenziare quelli che devono rimanere ben radicati anche in una versione semplificata, affinché la teoria sopravviva e sia di qualche utilità. In questo capitolo ripasseremo i concetti chiave del libro, sottolineando gli aspetti esse~iali della teoria, che, qualora venissero falsificati, ci costringerebbero ad abbandonare la teoria stessa. Avremo, quindi, 1'occasione per limare ulteriormente questi concetti e per valutare fino a che punto siano esplicativi. In seguito, potremo considerare alcune tra le numerose previsioni fatte dalla teoria. Infine, dopo aver stabilito che la teoria è fondamentalmente corretta, sarà opportuna una breve valutazione di alcune sue implicazioni generali. La teoria sostiene che la categorizzazione percettiva è una condizione che precede tutto 1'apprendimento convenzionale che sia caratterizzato da un livello non banale di complessità. La percezione che precede la categorizzazione è adattativa e non necessariamente veridica nelle sue attribuzioni, Il mondo macroscopico (l'insieme di "oggetti" ed eventi considerati in una scala comparabile ai limiti fi} i
l
i
U
35 8
Capitolo dodicesimo
Riassunto, previsioni e implicazioni
sici della percezione) non è né pre-categorizzato ed etichettato, né organizzato a priori, se non per ciò che consegue alle leggi fisiche. Gli stimoli sono paragonabili a campioni estratti da insiemi polimorfi costituiti dagli oggetti ed eventi del mondo, la cui ampiezza e scomposizione disgiuntiva sono filtrati dagli organi di senso e dagli apparati muscolo scheletrici plasmatisi progressivamente nel corso della selezione naturale. Definito lo scenario, rimangono aperte tre importanti questioni per le neuroscienze. La questione biologica centrale è: come si sono evolute le connessioni tra neuroni in armonia con le altre componenti dell' organismo al fine di generare comportamenti che si plasmano su nicchie ecologiche estremamente variabili? Nei capitoli VI, VIII e XI, abbiamo cercato di formulare una risposta provvisoria a tale quesito, illustrando come le leggi dello sviluppo abbiano influenzato l'evoluzione del sistema nervoso consentendo la formazione di repertori varianti nelle piu diverse aree neurali inglobate nei sistemi rientranti, e sulle quali si fonda il comportamento. Dalla questione biologica derivano due questioni sussidiarie. Quella psicologica si chiede: come riescono gli animali a realizzare la categorizzazione percettiva e la generalizzazione per mezzo dei sistemi motori e neurali? Quella etologica si chiede: come è stato possibile che tale categorizzazione abbia assunto un valore adattativo per l'apprendimento vero e per l'apprendimento specie-specifico, deputati ad accrescere l'idoneità dell'individuo all'interno del taxon o della specie? Implicite nei due ultimi interrogativi sono le ipotesi secondo cui l'operazione alla base della categorizzazione è la generalizzazione, e che 1'0perazione centrale dell' apprendimento adattativo è l'associazione fondata su una precedente categorizzazione del valore in condizioni di aspettativa. Qualunque teoria proposta per rispondere a questi due quesiti deve formulare una spiegazione nei termini rigorosi della organizzazione materiale e delle proprietà dinamiche delle popolazioni neuronali di una specie, esaudendo in questo modo l'interrogativo biologico. Non possiamo invocare alcun concetto mentalistico [Sperry 1969, 1970; Popper ed Eccles 1981]. Nell'ambito di queste condizioni sono sostenibili due tesi opposte:
359
goritmiche. Questo consente le risposte condizionate e operanti, e 1'apprendimerito convenzionale. Si tratta del paradigma istruzionista. 2) In alternativa, l'organismo riceve gli stimoli dal proprio ambiente o dalla propria nicchia ecologica sotto forma di insiemi polimorfi. In conseguenza dell'azione, gli stimoli effettuano una selezione all'interno dei vari stati e organizzazioni dinamiche del sistema nervoso, già presenti al momento della recezione degli stimoli, rinforzando alcuni stati e sopprimendone altri. Tali insiemi-stimolo costituiscono informazione, nel senso istruzionista, solo dopo la realizzazione della selezione, della risposta e della memoria; l'elaborazione d'informazione, nell' accezione piu ampia e specifica del termine, compare solo dopo la nascita della comunicazione sociale, intesa come sviluppo evolutivo. Questa seconda tesi è rappresentata dalla teoria della selezione dei gruppi neuronali. La differenza tra queste due tesi alternative non dovrebbe piu essere abbandonata o confusa, data l'esistenza in ciascuna di caratteri peculiari. Per esempio, è importante distinguere le risposte comportamentali di natura evolutiva dalle risposte derivanti da variazioni nell'individuo di una certa specie. Nell' arco vitale del singolo, la prima tesi implica l'istruzione, cioè, l'informazione ambientale determina in modo fondamentale l'organizzazione delle connessioni funzionali (non necessariamente le connessioni fisiche) nel sistema nervoso. La seconda alternativa è la selezione, cioè, gli stimoli selezionano alcuni gruppi, già presenti nei repertori neuronali che formano le popolazioni, i quali sono determinati dalla filogenesi e dai generatori della variabilità durante lo sviluppo, e ne conseguono delle risposte estremamente individuali. In un sistema di questo tipo, la categorizzazione percettiva è definibile chiaramente solo considerando le esigenze adattative e le restrizioni fenotipiche proprie di ogni specie. Non escludendo che tale categorizzazione possa basarsi su alcuni principi generali, le sue realizzazioni hanno sempre un fine speciale. Se desideriamo comprendere la categorizzazione percettiva, dobbiamo proporre una teoria che sappia spiegare"la generalizzazione nelle risposte individuali a stimoli che non necessariamente hanno plasmato il taxon per mezzo della selezione naturale nel corso dell' evoluzione. Una teoria della selezione somatica che si proponga questo obiettivo deve esaudire alcune esigenze generali: I) deve spiegare
I) L'organismo riceve l'informazione dall'esterno e la elabora in
modo simile, ovviamente non identico, a un computer. Malgrado il cervello non abbia la stessa organizzazione di un computer digitale, tuttavia, realizza computazioni e operazioni al-
L l
I.J
,l
360
Capitolo dodicesimo
Riassunto, previsioni e implicazioni
la formazione dei repertori neuronali durante lo sviluppo, fenomeno che richiede una comprensione dell'origine epigenetica della variabilità nelle connessioni e nella chimica dei repertori stessi; 2) deve fornire gli strumenti con cui selezionare, per mezzo di canali paralleli indipendenti, gli stimoli che costituiscono gli insiemi polimorfi, e tale selezione deve consentire l'accesso a una percentuale sufficientemente ampia di repertori neuronali presenti in aree anatomiche specifiche; 3) la teoria deve includere adeguati meccanismi sinaptici di selezione che favoriscano un'amplificazione differenziale delle sottopopolazioni neuronali selezionate e la soppressione dei competitori consentendo, allo stesso tempo, una generazione continua di variabilità; 4) deve fornire dei meccanismi adatti per mappare i campioni paralleli degli stimoli su popolazioni neurali, per ricavare una rappresentazione continua o una procedura rappresentativa, mediata dalla risposta neurale e dall' attività motoria, il cui esito è il comportamento adattativo. La teoria della selezione dei gruppi neuronali cerca esplicitamente di esaudire questi requisiti. Essa, infatti, sostiene che:
361
dono con maggiore efficacia di altri, favorendo la selezione e la formazione dei repertori secondari. Come paradigma di questo processo abbiamo presentato uno specifico modello di confinamento-selezione-competizione relativo ai gruppi della corteccia cerebrale. Il meccanismo epigenetico proposto per la selezione di tali repertori secondari implica delle regole pree postsinaptiche indipendenti che modificano l'efficacia sinaptica a breve o a lungo termine. Queste regole consentono la correlazione spaziotemporale degli stimoli sulle lamine recettoriali, in modo da favorire le risposte di alcuni gruppi neuronali. Nello stesso tempo, le regole favoriscono alcune risposte a breve termine per mezzo di risposte a lungo termine, grazie a neuroni connessi ricorsivamente e appartenenti a gruppi che obbediscono a entrambe le regole. Mentre questo aumenta la probabilità di risposta di alcuni gruppi ripetutamente stimolati, le variazioni presinaptiche a lungo termine possono anche aumentare la variabilità dell' efficacia sinaptica tra domini collegati, generando ulteriore variabilità, la cui entità deriva dalle regole e dipende dal grado di competitività tra diversi stimoli co"e lati che influenzano altri gruppi in questi domini. Questo processo non solo consente la novità e la generalizzazione, ma. anche una sorgente continua di variazione. 4) Il mappaggio e il rientro tra canali paralleli consente la formazione di una procedura o di una rappresentazione delle categorie in un certo ordine spaziotemporale. Pur essendo la coppia di classificazione l'unità minima capace di tale realizzazione, in genere tali coppie non operano isolate, ma fanno parte di aggregazioni piu ampie costituite da canali paralleli mappati, incluso il rientro da e verso regioni non mappate e verso i sistemi motori di output. L'insieme di queste componenti rappresenta l'unità minima capace di quell'articolata risposta categoriale, che ho definito mappaggio globale. La formazione dei mappaggi globali in conseguenza dell' azione è una parte importante della risposta all'interrogativo psicologico, poiché essi sono il substrato della categorizzazione percettiva.
I) In una certa specie, nel corso dello sviluppo si formano i reper-
tori neuronali primari; la composizione cellulare (i tipi neuronali) e le principali connessioni dei repertori sono stabilite dall'evoluzione. Il meccanismo epigenetico preposto al controllo della morfogenesi neurale durante lo sviluppo è definito dall'ipotesi dei regolatori, in base alla quale le CAM e le SAM agiscono come regolatori dei movimenti morfogenetici e come meccanismi di aggregazione degli insiemi cellulari nelle varie aree in cui si stanno formando le reti. Poiché questo principio morfogenetico è dinamico ed epigenetico, determina delle variazioni nei particolari piu minuti delle ramificazioni delle reti neurali. La modulazione delle CAM, modificando i meccanismi primari secondo regole epigenetiche, crea le condizioni per la variabilità nelle connessioni neurali. 2) Gli input multimodali diretti alle mappe consentono di campionare indipendentemente, per mezzo di coppie di classificazione, i singoli caratteri e i relativi rapporti estratti dagli insiemi polimorfi appartenenti all'universo degli stimoli. 3) Il campionamento degli stimoli. operato da canali sensomotori indipendenti si verifica in modo tale che, in condizioni competitive, alcuni insiemi di gruppi neuronali degenerati rispon-
In base a questi presupposti, le rappresentazioni in un mappaggio globale sono procedurali; cioè, la memoria del sistema costituisce una particolare procedura di ricategorizzazione, grazie a cui è pos-
IJ
362
Capitolo dodicesimo Riassunto, previsioni e implicazioni
sibile generare a ripetizione lo stesso output impiegando molte combinazioni differenti (degenerate) delle attività dei gruppi. Tale ricategorizzazione può essere rinforzata con un piu o meno spiccato grado di decorazione e di dettaglio disgiuntivo fornito dalle risposte provenienti da gruppi inclusi in sistemi rientranti indipendenti. Il complesso dei mappaggi globali in possesso di tali proprietà mnemoniche è alla base della generalizzazione e della categorizzazione, da cui derivano maggiori possibilità per un apprendimento adattativo, poiché. tali mappe sono collegate ai sistemi edonici. Cosi, modificazioni specifiche (evolutive e somatiche) nelle proprietà dei repertori dei gruppi neuronali (ampiezza, connessioni, risposte sinaptiche, grado di variazione e cosi via) possono essere adattative per l'organismo e per la specie qualora favoriscano risposte categoriali parallele che incrementano le possibilità di apprendimento. La teoria della selezione dei gruppi neuronali è la base per le rappresentazioni o per le procedure rappresentative necessarie per spiegare il ruolo della sorpresa nel determinare la direzione dell' apprendimento. Pur essendo un aspetto essenziale per il condizionamento classico e per quello operante, non preclude la possibilità che alcune varianti morfologiche che compaiono durante lo sviluppo possano essere selezionate favorevolmente dall'evoluzione e si traducano in modelli innati e in categorizzazioni specie-specifiche. Questi modelli, importanti dal punto di vista etologico, sono meno plastici rispetto alle forme di apprendimento basate sulla categorizzazione individuale e, ovviamente, possono incrementare l'idoneità di sopravvivenza in ambienti particolari. Alcuni tra questi modelli consentono l'apprendimento neotenico, un caso intermedio di selezione, secondo le regole dello sviluppo, di circuiti neurali nei mappaggi globali, di cui il canto degli uccelli è un esempio. Questa selezione è incanalata dall' ambiente, e la sua azione è consentita da un ritardo nello sviluppo postnatale del consolidamento delle connessioni neurali in determinate aree cerebrali. Si tratta di un contrasto, certo non di un conflitto rispetto all' apprendimento convenzionale, il quale opera esclusivamente selezionando le sinapsi in circuiti già consolidati. Questo quadro generale dell'apprendimento è una risposta alla questione etologica. In alcune specie, l'apprendimento convenzionale associato alle interazioni sociali può consentire lo sviluppo di sistemi per l'elaborazione d'informazione, e, in quest'ampia accezione, akuni sistemi nervosi hanno la potenzialità per diventare elaboratori d'informazione in senso stretto. Tuttavia, il percorso di questo sviluppo deve ine-
363
sorabilmente ripercorrere la stessa direzione dell' evoluzione: ontogenesi -+ repertori primari -+ repertori secondari selezionati in popolazioni sinaptiche -+ categorizzazione per mezzo del mappaggio e della generalizzazione -+ apprendimento convenzionale -+ interazioni sociali con valore adattativo (possibilmente con l'apprendimento neotenico) -+ elaborazione d'informazione. Cosi, l'origine dell'elaborazione d'informazione è in stretta relazione con il significato adattativo dell' apprendimento convenzionale rinforzato dalla comunicazione sociale. Da questo punto di vista, l'elaborazione d'informazione (in senso stretto) nel sistema nervoso si origina soprattutto grazie alla comunicazione all'interno del taxon. Nella creazione di un costrutto neurale, il movimento svolge un compito di regia degli eventi selettivi durante lo sviluppo dei repertori primari e secondari. Le condizioni morfogenetiche preposte alla formazione dei repertori primari (modulazione e regolazione del movimento cellulare e dell' emissione dei prolungamenti sotto vincoli regola tori che generano la variabilità e la conservazione dei circuiti neurali) hanno una controparte nel movimento di tutto l'organismo nelle prime fasi della categorizzazione percettiva e dell'apprendimento. In altre parole, la forma e la funzione di un sistema nervoso predisposto alle categorizzazioni adattative dipendono sia dal movimento delle cellule soggette a induzione embrionale, sia dalla incessante attività motoria degli organismi che, grazie alla selezione sinaptica, creano il substrato affinché, in un sistema rientrante, si verifichi la rappresentazione.
2.
Adeguatezza della teoria.
Ora che abbiamo svolto questo riassunto, ci possiamo chiedere quali parti della teoria siano essenziali e quali no, nel senso che una loro eventuale falsificazione non la mutilerebbe irrimediabilmente. Le componenti essenziali sono: I) una fonte di variabilità nelle connessioni durante lo sviluppo; 2) un insieme di regole selettive che variano l'efficacia sinaptica nelle popolazioni sinaptiche favorendo la selezione e ulteriori variazioni; 3) l'esistenza di circuiti funzionali rientranti tra mappe, atti a creare la continuità spaziotemporale; 4) l'organizzazione parallela delle mappe stesse in coppie o n-tuple di classificazione che campionano gli attributi indipendenti; e 5) la costruzione finale di mappaggi globali che contengono dei complessi senso motori quali unità minime per la categorizzazione per-
~
,.-----
36 4
Capitolo dodicesimo
cettiva. Se le nostre ipotesi, che rivendicano ciascuna di queste componenti come essenziale per la teoria, venissero falsificate, la teoria stessa ne uscirebbe notevolmente indebolita, e la loro elencazione vuole ribadire che una semplicistica applicazione di una qualunque generica idea di selezione, per quanto suggestiva, è inadeguata; bisogna anche proporre dei meccanismi e delle strutture specifiche. Questa affermazione è a fortiori vera per la selezione con reminiscenze platoniche Gerne 1967], per la selezione eliminativa [Young 1965, 1973, 1975] e per vari meccanismi di microselezione [Changeux e Danchin 1976] sinaptica,i quali non definiscono unità di ordine superiore, né si addentrano nelle relazioni necessarie e sufficienti per categorizzare. Valutando i meccanismi e le strutture che compongono una teoria adeguata, abbiamo dovuto costruire con i dati a disposizione alcune teorie parziali e dei modelli dettagliati. Ricordiamo l'ipotesi dei regolatori, che spiega l'origine delle differenze morfologiche, il modello delle due regole, che spiega la selezione sinaptica, e il modello confinamento-selezione-competizione tra gruppi neuronali, per la formazione delle mappe. Date le nostre conoscenze attuali, e data la complessità dei meccanismi, non pretendiamo che tali modelli si rivelino corretti nei minimi dettagli. Anche se questi modelli venissero rimpiazzati da altri modelli congruenti con la teoria generale, quest'ultima rimarrebbe, corpunque, ben salda. Tuttavia, sarebbe un errore confondere i principi con i meccanismi e indulgere in analogie superficiali tra la teoria della selezione dei gruppi neuronali e l'evoluzione, o tra la teoria neuronale e la selezione clonale nel sistema immunitario. Ciascuna di queste teorie selettive dispone di meccanismi unici e specifici, essenziali per un ulteriore progresso delle teorie. La teoria della selezione dei gruppi neuronali che cosa è in grado di spiegare e di predire? Rimandando l'ultimo interrogativo alla sezione successiva, possiamo affermare che la teoria risolve molti dei paradossi presentati nel capitolo I, fornendo i presupposti dell'origine della variabilità e dell'individualità nello sviluppo, della formazione delle mappe neurali e della loro dinamica, delle procedure di categorizzazione, della memoria procedurale a breve e a lungo termine, e della sorpresa quale fattore essenziale nell'inizio dell'apprendimento. La teoria spiega come tutte queste attitudini possano verificarsi evolutivamente nelle diverse specie, pur con una codificazione genetica minima dei repertori comportamentali. Dati questi presupposti, non è difficile capire le origini delle differenze nelle prestazioni e nell'apprendimento in individui diversi e in età diverse.
Riassunto, previsioni e implicazioni
t, ~
~
36 5
Una spiegazione particolarmente soddisfacente della teoria riguarda l'evoluzione dei sistemi nervosi. L'ipotesi dei regolatori permette di correlare le modificazioni genetiche dello sviluppo alla morfogenesi neurale e di spiegare alla radice 1'eterocronia. In questo modo, consente un accoppiamento tra la funzione neurale e le modificazioni nella forma complessiva dell' animale, inclusi i diversi adattamenti muscoloscheletrici. Le variazioni nell'inserzione dei muscoli, nella morfologia degli arti, o nelle specializzazioni cutanee non richiedono variazioni parallele e simultanee, geneticamente determinate, nelle connessioni neurali. Tali modificazioni periferiche potrebbero rappresentare nuovi stimoli che selezionano i repertori neurali durante l'esistenza dell' individuo. Adattamenti neurali successivi potrebbero aggiungersi gradualmente per mutazione e selezione. La teoria ci offre quindi un' esauriente spiegazione per comprendere lo sviluppo di nuove strutture neurali, e rappresenta una parte importante della risposta all'interrogativo biologico fondamentale delle neuroscienze. Comunque, il successo principale della teoria deve risiedere nella sua capacità di spiegare la natura della categorizzazione percettiva in individui appartenenti ai diversi taxa, dopo una loro interazione con un mondo privo di etichette, e senza presumere l'esistc::nza di un qualsivoglia homunculus. E importante notare, come abbiamo già fatto nella Prefazione, che la teoria, pur essendo un primo passo verso una considerazione delle funzioni cerebrali superiori quali la formazione dei concetti e il linguaggio, è stata volutamente limitata alla percezione e alla categorizzazione percettiva. Qualunque vincolo meno rigoroso avrebbe favorito la vaghezza; qualora l'idea di fondo si dimostrasse corretta, potrebbe sempre essere estesa, senza ritocchi essenziali, alle funzioni cerebrali evolutivamente piu recenti e complesse I •
3. Previsioni della teoria. La teoria della selezione dei gruppi neuronali si propone di unificare diverse aree di studio nell' ambito delle neuroscienze, spaziando dallo sviluppo alla funzione sinaptica e dalla neuroanatomia all' evoluzione del fenotipo, per culminare considerando il rapporto tra psicologia e struttura del cervello. Essa, pertanto, consente di fare numerose previsioni, variamente ordinabili in funzione del tema I Tale estensione è inclusa nel libro The Remembered Present: a Biological Theory 0/ Consciousness [Edelman 1989b].
L
366
Riassunto, previsioni e implicazioni
Capitolo dodicesimo
367
che regole sinaptiche indipendenti consentiranno una correlazione di segnali tra popolazioni dei gruppi neuronali e non tra singole sinapsi. In generale, la variazione sinaptica sortirà degli effetti soltanto su scala popolazionistica. Le modificazioni pre- e postsinaptiche si verificheranno indipendentemente con meccanismi diversi, e in nessun caso troveremo che esse dipendono semplicemente dall' attività elettrica attraverso singole sinapsi. Il modello delle due regole per variazioni popolazionistiche nelle sinapsi spiega gli effetti eterosinaptici e consente diverse combinazioni di potenziamento e di depressione dell' efficacia sinaptica modulate dal fattore tempo. Ne conseguono alcune previsioni che è giusto elencare, data la loro specificità:
trattato. Un ordine che può illuminarci sulla natura selettiva dei sistemi nervosi consiste nel considerare in primo luogo le previsioni basate sui meccanismi di sviluppo e di selezione sinaptica che consentono la variabilità e la competizione, considerando poi le previsioni attinenti alle organizzazioni delle mappe e al rientro, per finire con le previsioni relative alla categorizzazione percettiva e all'apprendimento. Naturalmente, questa sequenza ha molti dei difetti propri di un elenco stringato e, nella sua indubbia incompletezza, il suo è un significato essenzialmente sintetico ed euristico.
I meccanismi della selezione. La previsione iniziale riguarda l'ipotesi dei regola tori: la struttura neurale emergerà epigeneticamente grazie a forze trainanti di natura cinetica, quali la divisione, il movimento e la morte cellulare. Un forte limite sarà imposto dal numero relativamente ridotto di CAM e di SAM (poche decine, al massimo) controllate da segnali locali generati dalle interazioni sinaptiche e da altre interazioni tra aggregati neuronali. Quindi, la totalità delle interazioni cellula-cellula richiederà un numero relativamente limitato di CAM e SAM specifiche. Il carattere dinamico di questo modello consentirà una significativa variabilità nelle connessioni in tutte le aree del sistema nervoso, ma, soprattutto, nelle ramificazioni piu fini delle arborizzazioni assonali e dendritiche. Questo è il presupposto dell'individualità - due gemelli identici, pur avendo strutture neuroanatomiche piu simili rispetto a due individui non consanguinei, avranno, tuttavia, un cablaggio neurale alquanto diverso. In certe aree del sistema nervoso centrale i metodi microanatomici dimostreranno percentuali molto elevate di sovrapposizione tra arborizzazioni. Questo non è stato ancora dimostrato sperimentalmente per due arborizzazioni adiacenti; quando sarà effettuato e dimostrato in sedi diverse, si troverà che questa sovrapposizione causa una variabilità significativa nel posizionamento esatto delle sinapsi sia sul bersaglio sia en passant. Pur formandosi le connessioni in regioni definite degli alberi dendritici, come si osserva nel cervelletto e nell'ippocampo, il numero di connessioni varianti sarà comunque molto elevato. . Dopo che le strutture neuroanatomiche si sono assestate entra in gioco la selezione, nel rispetto delle regole sinaptiche. La teoria prevede una conferma dell'ignoranza neuronale, cioè, non troveremo un codice neurale corrispondente a una precedente elaborazione d'informazione. Scopriremo che la regola di Hebb è inesatta, e
I) Ogni classe di modificazione biochimica influirà primariamen-
te sui canali o sui recettori presenti in una particolare conformazione 2 • Tali modificazioni determineranno a loro volta variazioni misurabili nell' ampiezza e nel decorso temporale del PPS, spostamenti nella curva corrente-voltaggio e, in qualche caso, variazioni temporali misurabili delle transizioni di stato. Questa previsione è verificabile controllando, con la tecnica del patch clamp, il voltaggio in una membrana postsinaptica, studiando poi il rapporto tra l'entità del voltaggio e il grado di modificazione del canale (si tratti di variazioni nella conduttanza, nella probabilità di transizione, nella fosforilazione e cosi via) in funzione del trasmettitore scatenante. 2) Troveremo che le interazioni eterosinaptiche saranno dipendenti dalla sequenza temporale degli input, dalla posizione relativa delle sinapsi sul neurone postsinaptico, e dal tipo di trasmettitore, di recettore e di canale presente. I dettagli dei fattori temporali degli input dipendono dalla distanza tra le sinapsi, dalla durata della depolarizzazione e dalla persistenza della sostanza modificante. Piu intensa è la depolarizzazione o la persistenza del trasmettitore, maggiore è la distanza di diffusione degli effetti eterosinaptici. 3) Troveremo che le modificazioni presinaptiche a lungo termine coinvolgono l'intera cellula. 2 I canali ionici, proteine nella membrana cellulare, possono avere differenti conformazioni stabili, e sono definite per questo allosteriche. A ciascuna conformazione può corrispondere un diverso stato funzionale.
L
368
Capitolo dodicesimo
Riassunto, previsioni e implicazioni
4) Tuttavia, troveremo che, dopo le modificazioni presinaptiche
nelle specie dotate di un sistema nervoso congegnato in questo modo, si scopriranno esempi sempre piu numerosi di selezione dinamica di funzioni del sottocircuito somiglianti a quelle osservate in Tritonia [Getting e Dekin 1985] e nel ganglio stomatogastrico del gambero [Marder e altri I987f.
a lungo termine, le sinapsi piu forti saranno piu difficili da rinforzare e piu facili da indebolire. Invece, nel caso delle modificazioni postsinaptiche a breve termine le sinapsi piu forti sono in generale quelle piu facili da rinforzare. 5) Troveremo che le modificazioni a breve e .a lungo termine hanno una distribuzione diversa nella stessa popolazione neuronale. 6) I gruppi neuronali saranno individuati dal fatto che le modificazioni a lungo termine incrementeranno localmente e in modo differenziale le variazioni a breve termine che hanno favorito le modificazioni stesse.
Organizzazioni delle mappe e rientro. È possibile fare delle previsioni a proposito dell'intersezione tra risposta anatomica e fisiologica (i repertori primari e secondari) in relazione ai vari siti anatomici. La corteccia cerebrale sarà al centro dell' attenzione in questo resoconto, in cui faremo alcune previsioni sull' organizzazione dei gruppi, sulle interazioni farmacologiche e sui circuiti rientranti. Secondo il modello confinamento-selezione-competizione (capitolo VI), troveremo nella corteccia, soprattutto nelle aree'recettive primarie, dei gruppi neuronali ampi 60-100 fLm, che attraversano tutti gli strati corticali e contengono neuroni aventi lo stesso campo recettivo. Per quanto riguarda i confini della mappa, è probabile che le piu disparate afferenze si organizzeranno in strie, se formano una mappa topografica, e la maggior parte dei gruppi in una stria sarà interconnesso. La sovrapposizione dei gruppi in un campo recettivo in una stria avrà un limite superiore, e troveremo che una reiterata stimolazione da parte di input correlati genererà dei campi recettivi piu piccoli e delle rappresentazioni piu ampie. Il principale sito di modificazione sarà la sinapsi corticocorticale e non la sinapsi talamocorticale. Analogamente, nelle aree motorie potremo trovare dei gruppi aventi campi proiettivi degenerati e ad ampio spettro. Come abbiamo accennato a proposito del modello delle due regole, la variabilità dei neurotrasmettitori centrali dovrebbe riflettere la scomponibilità dei gruppi e delle loro interconnessioni, come pure la possibilità di creare nuovi sottocircuiti grazie alla logica dei trasmettitori. Poiché, come abbiamo proposto, è necessaria una fase iniziale di confinamento del gruppo, inattivando con mezzi farmacologici tipi cellulari diversi, dovremmo osservare la comparsa di una serie di patologie (per alcuni esempi, si veda la tab. 15). La maggior parte delle considerazioni precedenti si riferisce ai
Secondo la teoria, le regole di selezione proposte opereranno su un substrato anatomico che è chiaramente presente a priori; in nessun caso la gemmazione neuronale si sostituirà all' azione delle nostre regole 3. Nella misura in cui non esiste una specificità molecolare definita a priori né un indirizzamento, è da escludersi il rimodellamento completo delle connessioni; la gemmazione può, al massimo, intervenire nella sostituzione di un repertorio primario danneggiato. La stessa restrizione vale per i modelli di apprendimento basati sulla gemmazione. Alcuni sistemi rigeneranti, come il bulbo olfattivo e alcuni centri neurali a comparsa stagionale'e deputati al controllo del canto degli uccelli seguono questi principi. Questo sarà altrettanto vero per l'apprendimento "neotenico". In altre parole, vale «il dogma a sensounico» (capitolo II) e, in linea di massima, il sistema è irreversibile. Il modello sinaptico delle due regole fornisce uno schema che prevede l'esistenza di un numero relativamente ampio di neurotrasmettitori insieme a un numero esiguo di secondi messaggeri. Troveremo che i neurotrasmettitori e gli ormoni sono "liberi da informazione" (non etichettati per una sola funzione), ma poiché la "logica dei trasmettitori" proposta nel modello sinaptico accresce notevolmente il numero di sottocircuiti e di gruppi impiegabili in una rete consolidata, ne troveremo un numero crescente nei sistemi nervosi piu complessi. Di conseguenza, il nostro modello prevede che, 3 Il neuroanatomista Dale Purves contesta questa concezione selezionista dello svio luppo del cervello e propone, invece, una teoria opposta, costruzionista, stando alla quale, nel corso della maturazione dell'individuo dopo la nascita, si formano, per gemmazione, nuove strutture neurali, come, per esempio, l'aggiunta di nuovi circuiti nel bulbo olfattivo [Purves I994, pp. 39-43] (si veda il capitolo v, nota 6). La gemmazione risulta essere, pertanto, un punto centrale nella disputa tra selezionisti e costruzionisti.
36 9
L
4 In particolare, Edeiman si riferisce alla cosiddetta rete poli/morfica proposta da Getting, cioè una rete avente le potenzialità per generare comportamenti diversi, come, per esempio, nel mollusco Tritonia dove lo stesso circuito può essere rimodulato per geo nerare un riflesso difensivo oppure una fuga natatoria [per una rassegna sulla modulazione delle reti neurali biologiche si veda Harris-Warrick I993] (cfr. il Glossario alla voce «modulatori o neuromodulatori»).
,..-----
Riassunto, previsioni e implicazioni
Capitolo dodicesimo
370
come il sistema corticotalamico, troveremo delle correlazioni comprese in intervalli di 60-100 msec la cui scompaginazione renderà impossibile ogni rappresentazione.
confini della mappa. Invece, a proposito dell'interazione tra mappe, troveremo una prevalenza dei circuiti rientranti a tutti i livelli. Come esempio di ciò, le modificazioni nella mappa derivanti sia dalla distorsione degli input correlati, sia dalle variazioni in una mappa di una coppia connessa dal rientro, provocheranno dei riassestamenti dei campi recettivi oppure delle proiezioni coerenti, ricoordinando le due mappe. Tali compensazioni delle mappe conseguenti a modificazioni verificatesi in mappe in un livello diverso coinvolgeranno le proiezioni di tutti i livelli. Nei circuiti rientranti, le correlazioni temporali saranno proporzionali alla dimensione del gruppo. In sistemi rientranti in registro,
Categorizzazione percettiva e apprendimento. Secondo la teoria, il requisito primo per le rappresentazioni e per le memorie associative è costituito da reti non identiche, che astraggono e operano simultaneamente in parallelo e in tempo reale. La memoria, nel complesso, si sviluppa come una forma di ricategorizzazione associativa impiegando i mappaggi globali. Pur non ignorando la presenza di configurazioni precise di attività elettrica, noi sottolinehimo resistenza di meccanismi rientranti che consentono la ricategorizzazione nelle mappe dinamiche_ Pur non aspettandoci che un intero sistema di memoria a breve termine rientrante sia in stretta relazione con la regola postsinaptica, né la memoria a lungo termine con la regola presinaptica, queste regole op~rano insieme nella trasformazione della memoria a breve termine in memoria a lungo termine. Le memorie a lungo termine saranno, in genere, il riflesso di modificazioni presinaptiche e postsinaptiche; le memorie a breve termine rispecchieranno ampiamente (ma non esclusivamente) le modificazioni postsinaptiche. Le sindromi caratterizzate da un' anormalità in un tipo particolare di memoria avranno una corrispondenza in una patologia neuronale coinvolgente le regole pre- e postsinaptiche. Troveremo che le amnesie caratterizzate da deficit semantici o linguistici saranno basate su deficit negli aspetti procedurali della ricategorizzazione. Secondo la teoria, qualunque sia il grado di complessità dell' apprendimento in un taxon o in una specie, è necessaria la categorizzazione percettiva. Poiché tale categorizzazione richiede razione dei mappaggi globali svolgenti funzioni mnemoniche e poiché 1'apprendimento adattativo presuppone dei significati sviluppatisi con l'evoluzione, troveremo che il triangolo di reti rappresentato da coppie di classificazione, complessi motori e strutture limbiche svolgerà un ruolo centrale nell'apprendimento. Tali reti comprenderanno numerosissimi neuroni e, malgrado le sottoreti possano manifestare, se isolate, alcune proprietà tipiche del condizionamento classico, solo unatrete globale comprendente i centri del piacere e un mappaggio globale potrà definire una direzione di apprendimento in termini di sorpresa e di novità. Il comportamento emergente dall' attività di tale triangolo di reti avrà una componente stocastica determinata dalla degenerazione dei gruppi, da variazioni temporali, e dalla natura dinamica dei sistemi associativi rientranti. Questo bilancio tra stereo-
Tabella 15. Effetti patologici previsti per l'alterazione nell'attività di vari tipi cellulari della corteccia. Tipo cellulare
Trasmettitore"
Cellule stellate non spinose
GABA
Cellule dendritiche a doppia ramificazione Cellule piramidali
GABA Glutamato
Cellule stellate spinose
sconosciuto
CelluI'e bipolari
VI P, CCK b
Afferenze talamiche
sconosciuto
371
Effetto previsto
Mancato confinamento dei gruppi; numerosi campi recettivi con enorme sovrapposizione; spostamento continuo dei campi recettivi di gruppi circostanti verso la regione interessata. Riduce il confinamento dei gruppi; si veda sopra. I gruppi si separano; non presentano piu campi recettivi in comune; i campi recettivi non compatti sono piu difficilmente attivi; alcuni spostamenti del campo recettivo dei gruppi circostanti. Perdita dell'accoppiamento verticale (interlaminare); spostamento del campo recettivo dei gruppi circostanti. Strati sopragranulari relativamente normali; i campi recettivi degli strati infragranulari si spostano relativamente ai gruppi circostanti. Effetti simili a quelli osservati da Merzenich e collaboratori descritti nel testo.
" La variabilità dei neurotrasmettitori centrali consente una varietà di approcci farmacologici a specifiche perturbazioni di sottoinsiemi delle cellule interne ai gruppi e delle loro interconnessioni. b VIP = Vasoactive Intestinal Peptide (peptide intestinale attivo sui vasi) CCK = CholeCystoKinin (colecistochinina).
L
37 2
Capitolo dodicesimo
Riassunto, previsioni e implicazioni
tipia e fluttuazione nell'attività motoria fornirà gli elementi necessari per scegliere nuovi gruppi neuronali nei repertori e per cercare nuovi ambienti durante 1'apprendimento. Le modificazioni dei confini della mappa, dei complessi motori o muscolo scheletrici o degli stimoli limbici favorirebbero lo sviluppo di nuovi mappaggi globali; nel caso in cui tali mappe non si formassero, i deficit nell'apprendimento sarebbero gravi. Alterazioni nella coordinazione del rientro tra mappe potrebbero contribuire alle gravi alterazioni percettive osservate negli stati psicotici'.
373
tuale incorporazione in sistemi informativi basati sulla comunicazione sociale. Ma la prudenza ci suggerisce di non fare questo adesso, perché tale impresa spingerebbe la teoria oltre a ogni possibile verifica. . Se, infine, tali argomenti diventassero abbordabili, allora non sarebbe sorprendente se, in un certo senso, ogni percezione venisse considerata come un atto creativo e ogni memoria come un atto immaginativo. Il sapore individualistico e la straordinaria ricchezza dei repertori selettivi indicano che, in ogni cervello, i fattori epigenetici svolgono un ruolo primario e imprevedibile. In sistemi di questo tipo non vi è posto per un determinismo genetico categoriale e nemmeno per un empirismo istruzionista. Invece, fattori genetici e di sviluppo interagiscono creando dei sistemi di notevole complessità, dotati di un grado di libertà altrettanto complesso. I vincoli imposti su questa libertà dalla cronologia e dai limiti dei repertori, per quanto definiti, non sembrano comparabili all'infinita capacità dei sistemi selettivi, di cui il cervello è un esempio, nell' affrontare le novità, nel trarne delle generalizzazioni e nell'adattarvisi nei modi piu imprevisti. Nella parte finale del suo L'origine delle specie Darwin [1859] rimarcò la straordinaria ricchezza e complessità della vita evoluta a partire da un "inizio cosi semplice". Dall' origine dei sistemi replicanti nelle fasi prebiotiche, attraverso la comparsa delle attività enzimatiche e dei sistemi di complementarietà molecolare, sino alle organizzazioni cellulari con i loro sistemi di regolazione non lineare, è rintracciabile 1'oscillazione tra conservazione e variabilità. In certi stadi trascendenti [Stebbins 1982], questa oscillazione si è spinta oltre. Uno di questi stadi fu certamente lo sviluppo dell'organizzazione tipica dei metazoi, nei quali i movimenti cellulari durante lo svilu ppo hanno consentito sia l'organizzazione dell' organismo sia le fluttuazioni epigenetiche. Un altro stadio è consistito nella comparsa di reti neurali specializzate nella regolazione del movimento, nella rilevazione dei dati ambientali, e nell'interazione con i meccanismi chimici del controllo endocrino interno. Un terzo stadio ha visto la nascita dei meccanismi selettivi immunitari, che rappresentano l'altro grande sistema selettivo somatico derivante dalla selezione naturale. La teoria della selezione dei gruppi neuronali sostiene che una quarta fase trascendente è consistita nella comparsa di repertori di gruppi nel sistema nervoso, i quali obbediscono a regole di selezione somatica. Questa fase ha consentito una complessa categorizzazione
4· Aspetti incompiuti del lavoro e implicazioni generali.
Per formulare la teoria della selezione dei gruppi neuronali in modo centrato e verificabile abbiamo dovuto limitare severamente i tipi di funzioni cerebrali superiori in esame. Poiché volevamo spiegare alcune fondamentali funzioni psicologiche dal punto di vista dell'organizzazione del cervello, abbiamo deciso di concentrarci inizialmente sulla percezione. Pur nell'ambito di questa deliberata restrizione, abbiamo dovuto amalgamare molte conoscenze estratte dai campi piu diversi. Le strutture che abbiamo proposto quali mediatrici nella categorizzazione percettiva si sono rivelate particolarmente complesse, riferite tanto agli elementi prossimali quanto agli elementi distali coinvolti - un mappaggio globale coinvolge numerosissimi neuroni, strutture muscolo scheletriche, diversi canali sensoriali e, in genere, numerose interazioni polimodali. Finché tale forma ridotta della teoria non sarà verificata con queste strutture e argomenti, sarà praticamente infruttuosa la ricerca dei fondamenti cerebrali dei concetti di livello superiore, del pensiero [Bardett 19 82 ], o di altre funzioni cognitive affini basata sulla conoscenza del cervello. Soprattutto, il tema del linguaggio va spiegato di pari passo ai concetti di autocoscienza e di consapevolezza, le quali precedono 1'esperienza percettiva. Nonostante 1'assenza di una qualunque trattazione diretta di questi temi, la teoria, se confermata nelle sue ambizioni attuali, non avrebbe bisogno di un ulteriore ampliamento. Le strutture previste dalle coppie di classificazione, dai mappaggi globali, e la selezione sui repertori dei gruppi sono tutte estremamente dinamiche. Non è difficile immaginare una loro even5 Edelman dedica il capitolo XIII di The Remembered Present: a Biological Theory 01 Consciousness [1989bl alle patologie della coscienza, originate soprattutto da alterazioni nel rientro (cfr. il capitolo III, nota 4).
,L
374
Capitolo dodicesimo
percettiva incrementando al contempo le potenzialità delI'apprendimento convenzionale e associativo. E in questo sviluppo, dopo la comparsa dei primi sistemi di comunicazione sociale avanzata, i sistemi selettivi somatici hanno raggiunto nuove vette di complessità e di rapidità. Come ci si aspetterebbe in un sistema evolutivo, col passare del tempo la complessità operativa di questi sistemi è aumentata: la selezione a sfavore della complessità è stata indubbiamente considerevole, ma la selezione a sfavore della semplicità è stata ancor maggiore. I sistemi piu sofisticati di selezione somatica sono sorti da una progressiva complessità dei sistemi evolutivi. Aumentando la complessità dei sistemi somatici e il loro legame con gli aspetti piu diversi del fenotipo, sono maturate le condizioni per una categorizzazione complessa e per nuovi comportamenti. E, infine, l'interazione sociale tra individui della stessa specie [Boyd e Richerson 1985] ha fatto nascere i sistemi informazionali, ed è a questo livello di trascendenza che le caratteristiche lamarckiane si sono sovrapposte a un fondamento darwiniano. Il grado di complessità di tali sistemi di comunicazione appare senza fine: il numero di frasi in un linguaggio è infinito. Tuttavia, quell' estrema vetta di complessità non può che basarsi sulla comparsa di sistemi versatili di variazione somatica e di coerenza che caratterizzano i sistemi nervosi impiegati nella categorizzazione percettiva. Da un'origine cosi complessa non possiamo scorgere alcuna meta scontata. Al termine della semplificazione raggiunta quando avremo definitivamente compreso come funziona il cervello, ci troveremo ancora di fronte alle nuove e infinite possibilità che scaturiscono dalla selezione somatica, qualunque ne sia il livello - di sviluppo, sinaptico e culturale.
Glossario
.1
L
r-
ot-bungarotossina (ot-bungarotoxin) Sostanza neurotossica di natura proteica estratta dal veleno dei serpenti che blocca la contrazione muscolare legandosi, nelle cellule muscolari, al recettore del neurotrasmettitore (vedi) acetilcolina, bloccandone l'azione fisiologica. abenula (habenula) Struttura cerebrale, parte del diencefalo (vedi) che, per mezzo delle sue estese connessioni nervose, mette in relazione i diversi livelli dell'informazione olfattiva con le informazioni provenienti dagli altri sistemi sensoriali. acido polisialico (polysialic acid) Polisaccaride associato alle CAM (vedi) sotto forma di catene laterali, dove varia in percentuale, essendo il30% della massa dell'intera CAM negli embrioni e il 10% nell'adulto. La sua presenza è inversamente proporzionale alla forza di legame della CAM. albero dendritico (dendritic tree) Ramificazioni sui dendriti (vedi), variabili per densità nei diversi tipi di neurone, che favoriscono una maggiore area di contatto con le fibre presinaptiche. Talvolta la morfologia delle ramificazioni è caratteristica e ripetitiva come nel caso delle cellule del Purkinje del cervelletto (vedi). algoritmo genetico (genetic algorithm) Algoritmo che effettua una ricerca per una risposta ottimale tramite una serie di scelte casuali controllate dalle regole della genetica (mutazione, selezione, deriva genica). amigdala (amygdala) Struttura cerebrale, inclusa nel sistema limbico (vedi), composta da numerosi nuclei (vedi nucleo) e reciprocamente connessa da segnali afeedback all'ipotalamo (vedi), all'ippocampo (vedi), alla neocorteccia e al talamo (vedi); riceve importanti afferenze dalle vie olfattive, è implicata nel controllo del comportamento emotivo, ed è, inoltre, correlata ad alcune forme di memoria. amnesia bitemporale (bitemporal dmnesia) Perdita di memoria dovuta a una ablazione chirurgica di entrambi i lobi ippocampici in pazienti affetti da epilessia; si manifesta nella incapacità di creare una nuova memoria a lungo termine, pur rimanendo praticamente intatte la memoria a lungo e a breve termine precedenti l'operazione. anfiosso (Amphioxus) Animale invertebrato marino lungo 4-5 cm, appartenente al philum (vedz) dei leptocardi e con un'organizzazione primitiva del sistema nervoso. Infatti, è privo di una testa vera e propria e il suo sistema
.J.J
37 8
Glossario
Glossario
}79
assuefazione o abitudine (habituation) Forma di apprendimento «semplice», definita da Pavlov come la diminuzione della risposta comportamentale dopo la presentazione ripetuta diuno stimolo non dolorifico (per esempio, assenz~ di trasalimento in seguito a un rumore intenso e improvviso, ripetuto). E una variazione in intensità nella risposta, ma non in qualità, per cui alcuni psicologi non la considerano una vera forma di apprendimento. attinopterigi (Actinopterygii) Nella classificazione sistematica animale indica una sottoclasse degli osteitti (pesci ossei), che comprende, tra gli altri, il superordine dei teleostei (vedi). attivazione, sistema di (arousal system) Sistema di fibre presenti nella sostanza reticolare del tronco cerebrale che controlla l'attivazione, definita da Hebb come «l'energia necessaria per il comportamento senza però dirigere quest'ultimo». barile, campi a (barrelfields) Particolare organizzazione della corteccia somatosensoriale (vedi) dei roditori della quale occupa un' area notevole e dove vengono rappresentati i campi recettivi (vedi campo recettivo) delle vibrisse appartenenti al muso controlaterale e dove si conservano i rapporti topografici tra le vibrisse stesse. Bergmann vedi glia di Bergmann. binding (associazione) Nel rientro (vedi) definisce l'interazione dinamica tra aree cerebrali differenti, sia tra livelli gerarchici sia tra connessioni orizzontali, e si distingue dallinking (vedi). blastoderma (blastoderm) Strato di cellule che delimita la blastula. blastula (blastula) Struttura embrionale sferoidale cava derivante dai primi stadi di segmentazione radiale dell'uovo fecondato. Caratterizza lo sviluppo embrionale di molte specie animali vertebrate e invertebrate. brachiazione (brachiation) L'azione di spostamento del proprio corpo tenendosi appesi per le braccia, tipico di alcune specie di primati.
nervoso centrale è costituito da un cordone nervoso cavo che si estende lungo tutto il corpo e che presenta una dilatazione nella parte cefalica, omologabile a un cervello molto primitivo. anticitotactina (anticytotactin) Anticorpo diretto contro la citotactina (vedi citotactina, tenascina) per bloccarne l'attività biologica o per individuarne la localizzazione nei tessuti. aplisia (Aplysia cali/ornica) Invertebrato marino caratterizzato da un sistema nervoso « semplice» e ripetitivo in tutti gli individui, e del quale sono ben conosciuti i circuiti neurali. Per questo motivo è stato studiato approfonditamente ed è uno dei primi animali dove sono stati, in parte, decifrati i meccanismi neurali dell' apprendimento e della memoria. apprendimento neotenico vedi neotenla. arborizzazioni assonali (axonal arborizations) Le ramificazioni che gli assoni presentano lungo la loro struttura. area 17 di Brodmann (Brodmann's area Il) Definita altrimenti corteccia visiva primaria V I, o corteccia striata; localizzata nella parte occipitale degli emisferi cerebrali (vedi corteccia cerebrale), riceve le informazioni sensoriali visive dalle stazioni sottocorticali e stabilisce connessioni con altre aree visive (V2, V3, V4, V5) specializzate nella elaborazione dei diversi aspetti della percezione visiva (forma, colore, movimento). area di isofrequenza (isojrequency area) Zona della corteccia cerebrale uditiva attivata da segnali acustici aventi la stessa frequenza. area sensoriale primaria (primary sensory area) Area specializzata della corteccia cerebrale (area visiva, uditiva, somatosensoriale) che riceve le informazioni sensoriali direttamente dai recettori sensoriali, dalle stazioni sottocorticali del tal amo (vedi) o dai nuclei del tronco cerebrale (vedi), le elabora e le ritrasmette alle aree sensoriali secondarie o, di ritorno, alle stazioni sottocorticali. area sensoriale secondaria (secondary sensory area) Area della corteccia cerebrale specializzata nell'elaborazione e nell'integrazione dei segnali sensoriali (visivi, acustici, somatosensoriali) che ricevono'prevalentemente i segnali dalle aree sensoriali primarie; la logica funzionale delle connessioni tra aree sensoriali primarie e secondarie è stata ben studiata nella corteccia visiva (aree VI, V2, V3, V4, V5). area SI o somatosensitiva primaria (somatosensory cortex) Area della corteccia cerebrale (aree I, 2, 3a e 3b di Brodmann) in cui sono rappresentate topograficamente le informazioni sensoriali (tattili, termiche, dolorifiche) relative alla superficie corporea; è stata dimostrata la sua notevole plasticità dipendente dalla presenza o assenza di stimoli. asse rostrocaudale (rostrocaudal axis) Indica, in anatomia, la disposizione delle diverse strutture lungo la direzione che unisce la parte cefalica (o craniale) a quella caudale. assone (axon) Prolungamento del neurone lungo il quale viene trasmesso in direzione centrifuga il segnale elettrico dalla cellula; la sua parte terminale costituisce, di regola, l'elemento presinaptico della sinapsi.
Brodmann vedi area 17 di Brodmann. bulbo olfattivo (olfactory bulb) Area cerebrale che riceve, tramite il nervo 01fattivo, le informazioni sensoriali relative agli odori registrate dai recettori della mucosa olfattiva; a livello dei glomeruli, che sono dei circuiti neurali modulari, viene effettuata una prima elaborazione, trasmessa poi ad aree cerebrali olfattive secondarie e terziarie. bulbo olfattivo accessorio (accessory olfactory bulb) Piccolo rilievo posto sulla faccia posteromediale del bulbo olfattivo particolarmente sviluppato in alcune specie di anfibi. bungarotossina vedi ot-bungarotossina. caderine (cadherins) Superfamiglia di CAM (vedi) i cui membri dipendono dallo ione calcio per la loro funzionalità e condividono, per struttura, il dominio citoplasmatico; le diverse caderine variano per proprietà di legame, non presentano omologie con la superfamiglia delle immunoglobuline (vedi), e hanno un ruolo importante nello sviluppo del sistema nervoso, essendo implicate nella scelta del percorso assonale, nella velocità della crescita
l
L
380
Glossario
Glossario
3 8I
cune classi di pesci, degli anfibi e, per un breve periodo embrionale, dei rettili. Può ricomparire durante la rigenerazione del midollo spinale negli anfibi. cellula ectopica (ectopic ce!!) Cellula che viene a trovarsi in una posizione anatomica differente rispetto a quella assegnatale dal suo destino embrionale in seguito a un' anomalia dello sviluppo o a un trapianto. Nel sistema nervoso sono stati individuati neuroni ectopici nel cervello umano in diverse patologie, ma anche in individui normali. cellula mesenchimale (mesenchimal ce!!) Cellula, caratterizzata da movimenti migratori, che forma il mesenchima, un tessuto transitorio dello sviluppo embrionale. cellula, o neurone, piramidale (pyramidal celi) Neurone della corteccia cerebrale, avente corpo cellulare di grandi dimensioni e di forma caratteristica; che proietta il proprio assone verso gli strati profondi delhi corteccia e i dendriti verso quelli superficiali. La cellula piramidale forma delle sinapsi eccitatorie con altre aree corticali e con il midollo spinale, e il suo albero dendritico (vedi), poiché attraversa i diversi strati della corteccia, è un centro di integrazione dei segnali. cellula pluripotente (pluripotent cell) Cellula che in seguito a segnali esterni ambientali (fattori di crescita, e cosi via) può originare cellule di tipo diverso (istogenesi) per forma e per funzione. Le cellule staminali emopoietiche e le cellule della cresta neurale (vedi) ne sono un esempio. cellule gangliari della retina (retina l ganglion cells)' Strato di cellule della retina (vedi) che riceve il segnale visivo preelaborato dagli altri strati retinici e i cui assoni costituiscono il nervo ottico e si proiettano in strutture sottocorticali quali il corpo genicolato laterale e il collicolo superiore, dove il segnale subisce ulteriori elaborazioni. cellule stellate (stellate cells) Rappresentano uno dei tipi principali di neuroni nella corteccia cerebrale e sono presenti anche nel cervelletto. La forma stellata dipende dai dendriti che si dipartono in tutte le direzioni, mentre gli assoni rimangono confinati nell' area di origine conferendone il carattere di interneuroni. Le cellule stellate possono essere spinose o non spinose se possiedono o meno le spine dendritiche (vedi). cellule X, Y, W Particolari sottotipi di cellule gangliari della retina (vedi) classificati in base alle diverse proprietà fisiologiche e alle diverse aree verso cui proiettano i loro assoni. Le cellule X rispondono a punti stazionari, le cellule Y prevalentemente a variazioni di illuminazione o a oggetti in movimento, le cellule W hanno il centro del campo recettivo (vedi) che può essere attivato tanto da punti luminosi quanto da punti scuri. cervelletto (cerebellum) Struttura del sistema nervoso centrale con un ruolo fondamentale nel controllo della coordinazione del movimento degli arti e degli occhi, nell'equilibrio e nella postura, nel tono muscolare e, secondo acquisizioni piu recenti, nell' apprendimento motorio. Caratteristica è l'architettura ripetitiva della sua corteccia. ciclo cellulare (celi cycle) Serie di eventi compresa tra una divisione della cellula e la successiva, schematicamente suddivisibile in interfase e mitosi. Le
assonale e nel grado di fascicolazione tra neuriti, e costituiscono buona parte delle molecole adesive presenti nelle giunzioni strette e nei desmosomi, quelle che Edelman definisce CJM (Celi ]unctional Molecules). CAM (molecola di adesione cellulare) (Celi Adhesion Molecule) Sigla che, nell'accezione proposta da Edelman, indica tutte le molecole di adesione tra cellule o tra cellule e substrato. Sono CAM la superfamiglia delle immunoglobuline e le caderine (vedi). campi a barile vedi barile, campi a. campi magnetici legati all'evento (Event-Related magnetic Fields, ERFs) Fenomeni bioelettrici del cervello che vengono rilevati per studiarne l'attività, i quali si originano in seguito al flusso di correnti elettriche (ioni) attraverso le membrane dei neuroni. Quando un numero significativo di neuroni avente simile orientamento è attivo simultanemente, la somma del flusso di correnti genera segnali registrabili attraverso lo scalpo intatto. Mappando la distribuzione superificiale degli ERFs e applicando algoritimi basati sulla fisica della propagazione del campo magnetico si possono stimare le coordinate tridimensionali delle sorgenti neurali di tali segnali. campo recettivo (receptive field) L'insieme dei punti di una superficie sensoriale da cui un neurone può essere attivato mediante stimoli specifici. canali ionici (ionic channels) Importanti strutture della membrana del neurone aventi un ruolo fondamentale nella determinazione delle sue proprietà elettriche. Si tratta di proteine intrinseche (vedi proteina intrinseca o transmembrana) modulabili nella loro configurazione, entro cui possono fluire in ambo le direzioni, in modo controllato e selettivo gli ioni (sodio, potassio, cloro, calcio, anioni proteici, e cosi via). Si distinguono i canali passivi e quelli attivi: l'accesso a questi ultimi viene regolato da segnali chimici (canali sensibili alligando) o elettrici (canali sensibili al voltaggio). cDNA (complementary DNA) Forma di DNA sintetizzata a partire da una molecola complementare di mRNA, secondo una sequenza opposta a quella proposta dal dogma centrale della biologia molecolare, cioè, DNA -+ mRNA -+ proteina; il cDNA è un importante strumento perla clonazione dei geni e per l'individuazione nelle cellule o nei tessuti di un particolare prodotto genico. cellula di Mauthner (fJauthner ce!!) Neurone,gigante presente nei pesci e negli anfibi implicato nelle risposte di fuga. E presente una singola cellula di Mauthner per ogni lato dell' animale, la quale presenta un lungo assone che innerva direttamente i motoneuroni della coda. cellula di Mueller (Mueller cell) Neurone gigante della lampreda, analogo alla cellula di Mauthner, presente nella sostanza reticolare e avente un assone (vedi) gigante connesso ai motoneuroni. cellula di Rhode (Rhode ce!!) Neurone associativo di grandi dimensioni presente nell' anfiosso (vedi) che funziona sia come elemento di controllo dei movimenti di lateralità del corpo, sia come interneurone nell' arco sensitivo-motorio-somatico. cellula di Rohon-Beard (Rohon-Beard ce!!) Neurone sensitivo transitorio che si atrofizza e scompare durante la vita larvale ed embrionale, tipico di al-
J
r 38 2
Glossario
Glossario
cellule che non si dividono piu, come i neuroni maturi, sono uscite dal ciclo cellulare.
383
complesso amigdaloideo vedi amigdala. complesso corticonucleare Insieme di proiezioni, organizzate modularmente, dirette dalla corteccia del cervelletto ai nuclei profondi del cervelletto nel rispetto di un' organizzazione topografica. condizionamento classico o pavloviano (classica l conditioning) Forma di apprendimento consistente nell'associazione tra due stimoli. Il primo, lo stimolo non condizionato (SnC) è quello che in situazioni normali scatena una risposta nell' animale (per esempio, il pezzo di carne che stimola nel cane la salivazione, cioè, la risposta condizionata), e il secondo è lo stimolo condizionato (SC; per esempio, il suono di un campanello) presentato immediatamente prima dello stimolo incondizionato. Dopo un certo numero di associazioni temporali tra i due stimoli, l'animale reagisce (salivando) al solo stimolo condizionato. condizionamento operante (operant conditioning) Forma di apprendimento associativo analoga al condizionamento classico, in cui, tuttavia, l'animale apprende ricevendo gli stimoli non passivamente, ma provando per tentativi ed errori il comportamento atto a procurargli una ricompensa. conduttanza dipendente dal voltaggio (voltage dependent conductance) Proprietà dei canali ionici che consente il transito di correnti elettriche in funzione del potenziale di membrana. conduzione elettro tonica Conduzione passiva delle variazioni di potenziale lungo il neurone. connessioni callosali vedi corpo calloso. connessioni corticotalamiche (corticothalamic connections) Vie nervose che collegano la corteccia cerebrale (vedi) al talamo (vedi) e che generano degli anelli di retroazione o sistemi di rientro (vedi) con le fibre talamocorticali per un controllo piu sofisticato dei segnali sensoriali. connessioni estrinseche (extrinsic connections) Connessioni che i neuroni appartenenti a un gruppo neuronale stabiliscono o ricevono da altri gruppi o dalla periferia. connessioni intrinseche (intrinsic connections) Connessioni tra neuroni appartenenti allo stesso gruppo neuronale. connessionismo (connectionism) Termine impiegato per definire o studiare le reti neurali artificiali. connessioni talamocorticali (thalamocortical connections) Connessioni nervose che collegano il talamo (vedi) alla corteccia cerebrale (vedi), dove le informazioni sensoriali subiscono forme piu complesse di elaborazione. connessioni visive commessurali (commessural visual connections) Le commessure delle vie ottiche, rappresentate dal chiasma ottico.
ciclostomi (cyclostomes) Classe di animali acquatici appartenenti alla superclasse degli agnati (privi di mascelle), i quali presentano numerosi caratteri di primitività (sistema nervoso semplice, colonna vertebrale primitiva). Comprendono i Petromizonti (vedi lampreda) e i Mixinoidei, animali anguilliformi. citoplasma (cytoplasm) II materiale contenuto all'interno della cellula, a eccezione del nucleo. Vi si identifica una matrice o citosol in cui sono immersi gli organuli (mitocondri, apparato del Golgi, reticolo endoplasmatico, lisosomi, fagosomi, e cosi via) che svolgono le funzioni vitali della cellula. citoscheletro (cytoskeleton) Insieme di fibre costituite da aggregazioni supermolecolari di proteine che determina la consistenza, la forma e i movimenti della cellula. Si distinguono per composizione biochimica e per dimensioni tre tipi di fibre: i microfilamenti, costituiti da actina, i microtubuli, costituiti da tubulina, e i filamenti intermedi. Il citoscheletro è connesso alle CAM (vedi) e alle integrine (vedi), a loro volta connesse alle SAM (vedi) e alle altre cellule. citotactina, tenascina (cytotactin, tenascin) Molecola extracellulare di adesione e di natura proteoglicanica, rintracciabile nella membrana basale del tubo neurale e nelle vie di migrazione delle cellule della cresta neurale (vedi). collicoli (colticult) Strutture del mesencefalo suddivise in collicoli superiori e inferiori. I primi sono importanti per i riflessi dell'inseguimento visivo e ricevono afferenze dalla retina mentre i secondi sono parte integrante delle vie uditive. colonna corticale (cortical column) Modulo funzionale elementare della corteccia sensoriale, costituito da un aggregato di neuroni a forma di colonna, perpendicolare alla superficie della corteccia, largo circa 30-100 fLm e profondo 2 mm. Ogni colonna risponde a una stessa classe di stimoli; le colonne, in quanto unità modulari, consentono di semplificare l'analisi della struttura/funzione della corteccia cerebrale. colonne di dominanza oculare (ocular dominance columns) Colonne corticali della corteccia visiva primaria. Due colonne adiacenti ricevono afferenze alternate dall'occhio destro e da quello sinistro e tale alteranza deriva dalla competizione dell' attività dei due occhi. . colonne dorsali, sistema delle (dorsal columns system) Gruppo di fibre nervose, presenti nel midollo spinale, entro le quali viene convogliata al cervello l'informazione sensoriale periferica. commessure (commissures) Fibre nervose che, dopo avere attraversato il piano di simmetria, connettono aree del cervello omologhe dal punto di vista funzionale.
cono di crescita (growth cone) Espansione dell'estremità dell'assone in accrescimento che genera la forza meccanica per trascinare l'assone stesso verso l'area bersaglio. La forza di trascinamento e la scelta del percorso da parte del cono di crescita dipende dall' adesione a diversi tipi di molecole, dall'azione di fattori di crescita diffusibili e di campi elettrici .
competenza Particolare stato di reattività delle cellule durante lo sviluppo che le porta a differenziarsi in un tipo di tessuto piuttosto che in un altro in seguito a stimoli, definiti induttivi.
.lì.,...
r 384
Glossario
Glossario
3 85
gangli del V, VII, VIII, IX e X nervo cranico, il ganglio ciliare, le meningi pia madre e aracnoide, i gangli delle radici dorsali (vedi ganglio delle radici dorsali), i gangli autonomi simpatici, le cellule cromaffini della midollare della surrene. deafferenziazione (deafferentiation) Perdita delle afferenze sensoriali al midollo spinale. decussazione (decussation) Incrocio delle fibre nervose che attraversano la linea mediana del corpo. Un tipico esempio è quello delle fibre del nervo ottico che nel chiasma ottico di mammifero si incrociano, proiettando metà del campo visivo di ciascun occhio sull' emisfero cerebrale opposto. degenerazione (degeneration) Termine, mutuato dalla teoria dell'informazione, che in biologia indica la presenza di piu alternative per svolgere la stessa funzione. Per esempio, il codice genetico è degenerato perché vi sono 64 codoni per specificare 20 aminoacidi. dendriti (dendrites) Prolungamenti dei neuroni, in genere molto ramificati, destinati, pur con delle eccezioni, a raccogliere e integrare gli input in arrivo al neurone. depressione a lungo termine vedi D LT . depressione sinaptica (synaptic depression) Meccanismo presente in alcune sinapsi caratterizzato da una diminuzione dell'efficacia sinaptica tra neurone presinaptico e postsinaptico. Un particolare tipo di depressione sinaptica è la depressione a lungo termine (DLT), meccanismo implicato in fenomeni di plasticità nel cervelletto, nell'ippocampo e nella corteccia cerebrale. derivati neuroectodermici (neuroectodermal derivatives) Tessuto embrionale derivante dall'ectoderma (vedi) nella fase di gastrulazione (vedi), in seguito a un influsso o induzione neurale da parte del tessuto sottostante, il mesoderma (vedi); dai derivati neuroectodermici derivano le strutture del sistema nervoso. diencefalo (diencephalon) Area cerebrale che si origina embrionalmente dalla vescicola prosencefalica ed è suddivisibile in quattro regioni: ipotalamo, talamo dorsale, talamo ventrale, epitalamo. A eccezione dell'ipotalamo che controlla la vita vegetativa, le altre regioni sono in collegamento con il telencefalo e svolgono un' attività di integrazione. diffusione paracrma (paracrine diflusion) Comunicazione tra cellule appartenenti allo stesso tessuto, consistente in una secrezione locale di molecole messaggero che si legano ai recettori di cellule prossime. La liberazione retrograda dell'ossido d'azoto in seguito a uno stimolo presinaptico è un esempio di diffusione paracrina. DLT (depressione a lungo termine) (Long Term Depression, LID) Prolungata inibizione di una sinapsi, individuata nell'ippocampo, nel cervelletto e nella corteccia cerebrale, antagonista al PLT e implicata nella plasticità sinaptica e nell' apprendimento. doccia neurale (neural groove) Struttura transitoria di derivazione neuroectodermica che si forma durante gastrulazione (vedi) e che, in seguito a mo-
cordati (chordates) Classificazione sistematica che, in anatomia comparata, indica tutte le specie animali che hanno sviluppato intorno a una corda uno scheletro assile, robusto e formato da vertebre. corna ventrali (ventral horns) Area del midollo spinale, situata in posizione ventrale, costituita da neuroni aventi prevalentemente funzione motoria e da interneuroni. corpo calloso (corpus callosum) Grande fascio di fibre nervose commissurali (vedi commessure) che connette i due emisferi cerebrali. La resezione del corpo calloso ha dimostrato l'asimmetria tra i due emisferi e la non unitarietà dello stato di coscienza e autocoscienza. corpo, o nucleo, genicolato laterale (genicuhte hteral nucleus) Nucleo del talamo (vedi) specializzato nella elaborazione dell'informazione visiva e inserito in un complesso circuito. Infatti, riceve dalla retina (vedi) le fibre del nervo ottico, e ritrasmette i sellnali alla corteccia visiva primaria, dalla quale riceve dei segnali afeedback che consentono un controllo sui segnali ottici periferici. corteccia cerebrale (cerebral cortex) Lamina, spessa circa 2 mm nell'uomo, che ricopre gli emisferi cerebrali ed è la sede delle funzioni cognitive (sensoriali, motorie, associative). E suddivisa in sei strati (I-VI a partire dalla superficie). Nella corteccia somatosensoriale, lo strato IV riceve le fibre afferenti, lo strato VI proietta al talamo, il V a strutture sottocorticali, il II e III ad altre aree corticali somatiche. Particolarmente complesso è l'intrico di connessioni che si stabiliscono tra le varie aree corticali e tra le aree corticali e quelle sottocorticali. corteccia parietale (parietal cortex) Parte della corteccia cerebrale di ausilio alla corteccia motoria per l'esecuzione dei movimenti. In particolare, fornisce le informazioni spaziali per eseguire i movimenti diretti verso un oggetto. corteccia somatosensoriale (somatosensory cortex) Area della corteccia che riceve ed elabora le informazioni relative alla sensibilità somatica (tattile, dolorifica, termica) provenienti da tutti i distretti corporei. Si distinguono una corteccia somatosensoriale primaria e una secondaria, le quali ricevono afferenze dal nucleo ventrale posteriore del talamo (vedi), che, a propria volta, è innervato dai distretti periferici; sulla corteccia somatosensoriale viene realizzata la rappresentazione somatotopica (vedi somatotopia). corteccia uditiva (auditory cortex) Parte della corteccia cerebrale deputata all'elaborazione dei segnali uditivi. La corteccia uditiva primaria riceve le proiezioni delle cellule "relay" del talamo (nucleo genicolato mediale). Nella corteccia uditiva è rappresentato, sotto forma di mappe, lo spettro delle frequenze acustiche (rappresentazione tonotopica), ed è caratteristico !'insieme di connessioni afeedback della corteccia verso le fonti di provenienza dei segnali che consente una piu raffinata percezione uditiva. cresta neurale (neural crest) Struttura transitoria embrionale costituita da cellule pluripotenti che, dopo essete migrate in vari distretti dell'organismo, si differenziano nelle cellule e nelle strutture piu diverse; dalla cresta neurale derivano le cellule di Schwann, i melanociti, lo scheletro facciale, i
iì.J
r
3 86
Glossario Glossario vimenti morfogenetici, si trasforma nel tubo neuraIe, destinato a originare tutte le strutture del sistema nervoso centrale.
387
eterosinaptico (heterosynaptic) Influsso eccitatorio o inibitorio su una certa sinapsi conseguente a modificazioni dovute all' attivazione di altre sinapsi sullo stesso neurone. facilitazione (facilitatio,n) Aumento nell'efficacia della sinapsi in seguito a particolari stimoli. E il meccanismo fisiologico alla base di alcuni comportamenti, quali la sensibilizzazione o il condizionamento classico. Il meccanismo consiste in un maggiore rilascio del neurotrasmettitore da parte dei neuroni sensoriali e può essere a breve o a lungo termine: la facilitazione a breve termine prevede alcune modificazioni nelle proteine sinaptiche preesistenti, mentre la facilitazione a lungo termine la sintesi di nuove proteine.
dominio citoplasmatico (cytoplasmic domain) Parte delle proteina intrinseca (vedi proteina intrinseca o transmembrana) rivolta verso l'interno della cellula, o citoplasma. ectoderma (ectoderm) Uno dei tre foglietti embrionali che si formano durante la gastrulazione, insieme all' endoderma e al mesoderma, e da cui deriveranno, nel corso dello sviluppo embrionale, l'epidermide e il sistema nervoso. ectomesenchima (ectomesenchyme) Termine ibrido riferito alla duplice caratteristica tissutale propria delle cellule della cresta neurale, le quali sono cellule di derivazione ectodermica che in un certo stadio di sviluppo migrano, analogamente alle cellule del mesenchima. ectopico vedi cellula ectopica. effetti pleiotropici vedi pleiotropismo.
facilitazione eterosinaptica (heterosynaptic facilitation) Particolare forma di facilitazione presente, ad esempio, nella sensibilizzazione che viene esercitata su una certa sinapsi da un terzo neurone che libera sostanze modulatrici quale la serotonina. fascicolazione (fascicolation) Associazione delle fibre nervose mediata da mòlecole adesive, quali le CAM, che consente alle fibre di decorrere senza separarsi nei diversi distretti anatomici e di proiettarsi solidalmente verso le aree bersaglio, al cui livello si ramificano. fenotipo (phenotype) In senso stretto si intende l'espressione specifica di un gene (per esempio, occhi rossi, piselli rugosi), mentre in senso piu ampio si intende un organismo biologico e i suoi comportamenti, quali emergono dell'interazione genotipo/ambiente. fessure branchiali (branchia l clefts) Fessure che attraversano a tutto spessore la parete del corpo di un pesce all'altezza della faringe. fibre di associazione commissurali vedi commessure. fibre genicolocorticali (geniculolateral fibers) Fibre nervose appartenenti alle vie visive che si proiettano dal corpo genicolato laterale (vedi corpo, o nucleo, genicolato laterale) alla corteccia visiva. La rappresentazione che ne deriva è ordinata (retinotopica) e riproduce le relazioni spaziali del campo visivo. fibre retinotettali (retinotectal fibers) Fibre nervose appartenenti alle vie visive che si proiettano dalle cellule gangliari della retina (vedi) al tetto ottico (vedi). Predominano, quale primo percorso delle informazioni visive, negli anfibi, nei rettili e negli uccelli, mentre hanno assunto minore importanza nei mammiferi, il cui ruolo è vicariato dalle fibre che si proiettano al corpo genicolato laterale. filetico (phyletic) La storia evolutiva di una specie o di un gruppo tassono-
elasmobranchi (elasmobranchs) Nella classificazione sistematica animale indica una sottoclasse dei condroitti che comprende, tra gli altri, i pescecani e le razze. endoderma (endoderm) Uno dei tre foglietti embrionali che si formano durante la gastrulazione, insieme all'ectoderma e al mesoderma, e da cui deriveranno, nel corso dello sviluppo embrionale, l'apparato digerente, compresi fegato e pancreas, i polmoni e le cavità respiratorie. epifisi o ghiandola pineale (pineal glant!) Struttura cerebrale appartenente al diencefalo (vedi) che assume ruoli diversi nelle diverse classi animali. Nei mammiferi, per esempio, regola le influenze delle fasi luminose sugli organi sessuali, nonché i bioritmi, agendo da orologio biologico. epigenesi (epigenesis) Lo sviluppo dei caratteri morfologici e comportamentali derivante dall'interazione tra il genotipo e fattori ambientali interni ed esterni all'organismo. Per esempio, l'architettura della corteccia cerebrale si perfeziona in seguito a stimoli esterni che agiscono su una struttura di base determinata geneticamente. . epitelio (epithelium) Tessuto caratterizzato da cellule strettamente associate, che svolge soprattutto la funzione di rivestire la superficie corporea (epidermide) e le cavità interne del corpo. ERF vedi campi magnetici legati all'evento. ERP vedi potenziali legati all'evento. eterarchia (eterarchy) Il medesimo livello organizzativo e funzionale che, secondo Edelman, caratterizza la funzionalità del cervello. In contrapposizione a gerarchia. eterocronia (heterochrony) Variazione evolutiva nella temporalità dei processi di sviluppo da cui possono scaturire significative variazioni morfologiche. L'eterocronia viene invocata per spiegare l'evoluzione della complessità del cervello (per esempio, un piccolo incremento nella durata della proliferazione cellulare può fare aumentare significativamente il numero di cellule e, nel caso del cervello, dei circuiti neurali).
miCO.
flusso assoplasmatico (axoplasmic flow) Movimento delle diverse molecole all'interno dei neuriti (vedi). Il flusso può essere bidirezionale, cioè, dal corpo cellulare verso la periferia (anterogrado), tipico dei neurotrasmettitori e dei neuropeptidi, e/o dalla periferia verso il corpo cellulare (retrogrado), tipico dei fattori di crescita neurale o dei virus neurotropici .
• ..1
388
Glossario
Glossario
flusso genico (gene flow) Lo scambio di geni tra specie diverse o tra popolazioni diverse della stessa specie. E uno dei fattori che promuovono l'evoluzione delle specie.
3 89
generatori centrali di modelli motori (centrai pattern generators) Circuiti neurali del sistema nervoso centrale che generano configurazioni di movimento ripetitive e ritmiche alla base di comportamenti quali la nutrizione, la locomozione e la respirazione. L' output ritmico si genera, di solito, in assenza di stimoli esterni, ma il generatore può variare il proprio output in risposta a stimolazioni sensoriali o a errori di esecuzione. gene targeting vedi sostituzione mirata di geni. geni istoregolatori (historegulatory genes) I geni che in una cellula sintetizzano le proteine caratterizzanti la funzione di quella cellula (per esempio, la miosina per le cellule muscolari). geni morforegolatori (morphoregulatory genes) I geni che sintetizzano le proteine che influiscono in modo determinante sulla forma di un organismo, come i geni per le CAM, le SAM o i geni omeotici. genoma (genome) L'insieme di tutti i geni di una specie animale o vegetale. glia Cellule del sistema nervoso associate fisicamente e funzionalmente ai neuroni, nei confronti dei quali svolgono funzioni di sostegno, nutritizie, mielinogenetiche, di difesa immunitaria, di controllo del metabolismo e di aiuto nella rigenerazione (sistema nervoso periferico). Fanno parte della glia gli oligodendrociti, gli astrociti, la microglia, le cellule di Schwann. glia di Bergmann (Bergmann's glia) Particolare tipo di glia radiale (vedi) presente durante lo sviluppo della corteccia del cervelletto. glia radiale (radiaI glia) Particolare tipo di glia transitoria, durante lo sviluppo del cervello, consistente in prolungamenti degli astrociti (vedi glia) che fungono da guida per le cellule nervose in migrazione verso la sede definitiva. glicoproteine (glycoproteins) Molecole molto diffuse nell' ambiente cellulare, extracellulare e sulla membrana plasmatica, caratterizzate, nella struttura, da zuccheri legati a uno scheletro proteico. Le molecole di riconoscimento, come gli anticorpi e le molecole di adesione, sono un esempio di glicoproteine. gradiente rostrocaudale (rostrocaudal gradient) Variazione graduale di un parametro fisico o chimico nelle diverse porzioni di spazio a partire dalla zona cefalica sino a quella caudale. Il gradiente rostrocaudale si riferisce, in particolare, alla diffusione differenziale di una sostanza bioattiva (vedi morfògeno) durante lo sviluppo. gruppo neuronale (neuronal group) Insieme di neuroni che interagiscono cooperativamente, piu o meno fortemente accoppiati dalle connessioni sinaptiche, attivi di concerto e capaci di rispondere coerentemente a uno stimolo. II gruppo neuronale rappresenta l'unità della selezione nel darwinismo neurale. HG F (Hepatocyte Growth Factor) F attore di crescita della cellula ~patica. Hodgkin-Huxley vedi modello di Hodgkin-Huxley. immunocitochimica (immunocytochemistry) Insieme di tecniche impiegate nella indagine istologica per rivelare nelle cellule e nei tessuti molecole specifiche. L'immunocitochimica consiste nel legare un anticorpo (anticorpo
fMRI vedi visualizzazione funzionale per risonanza magnetica. folium Caratteristico aspetto assunto dal cervelletto visto in sezione sagittale, caratterizzato da una ramificazione che germoglia a partire da un tronco costituito da sostanza bianca. formazione, o sostanza, reticolare (reticular substance) Struttura appartenente al tronco cerebrale (vedi), caratterizzata dalla presenza di neuroni organizzati in gruppi che emettono i loro prolungamenti sia in direzione cefalica che caudale. La formazione reticolare controlla lo stato di allerta, la regolazione dei riflessi muscolari e la modulazione della sensazione di dolore. fosforilazione (phosphorylation) Aggi,~mta alle proteine di gruppi fosfato a opera di enzimi specifici, le cinasi. E uno dei meccanismi di modulazione della conformazione e dell'attività delle proteine. funicolo anteriore (antenor funiculus) Insieme di fibre presente nel midollo spinale. fusi neuromuscolari (muscle spindles) Propriocettori presenti nei muscoli scheletrici dei quali registrano la lunghezza e la cui informazione viene trasmessa al midollo spinale dove, con un meccanismo afeedback, vengono controllati i motoneuroni che innervano quel muscolo. gangli basali (basai ganglia) Nuclei dell'encefalo interconnessi (putamen, caudato, substantia nigra, globus pallidus, nucleo subtalamico), aventi un'organizzazione modulare e inseriti in circuiti neurali paralleli che li connettono da e verso la corteccia cerebrale. I gangli basali svolgono un ruolo importante nel controllo del movimento e in alcune funzioni cognitive, e deficit biochimici e anatomici nei gangli basali sono tra le cause del morbo di Parkinson e della corea di Huntington. ganglio della radice dorsale (dorsal root ganglion) Aggregato di neuroni sensoriali adiacente al midollo spinale, dove arrivano i segnali relativi agli stimoli tattili, termici e dolorifici. II ganglio della radice dorsale trasmette le informazioni a specifici nuclei cerebrali e alla corteccia somatosensoriale (vedi). ganglio metatoracico (metathoracic ganglion) Aggregato di cellule nervose, presenti in molte classi di invertebrati, in cui si verifica un'integrazione tra input sensoriale e output motorio. gastrulazione (gastrulation) Fase iniziale dello sviluppo embrionale in cui l'embrione in via di formazione passa, nei phyla (vedi phylum) triploblastici, dallo stadio di blastula (vedi) a quello di una struttura caratterizzata e delimitata da tre strati germinativi (vedi): l'ectoderma, il mesoderma e l'endoderma, dai quali deriveranno tutte le strutture del futuro organismo. Questa morfogenesi dipende dalla motilità delle cellule ed è diretta da interazioni cellulari, alcune delle quali implicano l'adesione e altre il trasferimento di informazione. gemmazione (sprouting) Crescita o ramificazione assonale ben identificabile nei fenomeni di rigenerazione neurale.
.i.J
.-----
39 0
Glossario
Glossario
39 1
distanza dal corpo cellulare ed è, in genere, coinvolto in elaborazioni locali dei segnali; è presente nella retina, nella corteccia del cervelletto, nei circuiti del midollo spinale specializzati nei riflessi, nel bulbo olfattivo, nella corteccia cerebrale. ionoforesi (ionophoresis) Trasferimento di ioni nel neurone facendo passare una corrente per mezzo di una micropipetta. ipofisi (pituitary gland) Ghiandola endocrina posta alla base del cervello, caratterizzata, nei vertebrati, da tre parti diverse per origine embrionale, struttura e funzione: I) l'adenoipofisi, che libera nel circolo ematico degli ormoni che controllano l'attività di altre ghiandole endocrine (la ghiandola surrenale, la tiroide, le gonadi); 2) la neuroipofisi che secerne l'ossitocina che favorisce la contrazione della muscolatura liscia, e la vasopressina che favorisce la ritenzione di acqua nel rene; e 3) la pars intermedia; l'attività dell'ipofisi è controllata dall'ipotalamo, tramite i cosiddetti fattori di rilascio, e dalle ghiandole endocrine bersaglio dell'ipofisi, tramite un meccanismo a feedback. ipotalamo (hypothalamus) Centro neurale, parte del diencefalo (vedi), composto da numerosi nuclei e implicato nel controllo di comportamenti e attività fisiologiche involontarie, come le funzioni nel sistema nervoso autonomo, la funzione endocrina, la temperatura corporea, i bioritmi, la sensazione di fame e di sete, l'umore, il sonno. ippocampo (hippocampus) Struttura cerebrale che svolge un ruolo importante nella memoria dichiarativa (vedi). Presenta dei circuiti caratteristici che si sviluppano nella direzione fascia dentata -+ campo CA3 -+ campo CAI -+ prosubiculum; l'ippocampo è un modello neurologico molto impiegato nello studio del PL T e della DLT e fa parte del sistema limbico (vedi). istotipico (histotypic) Insieme di caratteri che definisce un tipo di cellula e che ne consente l'aggregazione in tessuti. knock-out gene vedi sostituzione mirata di geni. lamina basale (basai lamina) Struttura anatomo-istologica, acellulare e specializzata nella separazione tra un tessuto epiteliale (per esempio, l'epidermide) e un sottostante tessuto connettivo (per esempio, il derma). lamina laterale (laterallamina) Struttura presente nelle fasi precoci dello sviluppo del telencefalo (vedi) in cui si distinguono una parte dorsale o pallio e una parte ventrale o subpallio, quest'ultimo suddivisibile in una regione settale e nello striato. lampreda (lampreda) Pesce appartenente al grande gruppo degli agnati e alla classe dei ciclostomi (vedi). La lampreda manifesta un aspetto anguilliforme, vive in acque dolci nello stadio larvale e discende al mare nella fase adulta. L-CAM (Liver-Cell Adhesion Molecule) CAM localizzate prevalentemente nelle cellule del fegato. legame eterofilico (heterophylic binding) Legame adesivo tra due molecole biologiche diverse (per esempio tra un integrina e una SAM) o tra domini diversi di due molecole uguali.
primario) alla sostanza in questione (antigene) e nel rivelare la presenza dell'anticorpo primario con un anticorpo secondario, individuabile, a sua volta, per mezzo di sostanze fluorescenti o di reazioni enzimatiche. immunoglobine vedi superfamiglia delle immunoglobine. impedenza (impedance) Misura della difficoltà di una corrente variante nel tempo a passare, per esempio, attraverso la membrana della cellula. induzione embrionale (embryonic induction) Complessa serie di interazioni tra i tessuti embrionali, mediata da fattori biochimici, che determina il differenziamento dei tessuti e degli organi. induzione neurale (neural induction) Tipo di induzione embrionale che porta alla formazione del tessuto nervoso in seguito al rilascio di alcuni segnali induttivi da parte del mesoderma sottostante. inibizione o conduttanza, in parallelo (shunting inhibition o shunting conductance) Forma di inibizione sinaptica che si verifica quando il potenziale di inversione della sinapsi è approssimativamente uguale al potenziale di riposo della membrana. Si può verificare quando una corrente inibitoria è instaurata dagli ioni cloro o da una particolare combinazione di ioni sodio, potassio o calcio. Questa forma di inibizione è silente in quanto non modifica direttamente il potenziale di membrana, ma può ridurre la depolarizzazione causata dagli input sinaptici eccitatori. inibizione laterale (lateral inhibition) Inibizione dell'attività neuronale, simultanea a un'eccitazione, che si manifesta sotto forma di un alone di inattività circostante ai neuroni attivati da uno stimolo. Si manifesta, per esempio, nella corteccia cerebrale somatosensoriale, visiva o nella retina, dove consente di migliorare la sensibilità al contrasto (vedi corteccia cerebrale; corteccia somatosensoriale; retina). input, segnale di (input) Qualunque segnale in arrivo a un neurone o a un recettore sensoriale. Può avere un influsso eccitatorio o inibitorio. input coattivi (coactive inputs) Due o piu input provenienti dallo stesso neurone o da neuroni diversi che raggiungono uno stesso neurone (neurone postsinaptico) in un intervallo temporale tale da avere effetti sinergici sul neurone stesso. input eterosinaptici (heterosynaptic inputs) Input che, agendo su una certa sinapsi di un neurone, determinano influssi su altre sinapsi dello stesso neurone. input omosinaptici (homosynaptic inputs) Input che determinano influssi diretti sulla sinapsi sulla quale agiscono. integrine (integrins) Molecole di adesione, o recettori, specializzati soprattutto nel riconoscimento di molecole della matrice extracellulare (vedi); sono costituite dall'associazione di una catena IX e di una catena~, delle quali esistono numerose forme varianti. Le integrine consentono di trasmettere al citoscheletro (vedi) le informazioni esterne alla cellula e di fungere da sensori dell'ambiente. interneurone (interneuron) Neurone di piccole dimensioni che, a differenza dei cosiddetti neuroni di proiezione, emette i propri prolungamenti a breve
l.t
r
39 2
Glossario
Glossario
393
rettili, uccelli) è la principale modalità di organizzazione dell'informazione visiva nel cervello. margine ectodermico apicale (apical ectoderma l ridge) Ispessimento tissutale (ectodermico) che compare durante lo sviluppo embrionale nella gemma dell' arto, in cui è indispensabile per il normale accrescimento. matrice extracellulare (extracellular matrix) Parte acellulare dei tessuti, costituita prevalentemente da glicoproteine (le diverse forme di collagene, di laminina, di fibronectina, di vitronectina, la citotactina, la trombospondina, e cOSI via), proteoglicani, sali, acqua, e che consente lo scambio di sostanze tra le cellule. Nel sistema nervoso svolge anche un ruolo di regolazione della migrazione e della rigenerazione neuronale.
legame omofilico (homophylic bindiniJ Legame adesivo tra due molecole biologiche uguali (per esempio, due N-CAM). lemnisco (lemniscus) Sistema di fibre nervose che trasportano informazioni sensoriali. Illemnisco laterale trasferisce l'informazione acustica, illemnisco mediale trasferisce le informazioni sulla sensibilità degli arti e del tronco, ed entrambi convogliano i segnali verso i centri cerebrali superiori. ligando (ligan(/) Qualunque molecola interagisca in modo specifico con il proprio recettore. La definizione di ligando riguarda sia l'interazione farmacologica sia le molecole della matrice extracellulare (vedi). linea, o stria, primitiva (primitive streak) Struttura embrionale transitoria presente negli uccelli e nei mammiferi da cui si originano il foglietto mesodermico e l'abbozzo della notocorda (vedi). linking (collegamento) Nel rientro definisce l'interazione dinamica all'interno di un'area cerebrale, e si distingue dal binding (vedi). lobo flocculonodulare (flocculonodular lobe) Regione anatomica del cervelletto, costituita dal nodulo e dal flocculo, appartenente alla regione funzionale del cervelletto definita vestibulocerebellum, che riceve afferenze dal labirinto vestibolare e che controlla i riflessi vestibolari. LTP vedi potenziamento a lungo termine.
Mauthner vedi cellula di Mauthner. MEG vedi magnetoencefalografia. memoria dichiarativa (declarative memory) Forma di memoria in cui i fatti o gli eventi registrati vengono richiamati consapevolmente e sottoposti a riflessione verbale o ad altra forma di espressione esplicita. L'ippocampo (vedi) e alcune strutture del diencefalo (vedi) sembrano fondamentali nella sua formazione. memoria procedurale (procedural memory) Forma di memoria caratterizzata da un richiamo (recupero) inconsapevole di predisposizioni o abilità, di cui il perfezionamento di un atto motorio è un esempio. mesoderma (mesoderm) Foglietto embrionale che si forma durante la gastrulazione (vedi) e destinato a originare i muscoli, il cuore, i vasi sanguigni, gli organi riproduttivi, parte degli arti, il sistema urinario, e parte della colonna vertebrale e del cranio. metameria (metamery) Configurazione segmentata durante lo sviluppo, caratterizzata da strutture omologhe (metameri) che si ripetono in serie lungo l'asse craniocaudale. La metameria è presente tanto negli invertebrati (per esempio la Drosophila) quanto nei vertebrati, ed è un esempio di efficiente applicazione dei principi della costruzione modulare e della parsimonia nello sviluppo, infatti, variando i programmi di espressione genica-in ogni metamero può emergere la complessità e l'individualità delle singole strutture. metazoi (metazoa) Tutti gli animali pluricellulari (in antitesi a protozoi, o unicellulari) caratterizzati da un'architettura corporea basata su almeno due strati cellulari, da una polarità testa-coda, dalla presenza di cellule nervose e mioepiteliali, e da una bilateralità. Michaelis-Menten, equazione di (Michaelis-Menten equation) Equazione biochimica che rappresenta la velocità di una reazione enzimatica mettendo in relazione velocità iniziale, velocità massima e concentràzione iniziale del substrato. microcircuiti (microcircuits) Connessioni e interazioni tra neuroni appartenenti allo stesso centro nervoso. Significativa è la conoscenza dei microcircui ti nella retina, nel bulbo olfattivo, nel cervelletto, in alcune zone del midollo spinale e nella corteccia cerebrale .
magnetoencefalografia (MEG) (Magnetoencephalography) Tecnica di indagine dell' attività cerebrale che si basa sulle differenze di campo magnetico prodotte dalla attività elettrica dei neuroni, rivelabile all'esterno del cranio tramite lo SQUID (Superconducting Quantum Interference Device = dispositivo superconduttore a interferenza quantistica) e i cui segnali sono impiegabili per computare la distribuzione dell' attività cerebrale in funzione del tempo. Di solito, la MEG viene associata ad altre tecniche di visualizzazione dell' attività cerebrale, quali la TEP o la risonanza magnetica funzionale, che consentono un'elevata risoluzione spaziale dell'attività stessa. mappa cerebrale (brain map) Organizzazione anatomo-funzionale del cervello caratterizzata da una conservazione del rapporto di vicinanza tra fibre nervose che proiettano da una regione a un'altra (corteccia --> corteccia, stazioni sottocorticali --> corteccia, corteccia --> stazioni sottocorticali, corteccia --> complessi muscolari). mappaggio globale (global mapping) Struttura dinamica, costituita da numerose mappe locali sensoriali e motorie, rientranti e interagenti con regioni non rpappate per formare una rappresentazione spaziotemporale continua di oggetti ed eventi. Per Edelman il mappaggio è il meccanismo che consente di coordinare percezione e azione e di interagire in modo addattativo col mondo. mappa presuntiva (fate map) Schema che illustra il destino futuro delle diverse parti dell'embrione. Si può determinare colorando alcune cellule allo stadio di blastula (vedi), identificandole poi nei tessuti definitivi. mappa retinotettale (retinotectal map) Proiezione ordinata del campo visivo sul tetto ottico (vedi) da parte del nervo ottico; nei bassi vertebrati (anfibi,
.L..
r 394
Glossario
Glossario
395
ti di comportamenti innovativi, tipici degli individui giovani, come la curiosità e la disposizione all'apprendimento; alcuni etologi propongono la "fetalizzazione" dell' essere umano come uno dei meccanismi dell' evoluzione dell'uomo dalle scimmie. nervo branchiale (branchial nerve) Nervo cranico misto (sensoriale e motorio) con un' organizzazione peculiare caratterizzata da un ramo dorsale, un ramo pretrematico e uno postrematico. Sono nervi branchiali, il trigemino, il faciale, il glossofaringeo, il vago e il nervo accessorio. nervo mediano (median nerve) Nervo motorio che decorre lungo tutto l'arto superiore. neuriti (neurites) I diversi tipi di prolungamenti del neurone, cioè assoni e dendriti (vedi assone; dendriti). neuropeptidi (neuropeptides) Molecole informazionali del sistema nervoso centrale e autonomo, di natura proteica, sintetizzate in concentrazione estremamente bassa, con bassa affinità per il recettore e una potenza e specificità molto elevate che agiscono direttamente o in coattività con i neurotrasmettitori, dei quali possono essere dei modulatori; attualmente ne sono noti piu di un centinaio, tra cui l'ossitocina, la vasopressina, le encefaline, e cOSI via. neuropilo (neuropile) Il groviglio formato da assoni e dendriti appartenenti ai neuroni della corteccia cerebrale, del midollo spinale, dei nuclei o dei gangli, dove si verifica un numero elevatissimo di contatti sinaptici. neurotrasmettitore (neurotransmitter) Sostanza neuroattiva che, rilasciata dal neurone presinaptico, interagisce con uno specifico recettore sul neurone postsinaptico, dove in concomitanza ad altri fattori, può esercitare un effetto eccitatorio o inibitorioj sono neurotrasmettitori l'acetilcolina, la noradrenalina, l'acido y-aminobutirrico (GABA), il glutamato, e altri. neurotropismo Fenomeno di attrazione o di repulsione dei coni di crescita assonali dovuto al rilascio da parte di organi o di cellule bersaglio di sostanze con azione, rispettivamente, attrattiva o repulsiva.Le prime sostanze ad azione neurotropica specifica e di cui è stata decifrata la natura molecolare sono le netrine. neurulazione (neurulation) Fase embrionale in cui si verifica la formazione e la éhiusura della piastra neurale, formando la cosiddetta neurula (vedi piastra, o placca, neurale). Ng-CAM (Neural-glial Adhesion Molecule) CAM espressa nel legame tra neuroni e cellule gliali. NGF (fattore di crescita della cellula nervosa) (Nerve Growth Factor) Proteina che favorisce la crescita (neurotrofismo) e l'orientamento (neurotropismo) delle fibre delle cellule nervose dei gangli simpatici e dei gangli delle radici dorsali. Fa parte di una crescente famiglia di fattori analoghi, quali BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor), NT3, NT4, NT5. nodo di Ranvier (node 01 Ranvier) Caratteristica interruzione nella mielina a livello della quale si genera un'intensa corrente depolarizzante che produce
midollo allungato (medulla) Parte del tronco cerebrale in diretta continuazione con il midollo spinale. Il midollo allungato comprende numerosi nuclei e fibre nervose che ascendono verso il talamo e discendono verso il midollo spinale, le quali esercitano, tra l'altro, il controllo sulla digestione, sulla respirazione e sulla frequenza del battito cardiaco. miotomo (myotome) Struttura embrionale originata dal mesoderma (vedi), in particolare dalla parete interna dei somiti, la quale è costituita da cellule che, dopo un allungamento in direzione longitudinale, si differenziano nelle fibre dei muscoli striati scheletrici della parte posteriore del tronco. missinoidei (mixinoidei) Vertebrati agnati (privi di mascelle) appartenenti alla classe dei ciclostomi (vedi), la quale comprende animali marini, anguilliformi e con numerosi caratteri di primitività. modello di Hodgkin-Huxley (Hodgkin-Huxley mode!) Insieme di equazioni, ricavate empiricamente, che descrive l'insorgenza del potenziale d'azione (vedi) nei neuroni. Tale modello si basa sullo studio del flusso delle correnti elettriche generate dagli ioni sodio e potassio attraverso la membrana della cellula. modificazione post-traduzionale (postranslational modification) Modificazione delle proteine, dopo la loro traduzione dall'mRNA, che ne modifica le proprietà biologiche. La modificazione postraduzionale consiste nel taglio enzimatico di alcune parti o nell' aggiunta di componenti glicidiche, lipidiche. modulatori o neuromodulatori (modulators) Sostanze, in genere peptidi o monQamine (per esempio, serotonina), che consentono di modulare l'attività di una rete neurale, ottenendo quella che Getting ha definito «rete polimorfa», cioè, una singola rete neurale che, riconfigurata dai modulatori può far produrre all'animale comportamenti diversi. I modulatori possono alterare il comportamento di una rete con due meccanismi principali: I) modificando le proprietà intrinseche dei neuroni che compongono la rete, 2) modificando l'efficacia sinaptica nel circuito. morfògeno (morphogen) Fattore o sostanza capace di indurre variazioni nella forma durante lo sviluppo o l' organogenesi; è nota l' azion,~tnorfògena di alcuni ~attori di crescita (NGF, HGF). motoneuroni piramidali (pyramidal motoneurons) Neuroni della corteccia cerebrale (vedi) motoria, definiti anche cellule di Betz, aventi grandi dimensioni (50-80 fLm) e forma piramidale, e i cui assoni decorrono nel tratto corticospinale e controllano i muscoli. mRNA o RNA messaggero (mRNA) Molecola risultante dalla trascrizione di un gene (DNA) e potenzialmente traducibile in proteina. Mueller vedi cellula di Mueller. N-CAM (Neural-Cell Adhesion Molecule) CAM prevalentemente espressa nel sistema nervoso. neo tenIa (neoteny) Dal punto di vista embriologico indica un anticipo della maturazione delle gonadi rispetto alla maturazione del resto dell'organismo, per cui l'individuo diviene sessualmente maturo quando è ancora nella fase giovanile. Dal punto di vista etologico è la conservazione negli adul-
•.Ii....i
r !
39 6
Glossario
Glossario
397
ontogenesi (ontogenesis) L'insieme dei processi embrionali e postembrionali di un organismo sino al raggiungimento dello stato adulto. organo della linea laterale (lateralline organ) Struttura sensoriale presente nei vertebrati acquatici, legata allo sviluppo dell' apparato vestibolare (vedi vestibolare, apparato o sistema) che presenta vari gradi di specializzazione nelle diverse specie, dove svolge il ruolo di recettore delle vibrazioni meccaniche, della pressione idrostatica, della salinità, della temperatura o, in alcune specie di pesci, dei segnali elettrici. organo vomeronasale (vomeronasal system) Struttura associata all' organo 01fattivo, assente nell'uomo e ben sviluppata nei serpenti, avente un'origine evolutiva piu antica rispetto all'organo olfattivo vero e proprio. Svolge la funzione di chemiorecettore. oscillatore (oscillator) Rete neurale composta da interneuroni con attività ritmica. Nel midollo spinale, per esempio, l'oscillatore controlla il movimento ritmico degli arti. L'oscillatore è relativamente indipendente dai centri di controllo motorio superiori e dalle informazioni sensoriali periferiche ed è presente tanto negli invertebrati quanto nei vertebrati dove agisce eccitando periodicamente i motoneuroni flessori e inibendo quelli estensori. output, segnale di Qualunque segnale in uscita da un neurone o da un gruppo di neuroni verso altri neuroni, cellule muscolari o ghiandole. patch clamp Tecnica elettrofisiologica che consente di studiare in maniera precisa le correnti ioniche che attraversano la membrana cellulare. Il patch clamp viene realizzato facendo aderire perfettamente una sottile pipetta di vetro a una piccola area di membrana cellulare. PC I 2 Linea di cellule immortalizzate originate dal feocromocitoma di ratto che, se trattate con NGF, assumono aspetto neuronale e sono, quindi, impiegabili come modelli alternativi per lo studio dei neuroni in vitro. perossidasi del rafano (horseradish peroxidase) Enzima di originè vegetale impiegato, tra l'altro, in neuroanatomia per studiare il percorso delle fibre nervose. Il suo decorso negli assoni è retrogrado, cioè viene catturato dalla terminazione nervosa e trasportato fino al corpo cellulare, e lascia una traccia identificabile sotto forma di precipitato opaco. PET vedi tomografia a emissione di positroni. phylum Classificazione tassonomica che indica una categoria interposta tra il regno e la classe. Ilphylum comprende un gruppo di classi affini, di cui un esempio è costituito dai cordati, che comprende i vertebrati, i tunicati e le forme affini. piastra, o placca, neurale (neural plate) Struttura embrionale transitoria, parte dell' ectoderma dorsale, la quale per induzione neurale (vedi) si stacca dal restante ectoderma (vedi) e, in seguito a movimenti morfogenetici, si trasforma nel tubo neurale, destinato a originare il sistema nervoso centrale. placca motrice (motor plate) Area della fibra muscolare, specializzata e ricca in recettori per l'acetilcolina, eccitabile dalla fibra nervosa nella cosiddetta sinapsi neuromuscolare.
un nuovo potenziale d'azione (vedi), favorendo la propagazione dell'impulso nervoso. notocorda (notochord) Struttura embrionale transitoria a forma di cordone cilindrico e situata in posizione dorsale che, in una certa fase dello sviluppo dei vertebrati, è l'unica struttura di sostegno del corpo. nuclei del cervelletto (cerebellar nuclei) Quattro paia di nuclei (nucleo del fastigio, nucleo globoso, nucleo emboliforme, nucleo dentato) situati nella parte profonda del cervelletto, di cui sono la principale sede di raccolta dei segnali in uscita, e, in parte, anche in entrata. nuclei della colonna dorsale (dorsal column nuclei) Nuclei del tronco cerebrale (nucleo gracile e cuneato), inclusi nel sistema colonne dorsali - lemnisco mediale, i quali ricevono i segnali della sensibilità tattile e propriocettiva e li ritrasmettono al talamo, dadove sono reindirizzati verso la corteccia cerebrale. nuclei intralaminari (intralaminar nuclei) Nuclei del talamo, cosiddetti di proiezione aspecifica, perché, a differenza della maggior parte degli altri nuclei del talamo, emettono fibre diffuse e non organizzate verso lo striato (vedi) e la corteccia cerebrale (vedi). Si ritiene regolino il livello di eccitabilità cerebrale. nuclei vestibolari (vestibular nuclei) Quattro nuclei presenti nel tronco cerebrale (vestibolare laterale, inferiore, superiore, e mediale) deputati a controllare i movimenti oculari, i movimenti del corpo e della testa, il tono e la coordinazione muscolare. nucleo (nucleus) Aggregato di neuroni, in genere specializzato per una certa funzione (sensitiva, motoria, associativa), prevalente nelle strutture sottocorticali (ipotalamo, talamo, tronco cerebrale, midollo spinale). nucleo cuneato (cuneate nucleus) vedi nuclei della colonna dorsale. nucleo, o corpo, genicolato ventrolaterale (ventrolateral geniculate nucleus) Nucleo del talamo, specifico dei rettili, che riceve afferenze dalla retina e dal tetto ottico. I neurologi comparati lo ritengono omologo alla parte ventrale del nucleo genicolato laterale degli uccelli e dei mammiferi. nucleo gracile (nucleus gracilis) vedi nuclei della colonna doriale. nucleo istmoottico (isthmooptic nucleus) Piccolo nucleo, caratteristico degli uccelli, implicato nella visione. nucleo rosso (red nucleus) Nucleo del mesencefalo collegato ai centri del tronco cerebrale (vedi) e al midollo spinale che svolge, nei mammiferi, il controllo dell'estensione degli arti. . nucleo rotondo (nucleus rotundus) Nucleo del talamo presente negli anfibi, rettili e uccelli e assente nei mammiferi. Nei rettili rappresenta la parte piu cospicua del talamo ed è parte del sistema visivo. ommatidio vedi recettore ommatidico o ommatidio. omofilico vedi legame omofilico. omosinaptico, input o modificazione (homosynaptic input) È una modificazione delle proprietà di una sinapsi in seguito all' attivazione diretta della sinapsi stessa.
..~
,-39 8
Glossario
Glossario
399
li potenziamento a lungo termine viene definito hebbiano quando le attività dei neuroni pre- e postsinaptici coincidono, viceversa, è non-hebbiano. Alla sua determinazione concorrono fattori presinaptici e postsinaptici. proiezioni corticotettali (corticotectal projections) Sistema di connessioni neurali tra corteccia cerebrale e tetto ottico prevalente nei bassi vertebrati (anfibi, rettili, uccelli) come sistema di elaborazione della informazione visiva. propriocettori (proprioceptors) Recettori della propriocezione, convenzionalmente definiti come i recettori che rispondono alle azioni dell'organismo stesso, piuttosto che a stimoli esterni. Sono associati alle fibre muscolari (vedi fusi neuromuscolari), ai tendini e alle articolazioni, dove ne registrano la lunghezza, lo stato di tensione o la posizione angolare. Anche i recettori dell' organo dell' equilibrio sono considerati propriocettori. propriocezione (proprioception) Particolare forma di sensazione somatica, mediata da specifici recettori, i propriocettori, che contribuiscono al senso dell'equilibrio e al senso di posizione e di movimento delle diverse parti del corpo. proteina estrinseca (extrinsic protein) Proteina associata alla membrana pIasmatica della cellula che non attraversa il doppio strato lipidico e che è rivolta verso l'esterno. Molti tipi di recettori e di CAM sono esempi di proteina estrinseca. proteina intrinseca o transm~mbrana (intrinsic protein) Proteina che attraversa tutto lo strato lipidico della membrana plasmatica cellulare ed è esposta all'ambiente acquoso a contatto con entrambe le facce della membrana. Molti tipi di CAM (vedi) e i canali ionici (vedi) sono esempi di proteina intrinseca. pseudocondizionamento (pseudoconditioning) vedi sensibilizzazione o pseudocondizionamento. rachide (rachis) Struttura assile della penna dalla quale si dipartono le barbe. radiazioni corticotalamiche (corticothalamic radiations) Complesso di fibre provenienti da aree specifiche della corteccia cerebrale (vedi) dirette agli stessi nuclei del. talamo (vedi) dai quali hanno ricevuto le afferenze, generando una serie complessa di circuiti afeedback che elabora l'informazione sensoriale in arrivo. radiazioni talamocorticali (thalamocortical radiations) Complesso di fibre originate da nuclei specifici del talamo e dirette verso la corteccia cerebrale. Si tratta, in genere, di informazioni visive, uditive, somatosensoriali precedentemente giunte al talamo dai recettori periferici e da quest'ultimo parzialmente elaborate. radici craniali (cranial roots) Nervi costituiti dall' aggregazione delle radicole originate a livello cervicale nel midollo spinale. Le radicole anteriori, centrifughe, mandano impulsi motori, le radicole posteriori, centripete, convogliano gli stimoli sensoriali. radici lombari spinali (lumbar spinal roots) Riferito alle radici nervose emesse a livello lombare del midollo spinale. Ranvier vedi nodo di Ranvier.
placòde otico (otic.placode) Struttura che compare nello sviluppo embrionale come ispessimento dell' epitelio a forma di placca e come invaginazione a livello dell'encefalo posteriore. Dal placòde otico deriva l'abbozzo dell'orecchio interno, in particolare del labirinto. pleiotropismo (pleiotropy) In analisi genetica si intendono i molteplici effetti determinati dalla espressione di un singolo gene, che in virtu dell'intreccio e dell'interdipendenza delle vie metaboliche, sono piu ampi rispetto all'effetto primario del gene, che è la sintesi di una proteina specifica. PL T vedi potenziamento a lungo termine. ~ postmitotico (postmitotic) Qualunque evento cellulare che si verifica dopo la divisione della cellula o mitosi. potenziale d'azione (action potentia!J Sinonimo di impulso nervoso elettrico. potenziale di inversione (reversal potentia!J Valore del potenziale di membrana al quale la somma netta delle correnti elettriche in ingresso e uscita è zero, e corrisponde a zero millivolt. potenziale postsinaptico (postsynaptic potentia!J Risposta della cellula postsinaptica a un input sinaptico. Si manifesta sotto forma di una variazione transitoria del potenziale elettrico di membrana. potenziale postsinaptico eccitatorio (excitatory postsynaptic potentia!J Depolarizzazione sulla membrana del neurone postsinaptico, mediata dall'interazione trasmettitore-recettore, che aumenta le probabilità di generare un potenziale d'azione. potenziale postsinaptico inibitorio (inhibitory postsynaptic potentia!J Iperpolarizzazione sulla membrana del neurone postsinaptico, mediata dall'interazione trasmettitore-recettore, che riduce la probabilità di generare un potenziale d'azione. potenziali legati all'evento (Event-Related Potentials, ERPs) Fenomeni bioelettrici del cervello originati in seguito al flusso di correnti transmembrana dentro e fuori il fluido extracellulare. Quando un numero significativo di neuroni avente simile orieptamento è attivo simultanemente, la somma del flusso di correnti genera segnali registrabili attraversol
L
40 0
Glossario
Glossario
4 01
mappaggio globale (vedi) della memoria e della coscienza. Si differenzia dal feedback, con cui condivide alcune analogie, in quanto il rientro è parallelo,
recettore di membrana (membrane receptor) Molecola di natura proteica o glicoproteica, esposta sulla superficie cellulare e riconosciuta in modo specifico da un' altra molecola, illigando (vedi). Il complesso ligando-recettore è fondamentale nella trasmissione dei segnali tra neuroni e innesca all'interno della cellula delle trasformazioni funzionali. Nei neuroni esistono due tipi di recettori: a) i recettori associati ai canali ionici (ionotropici), e b) i recettori associati alla sintesi dei secondi messaggeri (metabotropici), tipici dei neuromodulatori (vedi canali ionici; secondo messaggero). recettore ommatidico o ommatidio (ommatidial receptor) Unità funzionale dell' occhio composto degli insetti. Ogni recettore ommatidico è considerabile come un minuscolo occhio costituito da una lente che focalizza la luce su numerose cellule recettrici che, nel complesso, formano il rabdoma, da cui parte un segnale che viene trasmesso ai centri nervosi. regole sinaptiche (synaptic rules) Regole teoriche utili nel simulare il comportamento delle sinapsi nelle reti neurali. La pili nota è la regola di Hebb, secondo cui l'attività simultanea e ripetuta di un neurone presinaptico A e di un neurone postsinaptico B è sufficiente per aumentare l'efficienza della sinapsi tra A e B. Si tratta di una regola dipendente, in quanto è richiesta l'attività contemporanea del neurone pre- e postsinaptico. Il modello delle due regole di Edelman è, invece, un esempio di regola sinaptica indipendente e, come tale, non-hebbiana. repertorio primario (primary repertoire) Nella definzione di Edelman è una popolazione di gruppi neuronali varianti presenti in una certa area cerebrale originatasi in seguito a un processo di selezione somatica. repertorio secondario (secondary repertoire) NeIIa definizione di Edelman, è un circuito neurale selettivamente rinforzato nelle proprie sinapsi rispetto ad altri circuiti in seguito all' esperienza. retina (retina) La parte sensibile e neurale dell'occhio. La retina presenta diversi tipi di cellule nervose (fotorecettori, cellule bipolari, cellule amacrine, cellule orizzontali e cellule gangliari) organizzate in circuiti e in microcircuiti (vedi) entro cui si verifica una prima elaborazione del segnale visivo. La risultante di questa elaborazione è convogliata ~\J!i\go il nervo ottico ver., so i centri visivi del cervello. ricombinazione genetica (genetic recombination) Scambio reciproco di materiale genetico tra segmenti dis~inti di DNA appartenenti allo stesso cromosoma o a cromosomi diversi. E uno dei meccanismi alla base dell' evoluzione, in quanto migliora le possibilità di sopravvivenza in ambienti mutevoli. ricombinazione omologa (homologous recombination) Fenomeno di ricombinazione genetica tramite cui un gene viene sostituito da una sua forma allelica. Se tale allele è stato opportunamente ingegnerizzato è possibile annullare l'espressione di un gene specifico (vedi sostituzione mirata di geni) e si possono studiare gli effetti di questa assenza durante lo sviluppo. rientro (reentry) Importante principio del darwinismo neurale che, secondo Edelman, è costituito da connessioni reciproche temporalmente sincronizzate tra aree corticali e tra aree corticali e sottocorticali. Il rientro è un principio invocato per spiegare l'origine della categorizzazione percettiva, del
distribuito (essendo ogni area connessa simultaneamente a molte altre aree), eterarchico (vedi eterarchia) e gerarchico allo stesso tempo, ha una natura probabilistica e viene impiegato per correlare informazioni pili che per correggere errori. Rohon-Beard vedi cellula di Rohon-Beard. romboencefalo (rhomboencefalon o hindbrain) Struttura transitoria nello sviluppo del sistema nervoso centrale che corrisponde alla pili posteriore delle tre vescicole che si formano nel tubo neurale (oltre al romboencefalo vi sono il prosencefalo e il mesencefalo). Dal romboencefalo deriveranno, pili avanti nello sviluppo, il metencefalo, che è pili anteriore e da cui si originerà il cervelletto, e il mielencefalo da cui si originerà la rnedulla oblungata. Il romboencefalo è segmentato nei rombomeri, i quali rappresentano territori di sviluppo relativamente indipendenti tra loro e da cui si origineranno strutture neurali diverse. saldatura, o giunzione, alternativa (alternative splicing) Meccanismo di taglio e ricucitura dell'mRNA che consente di ottenere forme diverse di mRNA da uno ,stesso gene e, di conseguenza, proteine diverse per struttura e funzione. E una forma di economia genetica. SAM (molecole di adesione del substrato) (Substrate Adhesion Molecules) Glicoproteine o proteoglicani (Iaminina, citotactina, fibronectina, collagene, vitronectina, trombospondina, ecc.) prodotti dalle cellule e costituenti la matrice extracellulare (vedi). Le SAM sono riconosciute da specifiche molecole adesive delle cellule, le integrine (vedi). saturazione sinaptica (synaptic saturation) Parametro biofisico del neurone definito come la diminuzione della forza elettromotrice transmembrana al crescere del voltaggio.
Il I
Schwann, cellule di (Schwann cells) Cellule gliali, esclusive del sistema nervoso periferico, implicate nella formazione della guaina mielinica e nel controllo della rigenerazione delle fibre nervose periferiche. secondo messaggero (second messenger) Molecola informazionale sintetizzata dalla cellula in seguito all'interazione del primo messaggero (ormone, neurotrasmettitore, fattore di crescita) con il recettore, e il cui scopo è di trasferirne l'informazione in parti specifiche della cellula e di amplificarla. Esempi sono l'AMPc, il fosfatidilinositolo, lo ione calcio. selectine (selectins) Famiglia di molecole adesive presenti nelle cellule del sangue e nelle cellule endoteliali. selezione clonale, teoria della (clonai selection) Teoria selettiva, ormai universalmente accettata in immunologia a scapito della teoria dello stampo o istruttiva, per spiegare la regolazione della produzione di anticorpi. Secondo la teoria della selezione clonale, l'antigene si lega al linfocita che possiede il recettore specifico e induce la cellula a dividersi e a produrre altri recettori che vengono, infine, liberati nel circolo sanguifero, gli anticorpi.
I 1I
iII III
11
II1 'III
1 '1
'11
'III i ,II
1
II1I I
1 11
:11
Il: IIII!I
L
~
IIII!II. 1,11"
402
Glossario
Glossario
sensibilizzazione o pseudocondizionamento (sensitization) Contrapposta all'assuefazione (vedi assuefazione o abitudine). La sensibilizzazione consente a un animale di imparare a riconoscere uno stimolo nocivo reagendovi con maggiore intensità quando si ripresenta. La sensibilizzazione può persistere da pochi minuti a qualche settimana, in funzione dell'intensità degli stimoli ricevuti, e in alcune specie invertebrate, dotate di un sistema nervoso semplice, sono stati identificati i meccanismi sinaptici che ne sono alla base, uno dei quali è la facilitazione eterosinaptica (vedzì. sinapsi eccitatoria (excitatory synapse) Sinapsi dove si genera un potenziale postsinaptico (vedi) eccitatorio in seguito al rilascio di un neurotrasmettitore (vedi) ad azione eccitatoria e alla sua interazioneèon il recettore postsinaptico. sinapsi hebbiana, non hebbiana, anti-hebbiana (hebbian synapse) Meccanismo di rinforzo dell' attività di una sinapsi dovuto a una correlazione temporale tra l'attività presinaptica e quella postsinaptica. Affinché il rinforzo sia efficace è necessario che le attività si verifichino quasi sincronicamente, vi sia contiguità spaziale e interattività. Nella sinapsi non-hebbiana viene a mancare uno o piti caratteri propri alla sinapsi hebbiana, mentre nella sinapsi anti-hebbiana l'attività correlata tra neurone presinaptico e postsinaptico decrementa la forza della sinapsi. sinapsi inibitoria (inhibitory synapse) Sinapsi dove si genera un potenziale postsinaptico inibitorio (vedi) in seguito al rilascio di un neurotrasmettitore ad azione inibitoria e alla sua interazione con il recettore postsinaptico. sinartrosi (synarthrosis) Tipo di articolazione ossea in cui i pezzi scheletrici sono uniti da tessuto connetivo fibroso o fibro-cartilagineo e sono conseguentemente immobili, come nel caso delle ossa del cranio dei vertebrati. sinergie (synergies) Secondo Bernstein, sono dei modelli di movimento che rappresentano l'unità dell' azione, e rappresentano qualcosa di piti complesso rispetto ai muscoli, alle articolazioni o ai semplici anelli afeedback. sistema limbico (limbic system) Insieme di strutture sottocorticali, cosi definite in base alla descrizione del grande lobo limbico effettuata da Broca, che comprende le strutture che controllano il compòrtamento emotivo. In una versione piti aggiornata, quella di MacLean, sono inclusi nel sistema limbico, l'ipotalamo, l'ippocampo, il cingolo, il fornice, la stria midollare, l'amigdala (vedi), l'abenula (vedi), i nuclei interpeduncolari, l'area settale, il nucleus accumbens. Il sistema limbico è inserito nel cosiddetto circuito di Papez, che lo connette da e verso la corteccia, dove le emozioni raggiungono il livello di coscienza e dove l'ambiente interno ed esterno si sovrappongono. sistema nervoso autonomo periferico (peripheral autonomic nervous system) Componente del sistema nervoso che regola le funzioni involontarie. Viene suddiviso in simpatico e parasimpatico: di questi, il primo media la risposta allo stress aumentando la frequenza cardiaca, la pressione arteriosa e la mobilizzazione delle risorse organiche, mentre il secondo ristabilisce l'omeostasi. somatotopia (somatotopy) Rappresentazione ordinata della superficie corporea a livello del sistema nervoso centrale.
403
sostituzione mirata di geni (gene targeting) Tecnica di ingegneria genetica che sfruttando uno specifico meccanismo biologico, la ricombinazione omologa (vedi), consente di provocare ad arte mutazioni nelle cellule germinali, quale, per esempio, l'annullamento della espressione o la sostituzione di un gene specifico. Tale sostituzione è utile per valutare l'importanza relativa di un gene nello sviluppo e nella fisiologia dell' organismo, altrimenti inferibile piti indirettamente. spine dendritiche (dendritic spines) Strutture specializzate dei dendriti (vedi) del neurone postsinaptico al cui livello avviene la recezione del segnale in arrivo dal neurone presinaptico. staggerer Forma mutante di topo che presenta dei difetti congeniti nella struttura della corteccia del cervelletto, originati da una mutazione che impedisce la formazione corretta dell'albero dendritico nelle cellule del Purkinje. È caratterizzato clinicamente da atassia, tremore e ipotonia. stilopòdio (stylopodium) Nello schema generale dell' organizzazione degli arti dei vertebrati si riferi~ce al segmento prossimale (braccio, coscia). strati germinativi (germ layers) I foglietti embrionali (ectoderma, mesoderma, endoderma) che si formano durante la gastrulazione e dai quali derivano tutti i tessuti e gli organi dell' animale. strato molecolare (molecular layer) Lo strato piti superficiale della corteccia del cervelletto, caratterizzato dalla presenza di vari tipi cellulari e fibre nervose organizzati in circuiti funzionali. Lo strato molecolare comprende gli alberi dendritici delle cellule del Purkinje, le cellule a canestro, le cellule stellate, le cellule del secondo tipo di Golgi e le fibre parallele (vedi albero dendritico). striato (striatum) Area cerebrale che comprende il caudato e il putamen, le quali appartengono ai gangli basali (vedi) a e a cui arrivano le afferenze dalla corteccia cerebrale (vedi). strie (stripes) Suddivisioni strutturali e funzionali delle mappe somatosensoriali in sottodistretti specializzati. Per esempio, l'informazione sensoriale proveniente dalla mano alla corteccia si suddivide in strie ciascuna delle quali risponde a segnali diversi per durata. strutture, o emisferi, laminari (laminar structures) Comprendono la lamina alare e la lamina dorsale, dalle quali si origina, nel corso dello sviluppo, il telencefalo (vedi) con modalità differenti nelle varie classi di vertebrati. strutture non-laminari evertite (everted nonlaminar structures) Strutture telencefaliche caratteristiche deglj attinopterigi (vedi) originate dal processo morfogenetico di eversione, in base al quale le parti dorsali delle lamine la, terali cominciano a divergere (vedi lamina laterale). substrato (substrate) In senso istologico rappresenta l'insieme di macromolecole esterne alla cellula che costituiscono la matrice extracellulare (vedi) e alle quali la cellula stessa può aderire tramite specifiche molecole adesive. superfamiglia delle immunoglobuline (immunoglobulin super/amily) Superfamiglia di CAM che comprende, oltre alla N-CAM, decine di altre molecole
..
~
.
I. . . . .
I
I ilil\
I
I
~
~
1
11
I
~
~ il:
~
~
1 l'
1
1
Il
II~~ 11
l'
I 1
';:1,i'1:
~
Il: I
~
~ ~
III
40 4
Glossario
Glossario
40 5
transmembrana vedi proteina intrinseca o transmembrana. trascrizione (transcription) Il trasferimento dell'informazionI: genetica dal DNA all'RNA. tratto spinocerebellare (spinocerebellar tract) Sistema di fibre nervose che trasferisce direttamente al cervelletto le informazioni sensoriali dalla parte inferiore del corpo. Si distinguono un tratto spinocerebellare dorsale e uno ventrale. tratto spinotalamico (spinothalamic tract) Sistema di fibre nervose, parte del cosiddetto sistema anterolaterale, che collega il midollo spinale al talamo (vedi) e la cui funzione consiste nel trasmettere informazioni relative al dolore precoce. trembler Mutazione genetica, rivelata nei topi, la cui manifestazione anatomica è una mielina anormale, e la cui manifestazione fisiologica è un deficit nella attività motoria. tritonia (Tritonia) Invertebrato gasteropode marino studiato per il suo sistema nervoso «semplice», di cui sono stati classificati i neuroni e i circuiti neurali, in particolare quelli che controllano i movimenti natatori. tronco cerebrale (brainstem) Struttura del sistema nervoso centrale che è la continuazione in senso rostrale del midollo spinale. Il tronco cerebrale comprende il bulbo, il ponte e il mesencefalo. Contiene numerosi nuclei, lunghi tratti di fibre sensoriali e motorie e la formazione reticolare (vedi formazione, o sostanza, reticolare) , e svolge un ruolo itpportante nel controllo sensoriale e motorio e nel livello della coscienza. E la sede di origine dei nervi cranici. ultrastrutturale (ultrastructural) Livello di indagine biologica, con un limite inferiore di circa 0,1 nm, ottenibile con il microscopio elettronico. In genere, il termine 'ultrastrutturale' si riferisce alle strutture interne alla cellula e alle macromolecole di maggiori dimensioni. variazione eterosinaptica (heterosynaptic modijication) Variazione nell'efficacia di una sinapsi conseguente a stimolazioni su altre sinapsi dello stesso neurone. verme (vermis) Parte mediana del cervelletto da cui si dipartono delle fibre che regolano principalmente l'attività dell' apparato motore spinale discendente e che riceve fibre dalle strutture sensoriali. vestibolare, apparato o sistema (vestibular organ, system) È l'organo dell'equilibrio e contrqlla le posture, il movimento degli occhi, degli arti, del tronco e della testa. E costituito dai canali semicircolari, dal sacculo e dall'utricolo, i quali contengono i recettori che segnalano gli spostamenti della testa. vie ipsilaterali (ipsilateral pathways) Vie nervose che lungo Uloro decorso non attraversano (vedi decussazione) l'asse che definisce la simmetria bilaterale rimanendo nello stesso antimero dell'organismo. virus del sarcoma di Rous (Rous Sarcoma Virus, RSV) Virus oncògeno a RNA del pollo. Il virus del sarcoma di Rous presenta una sequenza oncògena nota, il gene src.
adesive caratterizzate da almeno un dominio immunoglobulinico nella struttura. talamo (thalamus) Struttura sottocorticale, parte del diencefalo (vedz), costituita da numerosi nuclei, importante per le sue connessioni da e verso la corteccia cerebrale (vedi), essendo una stazione di transito e di parziale elaborazione delle informazioni sensoriali provenienti dai recettori periferici. Il talamo è anche connesso alla corteccia motoria, ai gangli basali (vedz) e all'amigdala (vedi). taxon, taxa Termine che indica una categoria sistematica, qualunque sia la posizione da essa occupata nella scala gerarchica della classificazione. telencefalo (telencephalon) Parte del cervello situata all'estremità anteriore del sistema nervoso centrale, le cui strutture sono alla base dei comportamenti piu complessi e delle elevate prestazioni intellettive proprie di molte specie di mammiferi e uccelli. teleostei (teleosts) Superordine di pesci appartenenti alla classe degli osteitti. tenascina vedi citotactina, tenascina. TEP vedi tomografia a emissione di positroni. terapia genica (gene therapy) Approccio alla cura delle malattie genetiche basato sulla inserzione nel paziente del gene sano in sostituzione di quello mutato. terapside (therapsid) In zoologia sistematica indica un ordine appartenente alla classe dei rettili dal quale si sono originati i mammiferi. tessitura (texture) L'apparenza tattile o visiva di una struttura quale risulta dall'unione di unità o texton. tetrodotossina (tetrodotoxin, TTX) Potente veleno presente nelle ovaie di alcune specie di pesci impiegato negli esperimenti neurofisiologici per la sua facoltà di bloccare selettivamente l'attività dei canali del sodio voltaggio dipendenti e, quindi, di impedire la trasmissione dell'impulso nervoso. tetto ottico (tectum) Area del mesencefalo organizzata in strati che, nei bassi vertebrati, rappresenta la principale area di proi.ezione delle informazioni visive sotto forma di una mappa retinotettale ordinata. Il tetto ottico è collegato da e verso il midollo spinale, il cervelletto, il talamo e riceve afferenze dal corpo del mesencefalo e dal bulbo. Il tetto ottico svolge complesse integrazioni di stimoli sensoriali diversi che vengono ritrasmesse ai centri motori. tomografia a emissione di positroni (TEP) (Positron Emission Tomography, PETI Tecnica di visualizzazione degli organi interni, compreso il cervello, che si basa sulla iniezione di una sostanza radioattiva a rapido decadimento, come l'ossigeno incorporato nell'acqua o nell'anidride carbonica, che emette positroni che si annichilano con gli elettroni e determinano l'emissione di due fotoni, rilevabili da una camera fotoelettrica. Se è nota la concentrazione di ossigeno per unità di volume di sangue, e se è noto l'aumento di flusso ematico nelle aree cerebrali piu attive, si può risalire alle aree attive durante lo svolgimento di un certo compito cognitivo. La risoluzione spaziale della TEP è di circa 8 mmc
il..-
406
Glossario
visualizzazione funzionale per risonanza magnetica (junctional Magnetic Resonance Imaging, fMRTJ Tecnica che consente la visualizzazione anatomica tridimensionale degli organi corporei. Nel caso del cervello lafMRI si basa sulla valutazione della quantità di ossigeno consumata nel corso di una specifica attività neurale. xenopus (xenopus) Specie di anfibio anuro particolarmente studiata in embriologia. zeugopòdio (zeugopodium) Nello schema generale dell'organizzazione degli arti dei vertebrati si riferisce al segmento intermedio (avambraccio, gamba).
Bibliografie
diii
lil:l
;'1
1:
'
1
Iii Il
Il'1
Il I I
lill!
'II 1
a..
111',1 11
"I
Bibliografia del testo
ALBERCH, P.
1979
Size and shape in ontogeny and phylogeny, in «Paleobiology», V, pp. 296-3 1 7.
1980
Ontogenesis and morphological diversilication, in «American Zoologist», XX, pp. 653-67.
1982a
Developmental constraints in evolutionary processes, in]. T. Bonner (a cura di), Evolution and Development, Springer-Verlag, Berlin, pp. 3 13-3 2 .
1982b
1985 1987
The generative and regulatory roles 01 development, in D. Mossakowski e G. Roth (a cura di), Environmental Adaptation and Evolution, Gustav Fischer, Stuttgart, pp. 19-36. Problems with the interpretation 01 developmental sequences, in «Systematic Zoology», XXXIV, pp. 46-58. The evolution 01 a developmental process, in R. A. Raff e E. Raff (a cura di), Marine Biological Laboratories Lectures in Biology, Alan R. Liss, New York, pp. 23-46.
ALEXANDER, R. M.
1975 ALTMAN,].
1977
Evolution 01 integrated design, in «American Zoologist», XV, pp. 4 1 9- 2 5. S. e TYRER, N. M.
The locust wing hinge stretch receptors, II. Variation, alternative pathways, and "mistakes" in the centraI arborizations, in «]ournal of Comparative Neurology», CLXXII, pp. 431-39.
o. Specilic long-lasting potentiation 01 synaptic transmission in hippocampal slices, in «Nature», CCLXVI, pp. 736-37. Possible mechanisms lor long-lasting potentiation 01 synaptic transmission in hippocampal slices /rom guinea-pigs, in «]ournal of Phy-
ANDERSEN, P.
1977 1980
siology. London», CCCII, pp. 463-82. e HINTON, G. E.
ANDERSON, J. A.
1981
Models 01 inlormation processing in the brain, in id. (a cura di), Parallel Models 01 Associative Memory, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N.].), pp. 9-48 .
.}. .iLJ. ;
Bibliografie
4 10
Bibliografie 19 82
J. R.
ANDERSON,
Thinking: An Experimental and Social Study, Greenwood, Westport, Conn. (trad. it. Il pensiero. Ricerche sperimentali e aspetti sociali, a cura di F. Scaparro, Angeli, Milano 1974). .
Cognitive Skills and their Acquisition, Lawrence Erlbaum Associa-
1981
tes, Hillsdale (N. J.). s.
ANISH, D.
19 85
(Mass.).
York, pp. 149-74. BEKOFF, A.
The mammalian cerebellum and its contribution to movement control, in dnternational Review of Physiology», XVII, pp. 239-94. ARMSTRONG, s. L., GLEITMAN, L. R. e GLEITMAN, H. 1983 What some concepts might not be, in «Cognition», XIII, 1978
197 8
BEKOFF, A., STERN, P. S. G.
w. e PETERSEN, M.
United States of America», LXXII, pp. 1245-48.
R.
Development oj Perception: Psychobiological Perspectives, Acade-
1981
Coordinated motor output in the hindlimb oj the 7-day chick embryo, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the
1975
Mechanisms oj Morphological Evolution, Wiley, New York.
ASLIN, R., ALBERTS, J. R.
A neuroethological approach to the study oj the ontogeny oj coordinated behavior, in G. M. Burghardt e M. Bekoff (a cura di), The Development oj Behavior: Comparative and Evolutionary Aspects, Garland, New York, pp. 19-4L e HAMBURGER, V.
pp. 263-308 . 1984
BERG, D. L.
mie, 2 volI., NewYork. e SPERRY, R. W.
19 8 2
Celi death in neuronal development: Regulation by trophic jactors, in N. Spitzer (a cura di), Neuronal Development, Plenum, New York, pp. 297-332.
ATTARDI, D. G.
Prejerential selection oj centrai pathways by regenerating optic fibers, in «Experimental Neurology», VII, pp. 46-64.
1963
BERNSTEIN, N.
19 67
AUERBACH, L.
tralblatt», XVII, pp. 445-54. BALDWIN,
The Coordination and Regulation oj Movements, Pergamon, Oxford.
Nervenendigungen in den Centralorganen, in «Neurologisches Zen-
1898
BERTOLOTTI, R., RUTISHAUSER, U.
19 80
J. M.
e COWAN,
19 8 1
W. M.
BINDRA, D.
search», CXXVI, pp. 397-425.
197 6
Further observations on hippocampal neurons in dispersed cell culture, in «Journal of Comparative Neurology», CLXXXVII,
1979
The Neurophysiology oj Cerebral Cortex, University of Texas Press, Austin.
Rat hippocampal neurons in dispersed cell culture, in «Brain Re-
1977
e LIPPOLD, O.
BINDMAN, L.
Development and Evolution, Macmillan, New York.
1902
A Theory ojlntelligent Behavior, Wiley, New York.
BLOUGH, P. M.
pp. 46 9-94. e FEHÉR, o. Intracellular studies on cortical synaptic plasticity, in «Experimental Brain Research», XLI, pp. 124-34. F. c. Remembering: A Study in Experimental and Social Psychology, Cambridge University Press, Cambridge (trad. it. La memoria. Studio di psicologia sperimentale e sociale, a cura di V. Poli Velieogna, Angeli, Milano 1974).
Visual acuity in the pigeon, II. Effects oj target distance and retinal lesions, in «Journal of Experimental Analysis of Behavior», XX,
1973
BARANYI, A.
1981 BARTLETT,
1964
M.
United States of America», LXXVII, pp. 48 3 1-35.
York. BANKER, G. A.
e EDELMAN, G.
A celi surface molecule involved in aggregation oj embryonic liver celis, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the
Mental Development in the Child and the Race, Macmillan, New
1895
C. S.
The first neuronal growth cones in insect embryos: Model systems jor studying the development oj neuronal specificity, in A. 1. Selverston (a cura di), Model Neural Networks and Behavior, Plenum, New
ARMSTRONG, P. M.
ARTHUR,
J., DU LAC, S. e GOODMAN,
BASTIANI, M.
The Natural Concept Tree: A Study on Learning in Pigeons. Undergraduate Honors Thesis, Harvard University Press, Cambridge
197 8
4 11
pp. 333-43· BOCK,
w.J.
19 65
The role oj adaptive mechanisms in the origin oj higher levels oj organization, in «Systematic Zoology», XIV, pp. 27 2-8 7.
BONGARD, M.
197 0
Pattern Recognition, a cura di]. K. Hawkins, Spartan Books, New York.
l...t
,.----
Bibliografie
Bibliografie
4 12
BURNET,F.M.
BONNER, J. T.
(a cura di), Evolution and Development, Springer-Verlag, Berlin.
19 82
1959 BURNS, B. D.
Experimental Psychology: Human Perception and Performance», II, pp. 115- 2 9.
1968
BOYD, R.
1980
The development olobject-permanence: Some studies 01 existence constancy, in «Perception and Psychophysics», II, pp. 4 11 - 18 . a Devolopment in Inlancy, Freeman, San Francisco (2 ed.).
19 82
e RICHERSON,
1984
P. J.
1979
York. BRINDLEY, G.
19 67
s. The classification 01 modifiable synapses and their use in modelslor conditioning, in «Proceedings of the Royal Society of London B.
E. R.
Binding 01 scorpion toxin to receptor sites associated with sodium channels in frog muscle. Co"elation 01 voltage-dependent binding with activation, in «Journal of General Physiology», LXXIV, pp. 375-91.
CERELLA,J.
Biological Sciences», CLXVIII, pp. 361 -7 6 .
1977
Neurological Anatomy in Relation to Clinical Medicine, Oxford University Press, New York (trad. it. Neuroanatomia clinica di A. Brodal, a cura di A. Miani, G. Pizzinini e G. Tredici, Hermes,
1979
Absence 01 perspective processing in the pigeon, in «Pattern Recognition», IX, pp. 65-68.
BRODAL, A.
19 81
e KANDEL,
A test 01 Hebb's postulate at identified synapses which mediate classical conditioning in Aplysia, in «Journal of Neuroscience», IV,
CATTERALL, W. A.
c. J. e PRESSLEY, M. Basic Processes in Memory Development, Springer-Verlag, New
19 85
M.
pp. 121 7- 2 4.
Chicago. BRAINERD,
e EDELMAN, G.
Antibodies to a neural celi adhesion molecule disrupt histogenesis in cultured chick retinae, in «Nature», CCLXXXV, pp. 488-89.
CAREW, T. J., HAWKINS, R. D., ABRAMS, T. W.
Culture and the Evolutionary Process, University of Chicago Press,
19 85
The Uncertain Nervous System, Edward Arnold, London.
BUSKIRK, D. R., THIERY, J.-P., RUTISHAUSER, U.
BOWER, T. G. R.
19 67
The Clonai Selection Theory 01 Acquired Immunity, Vanderbilt University Press, Nashville.
e WEISKOPF, s. Color vision and hue categorization in young inlants, in «Journal of
BORNSTEIN, M. H., KESSEN, W.
197 6
413
1980
Roma 1983).
Visual classes and natural categories in the pigeon, in «Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance», V, pp. 68-77. The pigeon's analysis 01 pictures, in «Pattern Recognition», XII, pp. 1-6.
BROOKS, V.
BRYAN, J.
CHANGEUX, J.-P.
The nervous system, in id. (a cura di), Handbook 01 Physiology, voI. II. Motor Control, parti I-II, American Physiological Society, Bethesda (Md).
19 81
s. e ATWOOD,
19 8 I
H. L.
198 I
'.
Two types 01 synaptic depression at synapses 01 a single crustacean motor axon, in «Marine Behavioral Physiology», VIU, pp. 99- 1 2 I.
1976
197 8
Signals and neuronal coding, in id., The Neurosciences: A Study Program, Rockefeller University Press, New York, pp. 347-5 2 . Identifiable and addressed neurons in the vertebrates, irÌ D. S. Faber eH. Korn (a cura di), Neurobiology 01 the Mauthner Celi, Raven, New York, pp.
19 84 BURGESS, P.
19 82
Selective stabilization 01 developing synapses as a mechanism lor the specilication 01 neuronal networks, in «Nature», CCLXIV, pp. 70 5- 1 1.
BULLOCK, T. H.
19 67
The acetylcholine receptor: An "allosteric" membrane protein, in
«Harvey Lectures», LXXV, pp. 85-254. CHANGEUX, J.-P. e DANCHIN, A.
CHANGEUX, J.-P., HEIDMANN, T.
e PATTE, P.
Learning by selection, in P. Marler e H. S. Terrace (a cura di), The Biology olLearning, Springer-Verlag, New York, pp. 115-37. CHAN-PALAY, v., NlLAVER, G., PALAY, S. L., BEINFELD, M. c., ZIMMERMAN, E. A., 1984
1-12.
WU, J.-Y.
Comparative neuroscience holds promise lor quiet revolutions, in
1981
«Science», CCXXV, pp. 413-7 8 . R., WEIS, J. Y., CLARK, F. J. e SIMON, J.
Signaling 01 kinesthetic inlormation by peripheral sensory receptors,
e O'DONOHUE,
T. L.
Chemical heterogeneity in cerebellar Purkin;e cells: Existence and coexistence 01 glutamic acid decarboxylase-like and motilin-like immunoreactivities, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXVIII, pp. 77877791.
in «Annual Review of Neuroscience», V, pp. 17 1 - 8 7.
j.~
liì...IÌ
,.-----
Bibliografie
Bibliografie
41 4
COWAN, W.M.
CHAN-PALAY, V., PALAY, S. L. e WU,J.-Y.
19 82
1973
Sagittal cerebellar microbands of taurine neurons: Immunocytochemical demonstration by using antibodies against the taurinesynthesizing enzyme cysteine sulfinic acid decarboxylase, in «Procee-
1978
dings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXIX, pp. 4 221 - 25.
siology», XVII, pp. 150-91.
1967
Social and non-social knowledge in vervet monkeys, in «Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. Biological Sciences», CCCVIII, pp. 187-20I.
Experimental Zoology», CLXIV, pp. 267-80.
1985
Rules and Representations, Columbia University Press, New York (trad. it. di G. Graffi, Regole e rappresentazioni, il Saggiatore, Milano 1981).
19 81
Alterations in neural cell adhesion molecules during development of different regions of the nervous system, in «Journal of Neuroscience», IV, pp. 2354-68 .
19 85a
1985
Expression of cell adhesion molecules in embryonic induction, II. Morphogenesis of adult feathers, ivi, pp. 10 27-43.
CROSSIN, K. L., HOFFMAN, S., GRUMET, M., THIERY,J.-P. e EDELMAN, G. M.
1986
Sequential expression and differential function of multiple adhesion molecules during the formation of cerebellar corticallayers, in «Jour-
1987
CLARKE, E. e o'MALLEY, C. D.
CUNNINGHAM, B. A.,LEUTZINGER, Y.,GALUN, w.J., SORKIN,B. C. eEDELMAN, G.M.
1984
Anatomy and the Problem of Behaviour, Cambridge University
DAMSKY, C. H., KNUDSEN, K. A. e BUCK, C. A.
Press, Cambridge (2" ed. Hafner, New York 196 5).
1984
COHEN, A. H. e GANS, C.
Muscle activity in rat locomotion: Movement analysis and electromyography of the flexors and extensors of the elbow, in «Journal of Morphology», CLXXVI, pp. 177-96 .
New York, pp. 1-64.
1986a
Differential distribution of cell adhesion molecules during histogenesis of the chick nervous system, in «Journal of Neuroscience», VI, pp. 739-5 8 .
A possible organization of animaI memory and learning, in «Nobel Symposium», XXIV, pp. 25 2-6 4.
DANILOFF, J. K., LEVI, G., GRUMET, M., RIEGER, F. e EDELMAN, G. M.
1986b
COREN, S. e GIRGUS, J. S.
197 8
IntegraI membrane proteins in cell-cell and cell-substratum adhesion, in R. J. Ivatt (a cura di), The Biology of Glycoproteins, Plenum,
DANILOFF, J. K., CHUONG, C.-M., LEVI, G. e EDELMAN, G. M.
COOPER, L. N.
1974
Linearorganization of the livercell adhesion molecule L-CAM, in «Proceedings of the N ational Academy of Sciences of the United States of America», LXXXI, pp. 5787-9I.
COGHILL, G. E.
1975
Modulation of adhesion molecules during induction and differentiation of the auditory placode, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Functions of the Auditory System, Wiley, NewYork 1988.
The Human Brain and Spinal Cord: A Historical Study Illustrated by Writingsfrom Antiquity to the Twentieth Century, University of California Press, Berkeley.
19 29
Site-restricted expression ofcytotactin during development ofthe chicken embryo, in «Journal of Cell Biology», CII, pp. 1917-30.
CROSSIN, K. L., RICHARDSON, G. P., CHUONG, C.-M. e EDELMAN, G.M.
nalofCellBiology», CIV, pp. 33 1 -4 2 •
19 68
Expression sequences of cell adhesion molecules, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXII, pp. 6942-46.
CHUONG, C.-M., CROSSIN K. L. e EDELMAN, G. M.
19 87
Why are there so many visual areas?, in F. O. Schmitt, F. G. Worden, G. Adelman eS. G. Dennis (a cura di), The Organization of the Cerebral Cortex, Mit Press, Cambridge (Mass.), pp. 395-413.
CROSSIN, K. L., CHUONG, C.-M. e EDELMAN, G. M.
Expression of cell adhesion molecules in embryonic induction, I. Morphogenesis of nestlingfeathers, in «Journal of Cell Biology», CI, pp. 1009-26.
19 85b
The development of the retinotectal projection: An overview, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Molecular Bases ofNeural Development, Wiley, New York, pp. 389-428.
COWEY,A.
CHUONG, C.-M. e EDELMAN, G. M.
19 84
Cellloss in the trochlear nucleus of the chick during normal development and after radical extirpation of the optic vesicle, in «Journal of
COWAN, W. M. e HUNT, R. K.
CHOMSKY, N.
19 80
Neuronal death as a regulative mechanism in the control of celI number in the nervous system, in M. Rockstein (a cura di), Development and Aging in the Nervous System, Academic, New York, pp. 19-41. Aspects of neural development, in «lnternational Review of Phy-
COWAN, W. M. e WENGER, E.
CHENEY,D.L.eSEYFARTH,R.M.
19 85
415
Seeing is Deceiving: The Psychology ofVisual Illusions, Lawrence
Altered expression on neuronal cell adhesion molecules induced by nerve injury and repair, in «Journal of Cell Biology», CIII, pp. 9 29-45.
Erlbaum Associates, Hillsdale (N. J.).
~
4 16
Bibliografie
Bibliografie DICHTER, M. A.
DARWIN, C.
197 8
On the Origin 01 Species by Means 01 Natural Selection or the Preservation 01 Favoured Races in the Struggle lor Lile, Murray, London (trad. it. di L. Fratini, L'origine delle specie, a cura di G. Monta-
18 59
DICKENSON, A.
The Expression 01 Emotions in Man and Animals, Murray, London (trad. it. L'espressione delle emozioni nell'uomo e negli animali, Bo-
19 80
ringhieri, Torino 1982). e HOLLOWAY, R.
19 85
DE LACOSTE-UTAMSING, C.
DODWELL, P.
19 84
DEN BOER, P. J.
On the stability 01 animai populations or how to survive in a heterogeneous and changeable world, in D. Mossakowski e G. Roth (a cura di), Environmental Adaptation and Evolution, Gustav Fischer,
1982
DOUGLAS, R.
19 82
Stuttgart, pp. 211-32. DENNETT, D.
e LEA, s.
Concepts and Approaches in AnimaI Morphology, Van Gorcum,
Assen. EASTER, S.
s.
19 83
Postnatal neurogenesis and changing connections, in «Trends in
E. G.
Neurosciences», VI, pp. 53-56.
New problem in concept lormation, in «Nature», CCXLIII,
DE PEYER, J. E., CACHELIN, A. B., LEVITAN, I. B.
19 85
e REUTER,
H.
Ca++ -activated K+ conductance in internally perfused snail neurons is enhanced by protein phosphorylation, in «Proceedings of the Na-
EASTER, S.
19 84
tionaI Academy of Sciences of the United States of America», LXXIX, pp. 4207-1 I. DEREGOWSKI, J. B.
demic, London. e LEVY, w. B.
The continuous lormation 01 the retinotectal map in goldlish with special attention to the role 01 the axonal pathwtl)l, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Molecular Bases 01 Neural Development, Wiley, New York, pp. 4 29-5 2 . S. JR e STUERMER, C. A. o. An evaluation 01 the hypothesis 01 shilting terminals in goldfish optiC; tectum, in «Journal of Neuroscience», IV, pp. 105 2-6 3.
EASTER, S. S. JR, PURVES, D., RAKIC, P.
19 85
Illusions, Patterns and Pictures: A Cross Culturtil Perspective, Aca-
pp. 50 7- 1 1.
The parcellation theory and its relation to interspecilic variability in brain organization, evolutionary and ontogenetic development and neuronal plasticity, in «Cell and Tissue Research», CCXIII,
1980
CXCIX, pp. 68A-69A. 1985
e CUNNINGHAM, B.
pp. 179-21 2.
A.
19 84
Chromosomallocation 01 the gene encoding the neural cell adhesion molecule (N-CAM) in the mouse, in «Proceedings of the NationaI Academy of Sciences of the United States of America», LXXXII, pp. 76 3 1-35.
DEVOR, M.
1981
N. C.
EBBESSON, S. O. E.
Ultrastructural and numerical alteration in dendritic spines as a consequence ollong-term potentiation, in «Anatomical Record»,
D'EUSTACHIO, P., OWENS, G., EDELMAN, G. M.
e SPITZER,
The changing view 01 neural specificity, in «Science», CCXXX,
r .
DESMOND, N. L.
1981
Inhibitory modulation ollong-term potentiation: Evidence lor a postsynaptic locus olcontrol, in «Brain Research», CCXL, pp. 259-7 2.
1974
pp. 101-2.
1980
Biological Sciences», CCCVIII, pp. 67-7 8 . c. e CAELLI, T. FiguraI Synthesis, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N.].). M., GODDARD, G. V. e RIIVES, M.
DULLEMEIJER, P.
c. Brainstorms: Philosophical Essays on Mind and Psychology, Bradford Books, Montgomery, Vt. (trad. it. di L. Colasanti, Brainstorms, saggi sulla mente e !'intelligenza, Adelphi, Milano 1991).
DENNIS, I., HAMPTON, J. A.
1982
Actions and habits: The development 01 behavioral autonomy, in «Philosophical Transactions of the Royal Society of London B.
L.
CCXVI, pp. 431-32.
1973
Contemporary AnimaI Learning Theory, Cambridge University
Press, Cambridge.
Sexual dimorphism in the human corpus callosum in «Science»,
1982
1978
Rat cortical neurons in celI culture: Culture methods, celI morphology, electrophysiology and synapse lormation, in «Brain Research », CXLIX, pp. 279-93.
lenti, Boringhieri, Torino 1967). 18 72
41 7
EBBESSON,
Evolution and ontogeny 01 neural circuits, in «BehavioraI and Brain s.
Sciences», VII, pp. 321-66. O. E., JAMES, J. A. e SCHROEDER,
D. M.
An overview 01 major interspecific variation in thalamic organization, in «Brain Behavior and Ev~lution», VI, pp. 9 2 - 13 0. EBBESSON, s. o. E. e NORTHCUTT, R. G. 197 6 Neurology 01 anamniotic vertebrates, in R. B. Masterton, M. E. Bitterman, C. B. G. Campbell e N. Hotton (a cura di), Evolution 197 2
e WALL, P. D.
Effects 01 peripheral nerve injury on receptive lields 01 cells in the cat spinal cord, in «Journal of Comparative Neurology», CXCIX, pp. 227-91.
~
,--
41 8
Bibliografie
Bibliografie
of Brain and Behavior in, Vertebrates, Lawrence Erlbaum Associa-
1985d
tes, Hillsdale (N.].), pp, 115-46.
1985e
Specific cell adhesion in histogenesis and morphogenesis, in G. M. Edelman e J.-P. Thiery (a cura di), The Cell in Contact: Adhesions and ]unctions as Morphogenetic Determinants, Wiley, New York,
1985f
Molecular regulation of neural morphogenesis, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Molecular Bases ofNeural Development, Wiley, New York, pp. 35-59. Cell adhesion molecules in the regulation of animaI form and tissue pattern, in «Annual Review of Cell Biology», II, pp. 81-116. Molecular mechanisms of morphogenetic evolution, in H. Baltscheffsky, H. JOrnvall e R. Rigler (a cura di), Molecular Evolution ofLife, Cambridge University Press, Cambridge, voI. XXVI B,
The Neurophysiological Basis of Mind, Oxford University Press, Oxford.
pp. 139-68.
EDELMAN, G. M.
1973
Antibody structure and molecular immunology, in «Science», CLIII, pp. 830-4°.
1974
1975
197 6 197 8
19 81
19 8 3 • 1984a
The problem of molecular recognition by a selective system, in F. J. Ayala e T. Dobzhansky (a cura di), Studies in the Philosophy of Biology, Macmillan, Londòn, pp. 45-56. Molecular recognition in the immune and nervous systems, in F. G. Worden, ].-P. Swazey e G. Adelman (a cura di), The Neurosciences: Paths of Discovery, Mit Press, Cambridge (Mass.), pp. 65-74· Surface modulation in cell recognition and cell growth, in «Science », CICII, pp. 2 I 8-26.
1986a 1986b
pp. 36 3-75. e CHUONG, C.-M.
EDELMAN, G. M.
1982
Group selection and phasic reentrant signaling: A theory of higher brain function, in G. M. Edelman e V. B. Mountcastle, The Mindfui Brain: Cortical Organization and the Group-Selective Theory of Higher Brain Function, Mit Press, Cambridge (Mass.), pp. 51-100. Group selection as the basis for higher brain function, in F. O.
EDELMAN,
1982
Schmitt, F. G. Worden, G. Adelman eS: G. Dennis (a cura di), Organization of the Cerebral Cortex, Mit Press; Cambridge (Mass.), pp. 535-63. Celi adhesion molecules, in «Science», CCXIX, pp. 450-57.
19 84C 19 85a
198 5 b
19 85C
Embryonic to adult conversion of neural cell adhesion molecules in normal and staggerer mice, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXIX, pp. 70 3 6 -46. G. M. e REEKE, G. N. JR
Selective networks capable of representative transformation, limited generalizations, and associative memory, in «Proceedings of the Na-
tional Academy of Sciences of the United States of America», LXXIX, pp. 2°91-95. EDELMAN, G. M., GALLIN, W. J., DELOUVÉE, A., CUNNINGHAM, B. A. e THIERY, J.-P. 1983 Early epochal maps of two different cell adhesion molecules, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXX, pp. 4384-88. EDELMAN, G. M. e FINKEL, L. H. 1984 Neuronal group selection in the cerebral cortex, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Dynamic Aspects ofNeocortical Function, Wiley, New York, pp. 653-95. EDELMAN, G. M. e THIERY, J.-P. 1985 (a cura di), The Cell in Contact: Adhesions and ]unctions as Morphogenetic Determinants, Wiley, New York. EDELMAN, G. M., GALL, W. E. e COWAN, W. M. 1984 (a cura di), Dynamic Aspects ofNeocortical Function, Wiley, New York. (a cura di), Molecular Bases ofNeural Development, Wiley, New 19 85 York. (a cura di), Synaptic Function, Wiley, New York. 19 8 7a 19 87b (a cura di), Functions of the Auditory System, Wiley, New York.
Modulation of celi adhesion during induction, histogenesis, and perinatal development of the nervous system, in «Annual Review of Neuroscience», VII, pp. 339-77.
19 84b
Cell adhesion and the mo1ecular processes of morphogenesis, in «Annual Review of Biochemistry», LIV, pp. 135-69.
ECCLES, J. C.
1953
419
Celi surface modulation and marker multiplicity in neural patterning, in «Trends in Neurosciences», VII, pp. 78-&~{
Celi adhesion and morphogenesis: The regulator hypothesis, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXI, pp. 1460-64. Neural Darwinism: Population thinking and higher brain function, in M. Shafto (a cura di), How we Know: The Inner Frontiers ofCognitive Science. Proceedings of Nobel Conference XX, Harper & Row, San Francisco, pp. 1-30.
Expression of cell adhesion molecules during embryogenesis and regeneration, in «Experimental Cell Research», CLXI, pp. 1-16. Evolution and morphogenesis: The regulator hypothesis, in T. Gustafson, L. Stebbins e F. J. Ayala (a cura di), Stadler Genetics Symposium Series on Genetics, Development and Evolution, Plenum, New York, pp. 1-28.
~
,----
4 20
Bibliografie
Bibliografie 1987
EIMAS, P. D.
Speech perception: A view 01 the initial state and perceptual mechanisms, in]. Metzler, E. C. T. Walkere M. Garrett (a cura di), Perspectives on Mental Representation, Lawrence Erlbaum Associa-
1982
FISCHBACH, G. D.
K.
e SKINNER, B.
Synaptic potential recorded in cell cultures 01 nerve and muscle, in
1972
Synapse lormation between dissociated nerve and muscle cells in low density cell cultures, in «Development Biology», XXVIII,
FOSTER, M.
pp. 4 0 7- 2 9. e SHERRINGTON, C. s.
A Text Book 01 Physiology, Macmillan, London (7' ed.), parte III, p. 929.
1897 FRASER, S. E.
A note on the mythological character 01 categorization research in psychology, in «]ournal of Mind and Behavior», III, pp. 161-69.
w.
1970
«Science» CLXIX, pp. 1331-33.
EPSTEIN, R.
ESTES,
Population mleslor synapses in networks, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Synaptic Function, Wiley, New York, pp. 711-57.
tes, Hillsdale (N.].), pp. 339-60. EIMAS, P. D. e MlLLER, J. L. 1981 (a cura di), Perspectives on theStudy olSpeech, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N.].). . EIMAS, P. D., MILLERJ. L. e JUSCZYK, P. W. 1987 On inlant speech perception and the acquisition 01 language, in S. Harnad (a cura di), Categorical Perception, Cambridge University Press, New York. 19 82
Cell interaction involved in neural patterning: An experimental and theoretical approach, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Molecular Bases 01 Neural Development, Wiley,
1985
F.
Some quantitative propertù;s 01 anxiety, in «]ournal of Experimen-
1941
NewYork, pp. 481-507.
tal Psychology», XXIX, pp. 390-400. v., SHINODA, Y. e WISE, s. P.
EVARTS, E.
FRASER, S. E., MURRAY, B. A., CHUONG, C.-M.
NewYork.
FABER, D. S.
1978
Food burying in the Alrican ground squirrel, in «Zeitschrift fur Tierpsychologie», XXII, pp. 321-27. e KORN, H. (a cura di), Neurobiology 01 the Mauthnercell, Raven,New York.
FRAZZETTA,T.H.
From hopelul monsters to Bolyerine snakes, in «American Naturalist», CIV, pp. 55-72. FRIEDLANDER, D. R., GRUMET, M. e EDELMAN, G. M. 1986 Nerve growth lactor enhances expression 01 neuron-glia cell adhesion molecules in PCI2 cells, in «]ournal of Cell Biology», CII, pp. 4 1 3- 1 9. 1970
FAGAN, J. F., III
Inlants' recognition 01 invariant leatures ollaces, in «Child Deve-
1976
lopment», XLVII, pp. 627-38. 1979
FAGAN, J.
The origins ollacial pattern recognition, in M. Bor!).stein e W. Kessen (a cura di), Psychological Development /rbin Inlancy: Image to Intention, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N. ].), pp. 83- 11 3. F., III e SINGER, L. T.
FIFKOVA, E.
1977
FINKEL, L.
1985
FUSTER, J. M.
in «lnfant Behavior and Development», II, n. e VAN HARREVELD, A.
I,
Thecorticalsubstrateolmemory, in L. R. Squiree N. Butters (a cura di), Neuropsychology 01Memory, Guilford, New York, pp. 279-86.
1984 GALLlN, E.
s.
(a cura di), Developmental Plasticity: Behavioral and Biological Aspects olVariations in Development, Academic, New York. GALLlN, W. J., PREDIGER, E. A., EDELMAN, G. M. e CUNNINGHAM, B. A. 1985 Isolation 01 a cDNA clone lor the liver celi adhesion molecule (L-CAM), in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXII, pp. 2809-13. GALLlN, w. J., CHUONG, C.-M., FINKEL, L. H. e EDELMAN, G. M. 1986 Antibodies to L-CAM perturb inductive interactions and alter leather pattern and structure, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXIII, pp. 823582 39. 1981
The role 01 simple leature differences in inlant's recognition ollaces,
1979
M.
my of Sciences of the United States of America», LXXXI, pp. 4222-26.
EWER, R. F.
1965
e EDELMAN, G.
Alteration 01 the retinotectal map in Xenopus by antibodies to neural cell adhesion molecules, in «Proceedings of the National Acade-
1984
Neurophysiological Approaches to Higher Brain Functions, Wiley,
1984
4 21
pp. 39-45.
Long-lasting morphological changes in dendritic spines 01 dentate granular cellslollowing stimulation 01 the entorhinal area, in «]ournal of Neurocytology», VI, pp. 211-30. H. e EDELMAN, G. M.
Interaction 01 synaptic modification mles within populations 01 neurons, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXII, pp. 291-95.
"L
I I I
I 1
!I ~
I\ j
~
III II
I
~
!J1
1 l'
'i
~
I
IiIl
~
~
Bibliografie
4 22
Bibliografie
GALLISTEL, C. R.
19 80
1981
The Organization 01 Action: A New Synthesis, Lawrence Erlbaum
Associates, Hillsdale (N. J.).
A conditioned aversion towards saccharin resultingfrom exposure to gamma radiation, in «Science», CXXII, pp. 157-59·
GARCIA, J., CLARKE, J. e HANKINS,
1973
GLEITMAN, L. R.
1984
w. G.
GOODMAN, c. s., PEARSON, K. G. e HEITLER,
1979
Axial diflerences in the reinnervation 01 the goldfish optic tectum by regenerating optic nerve fibers, in «Experimental Brain Research», X, pp. 171-81.
1979
(a cura di), Models 01 the Structural-Functional Organization 01 Certain Biological Systems, Mit Press, Cambridge (Mass.).
GOULD,]. L.
1982 1984
On reaching, in «Annual Review of Neuroscience», IX, pp. 147The representation 01 movement direction in the motor cortex: Single cell and population studies, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Dynamic Aspects 01 Neocortical Function,
GOULD, s.].
Wiley, New York, pp. 501-24.
GRANIT, R.
1977
19 67
Neuronal population coding 01 movement direction, in «Science»,
Tritonia swimming: A model system lor integration within rhythmic motor systems, in A. L Selverston (a cura di), Model Neural Networks and Behavior, Plenum, New York, pp. 3- 20 .
Continuous nerve celi renewal in the olfactory system, in M. Jacobson (a cura di), Handbook 01 Sensory Physiology, Springer-Verlag, Berlin, voI. IX, pp. 55-83.
1979a
Neurogenesis and neuron regeneration in the olfactory system 01 mammals, I. Morphological aspects 01 differentiation and structural organization 01 the olfactory sensory neurons, in «Journal of Neurocytology», VIII, pp. 1-18.
Categories, life and thinking, in «Behavioral and Brain Sciences »,
1979b
IV, pp. 269-313. GIBSON, J. J.
1979
The Ecological Approach to Visual Perception, Houghton Mifflin,
Neurogenesis and neuron regeneration in the olfactory system 01 mammals, II. Degeneration and reconstitution 01 the olfactory sensory neurons alter axotomy, ivi, pp. 197-213.
GRAZIADEI, P. P. C. e TUCKER, D.
Boston.
1970
GILBERT, c. D. e WIESEL, T. N.
1979
Charles Scott Sherrington: An Appraisal, Doubleday, New York.
1978 i
GHISELlN, M. T.
19 8 I .
Ontogeny and Phylogeny, Harvard University Press, Cambridge
GRAZIADEI, P. P. c. e MONTI GRAZIADEI, G. A.
CCXXXIII, pp. 1416-19.
19 85
Ethology and the natural history ollearning, in P. Marler e H. S. Terrace (a cura di), The Biology 01 Learning, Springer-Verlag, Betlin, pp. 47-74.
(Mass.).
GEORGOPOULOS, A. P., SCHWARTZ, A. B. e KETTNER, R. E.
GETTING, P. A. e DEKIN, M. S.
Ethology, Norton, NewYork.
GOULD, J. L. e MARLER, P.
GEORGOPOULOS, A. P., KALASKA,J. F., CRUTCHER, M. D., CAMINITI, R. eMASSEY,J.
19 86
Comparative psychology and ethology, in E. Hearsted (a cura di), The First Century 01 Experimental Psychology, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N. J.), pp. 147-71.
17°·
19 84
w.].
01 identiliedneurons in grasshoppers, in «Comparative
GOTTLlEB, G.
GEORGOPOULOS,A.P.
19 86
Variability
Biochemistry and Physiology», LXIV A, pp. 455-62.
GELFAND,1. M., GURFINKEL, V. S., FOMIN, S. V. e TSETLlN, M. L.
197 1
Biological predispositions to learn language, in P. Marler e H. S. Terrace (a cura di), The Biology 01 Learning, Springer-Verlag, Berlin, pp. 553-84.
Natural responses to scheduled rewards, in P. G. Bateson e P. KIopfer (a cura di), Perspectives in Ethology, Plenum, New York, voI. I, pp. 1-41.
GAZE, R. M. e SHARMA, S. C.
197 0
Laminar specializations and intracortical connections in cat primary visual cortex, in F. O. Schmitt, F. G. Worden, G. Adelman eS. G. Dennis (a cura di), The Organization 01 the Cerebral Cortex, Mit Press, Cambridge (Mass.), pp. 163-91.
GARCIA, J., KIMELDORF, D. J. e KOELLlNG, R. A.
1955
42 3
Morphology and intracoriical pro;ections ollunctionally characterized neurons in the cat visual cortex, in «Nature», CCLXXX,
Vomeronasal receptors in turtles, in «Zeitschrift fiir Zellforschung und Mikroskopische Anatomie», CV, pp. 498-514.
GREENBERG, M. E., BRACKENBURY, R. e EDELMAN, G. M.
1984
pp. 120-25.
~.
Alteration 01 neural celi adhesion molecule (N-CAM) expression after neuronal celi translormation by Rous sarcoma virus, in «Procee-
42 4
Bibliografie
Bibliografie
dings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXI, pp. 969-73.
197 0b HALPERN, M.
Introduction, in I. M. Gelfand, V. S. Gurfinkel, S. V. Fomin e M. L. Tsetlin (a cura di), Models 01 the Structural-Functional Organization 01 Certain Biological Systems, Mit Press, Cambridge (Mass.),
197 6
HAMBURGER, V.
GREENGARD, P. e KUO, J. F.
19 6 3
On the mechanism 01 action 01 cyclic AMP, in «Advances in Biochemical Psychopharmacology», III, pp. 287-306. (a cura di), AnimaI Mind - Human Mind, Springer-Verlag, Berlin (trad. it. di L. Sosio, Cosa pensano gli animali, Laterza, Roma-Bari 1986).
19 68
Emergence 01 neroous coordination: Origins 01 integrated behavior,
197 0
in «Developmental Biology», II (supplemento), pp. 25 1 -71. Embryonic motility in vertebrates, in F. O. Schmitt (a cura di), The Neurosciences: Second Study Program, Rockefeller University Press, New York, pp. 141-51.
GRILLNER, s.
1975 1977
Locomotion in vertebrates: CentraI mechanisms and rellex interaction, in «Physiological Reviews», LV, pp. 247-304. On the neural control 01 movement. A comparison 01 basic rbythmic behaviors, in G. S. Stent (a cura di), Function and Formation 01 Neural Systems, Springer-Verlag, New York, pp. 197-224.
1975
Celi death in the development 01 the lateral motor column 01 the chick embryo, in «Journal of Comparative Neurology», CLX,
19 80
S. Ram6n y Ca;al, R. G. Harrison and the beginnings 01 neuroembryology, in «Perspectives in Biology and Medicine», XXIII,
pp. 535-4 6 .
GRILLNER, S., MCCLELLAN, A., SIGVARDT, K., WALLEN, P. e WILLIAMS, T.
1982
pp. 600-16.
On the neural generation 01 "fictive locomotion" in a lowervertebrate neroous system "in vitro ", in B. Sjolund e A. Bjorklund (a cura di), Brain Stem Control 01 Spinal Mechanisms, Elsevier, Amster-
HARRIS, P.
198 3
dam, pp. 273-95. GRUMET, M. e EDELMAN, G. M.
1984
Heterotypic binding between neuronal membrane vesicles and glia I cells is mediated by a speci/ic neuron-glia celi adhesion molecule, in
19 82
Polypeptide components and bindinglunctions 01 neuron-glia celi adhesion molecules, in «Proceedings of the''National Academy of
HARRISON, R. G.
1935
Sciences of the United States of America», LXXXI, pp. 7989-93. GRUMET, M., HOFFMAN, S., CROSSIN, K. L. e EDELMAN, G. M.
HATTA, K., OKADA, T. s. eTAKEIcHI, M.
19 85
HAAS, H. L. e KONNERTH, A.
Histamine and noradrenaline decrease calcium-activated potassium conductance in hippocampal pyramidal cells, in «Nature», CCCII,
A monoclonal antibody disrupting calcium-dependent cell-cell adhesion 01 brain tissues: Possible role 01 its target antigen in animaI pattern lormation, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXII, pp. 27 892793·
pp. 43 2-34.
HAWKINS, R. D., ABRAMS, T. W., CAREW, T.
HALL, W. C. e EBNER, F. T.
1970a
On the origin and development 01 the neroous system studied by the methods 01 experimental embryology, in «Proceedings of the Royal Society of London B. Biological Sciences », CXVIII, pp. 155-96.
Cytotactin, an extracellular mamx protein 01 neural and non-neural tissues that mediates glia-neuron interaction, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXII, pp. 8075-79.
1983
An overview 01 kinetic theory in developmental modeling, in S.Subtelnye P. P. Green (a cura di), DevelopmentalOrder, Alan R. Liss, New York, pp. 3-33.
GRUMET, M., HOFFMAN, S., CHUONG, C.-M. e EDELMAN, G. M.
1985
Inlantcognition, in P. Mussen e M. Haith (a cura di), Handbook 01 Child Psychology: Inlancy and Developmental Psychobiology, Wiley, New York (4" ed.), voI. II, pp. 689-782.
HARRISON, L. G.
«Journal of Cell Biology», XCVIII, pp. 1746-56. 1984
Some aspects 01 the embryology 01 behavior, in «Quarterly Review of Biology», XXXVIII, pp. 342-65.
GRIFFIN, D. R.
1982
The efferent connections 01 the olfactory bulb and accessory olfactory bulb in the snake Thamnophis sirtalis and Thamnophis radix, in «Journal of Morphology», CL, pp. 553-78.
pp. XI-XXV. 197 o
Thalamo-telencephalic pro;ections in the turtle (Pseudemys scripta), in «Journal ofComparative Neurology», CXL, pp. 101-22.
GREENE,P.H.
1971
42 5
19 83
Parallels in the visual allerent pro;ection 01 the thalamus in the hedgehog (Parechinus hypomelas) and the turtle (Pseudemys scripta), in «Brain Behavior and Evolution», III, pp. 135-54.
J. e KANDEL, E. R.
A cellular mechanism 01 classical conditioning in Aplysia - Activitydependent amplilication 01 pre-synaptic lacilitation, in «Science», CCXIX, pp. 400-5.
I
fili
11
i'IiI
Il, [iii'
'I
Il::
~
1:1 1;11
426
Bibliografie
Bibliografie
HAYEK, F. A.
1952
HERRNSTEIN, R.
The Sensory Order: An Inquiry into the Foundations ofTheoretical Psychology, University of Chicago Press, Chicago (2" ed. Midway
1979
1976).
1982
HEAD, H.
1920
Studies in Neurology, Hodder & Stoughton, London, voI. II. 1985
HEARST, E. eJENKINS, H. M.
1974
Sign-Tracking: The Stimulus-Reinforcer Relation and Directed Action, Psychonomic Society, Austin (Tex.).
19 80
1964
The Organization ofBehavior: A Neuropsychological Theory, Wiley, New York (trad. h. di R. Grande, L'organizzazione del comportamento. Una teoria neuropsicologica, Angdi, Milano 1975)· Essay on Mind, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale, N. ]. (trad. it. Mente e pensiero, a cura di G. Farabeghi, il Mulino, Bo-
1976
1980
Elaborations on Hebb ce!! assembly theory, in]. Orbach (a cura di), Neuropsychology after Lashley, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N. J.), pp. 483-96.
1980
Beitriige zur Structur der Nervenzellen und ihrer Fortsiitze. Zweite Abhandlung, in «Archiv fiir Anatomie und Physiologie, Anatomi-
HEMPERLY,
1986a
1952
Beitriige zur Struktur der Nervenzellen und ihrer Fortsiitze. Dritte Abhandlung, ivi (supplemento), pp. 273-312.
A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve, in «Journal of Physiology. London», CXVII, pp. 500-44.
HOFFMAN, s., SORKIN, B. c., WHITE, P. c., BRACKENBURY, R., MAILHAMMER, R., RUTISHAUSER, U., CUNNINGHAM, B. A. e EDELMAN, G. M.
Exposure-history as a factor in maintaining stability of perception and coordination, in «Journal of New Mental Disorders», CXXXII,
1982
Chemical characterization of a neural celI adhesion molecule purified /rom embryonic brain membranes, in «Journal of Biological Chemistry», CCLVII, pp. 7720-29.
Plasticity in sensory motor systems, in «Scientific American», CCXIII, n. 5, pp. 84-94· J. J., EDELMAN, G. M. e CUNNINGHAM, B. A. cDNA clones of the neural ce!! adhesion molecule (N-CAM) lacking a membrane-spanning region consistent with evidence for membrane attachment via a phosphatidylinositol intermediate, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXIII, pp. 9822-26.
HOFFMAN, S. e EDELMAN, G. M.
1983
Kinetics of homophilic binding by E and A forms of the neural cell adhesion molecule, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXX, pp. 5762-66.
HOFFMAN, s., CHUONG, C.-M. e EDELMAN, G. M.
1984
Evolutionary conservation of key structures and bindingfunctions of neural cell adhesion molecules, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXI, pp. 6881-85.
HEMPERLY, J. J., MURRAY, B. A., EDELMAN, G. M. e CUNNINGHAM, B. A.
1986b
(a cura di), The Development of the Vertebra te Limb, Clarendon, Oxford. .
HODGKIN, A. L. e HUXLEY, A. F.
pp. 26-3 2. 1965
Fish as a natural category for people and pigeons, in G. H. Bower (a cura di), The Psychology of Learning and Motivation, Academic, New York, voI. XIV, pp. 59-95.
HINCHLIFFE, J. R. e JOHNSON, D. R.
HELD, R.
1961
Natural concepts in pigeons, in «Journal of Experimental Psychology: Animal Behavior Processes », II, pp. 285-30 l.
HERRNSTEIN, R. J. e DE VILLIERS, P. A.
sche Abteilung», pp. 204-94.
1897b
Complex visual concept in the pigeon, in «Science», XLVI,
HERRNSTEIN, R. J., LOVELAND, D. e CABLE, C.
HELD, H.
1897a
in «Jourrtal of Experimental Psychology: AnimaI Behavior Processes», V, pp. II6-29. Stimuli and the texture of experience, in «Neuroscience and Biobehavioral Reviews», VI, pp. 105-17. Riddles of natural categorization, in «Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. Biological Sciences», CCCVIII, pp. 12 9-44.
pp. 549-51.
logna 1982). 19 82
J.
Acquisition, generalization, and discrimination of a natural concept,
HERRNSTEIN, R. J. e LOVELAND, D.
HEBB, D. O.
1949
427
Sequence of a cDNA clone encoding the polysialic acid-rich and cytoplasmic domains of the neural cell adhesion molecule N-CAM, in
HOFFMAN, S., FRIEDLANDER, D. R., CHUONG, C.-M., GRUMET, M. e EDELMAN, G. M.
1986
«Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXIII, pp. 3037-41.
Differential contributions of Ng-CAM and N-CAM to cell adhesion in different neural regions, in «Journal of Celi Biology», CIII, pp. 145-5 8 .
~
Bibliografie
42 9
Bibliografie
4 28
JACKSON, J. H.
I93 I
HOLTFRETER, J.
Gewebeaffinitiit, ein Mittel der embryonalen Formbildung, in «Ar-
1939
Hodder & Stoughton, London.
chiv fur Experimentelle Zellforschung», XXIII, pp. 169- 209. Signijicance oj the cell membrane in embryonic processes, in «Annals of the New York Academy of Sciences», XLIX, pp. 70 9-60 .
194 8
JACOBSON, A. G.
I966
pp. 25-35·
Interneurons: Their Origins, Action, Specificity, Growth, and Plasticity, Freeman, London.
HUANG, L.-Y. M., MORAN, N.
HUBEL, D.
I95 0
e EHRENSTEIN, G.
Batrachotoxin modifies the gating kinetics oj sodium channels in internally per/used neuroblastoma cells, in «Procedings of the Natio-
19 82
1985
1979
1984
Functional architecture oj macaque monkey visual cortex, in «Proceedings of the Royal Society of London B. Biological Sciences», CXCVIII, pp. I-59· L., DELACOUR, A. H., GREENGARD, P. e HESS, G. P.
1967
Principles ojBehavior, Appleton-Century-Crofts, New York. A Behavior System, Yale University Press, New Haven.
1986
1985
v.
JOHNSON, M., ROSS, D. M., MYERS, M., REES, R., BRUGE, R., WAKSHALL, E. BURTON, H.
1976
e OWENS, B. B. Diversity among Purkin;e cells in the monkey cerebellum, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXII, pp. 7 13 1-35.
M., OGREN, M. P., CHALOT, C. L., GASSELO, J. M.
1975
Varieties and distribution oj non-pyramidal cells in the somatic sensory cortex 01 the squirrel monkey, in «Journal of Comparatiye
198 1
Anatomy oj cerebral cortex: Columnar input-output organization, in
Neurology», CLX, pp. 205-68. F. O. Schmitt, F. G. Worden, G. Adelman e S. G. Dennis (a cura di), The Organization oj the Cerebral Cortex, Mit Press, Cambridge (Mass.), pp. 199-236.
ITO,M.
19 84 19 82
Synaptic vesicle cytochemistry changes when cultured sympathetic neurons develop cholinergic interactions, in «Nature», CCLXII, pp. 308-10.
e PRIBRAM, K. H. (a cura di), The Hippocampus, voI. II. Neurophysiology and Behavior, Plenum, New York.
The Cerebellum and Neural Control, Raven, New York.
!TO, M., SAKURAI, M.
e
JONES, E. G.
ISAACSON, R. L.
1975
e ONO, K.
Double-labeled metabolic maps 01 memory, in «Science», CCXXXIII, pp. II67-75.
The natural history oj bird learning, in P. Marler e H. S. Terrace (a cura di), The Biology oj Learning, Springer-Verlag, New York, pp. 27 1 - 88 .
INGRAM,
200-5·
JOHN, E. R., TANG, Y., BRILL, A. B., YOUNG, R.
IMMELMANN, K.
19 84
Antibodies and learning: Selection versus instruction, in G. C. Quarton, T. Melnechuk e F. O. Schmitt (a cura di), The Neurosciences: A Study Program, Rockefeller University Press, New York, pp.
HULL,C. L.
1943 195 2
n, pp. 177-228.
The study ojanimallearning in the tradition oj Pavlov and Thorndike, in P. Marler eH. S. Terrace (a cura di), The Biology olLearning, Springer-Verlag, Berlin, pp. 89-II4.
JERNE, N. K.
Phosphorylation oj the nicotinic acetykholine receptor regulates its rate oj desensitization, in «Nature», CCCXXI, pp. 774-7 6 .
19 86
Animallearning and behavior theory, in E. Hearst (a cura di), The First Century oj Experimental Psychology, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N.
pp. 4 1 9-3 6 .
HUGANIR, R.
The Brain Machine: The Development oj Neurophysiological Thought, Harvard University Press, Cambridge (Mass.).
JENKINS, H. M.
The period oj susceptibility to the physiological ejjects oj unilateral eye closure in kittens, in «Journal of Physiology. London», CCVI,
1977
The Principles oj Psychology, Dover, New York (edizione autorizzata basata sulla pubblicazione originale di H. Holt, 2 volI., 1890; trad. it. parziale di G. Preti, Principi di psicologia, Principato, Milano 1950).
JEANNEROD, M.
nal Academy of Sciences of the United States of America», LXXIX, pp. 2082-85. H. e WIESEL, T. N.
197 0
Inductive processes in embryonic development, in «Science», CLII,
JAMES, W.
HORRIDGE, G. A.
19 68
Selected Writings oj fohn Hughlings fackson, a cura di J. Taylor,
e TONGROACH, P.
JONES, E. G., BURTON, H.
Climbingfiber-induced depression oj both mossy fiber responsiveness and glutamate sensitivity oj cerebellar Purkin;e cells, in «Journal of
1975
.
Physiology. London», CCCXXIV, pp. II3-34·
~
e PORTER, R.
Commissural and cortico-cortical "columns" in the somatic sensory cortex ojprimates, in «Science», CXC, pp. 572-74.
~ ,l
III;;;;
......,
Bibliografie
43 0
Toward an axiomatic theory of preattentive vision, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Dynamic Aspects of Neocortical Function, Wiley, New York, pp. 5 85- 612 .
KOHONEN, T.
1977
JUSCZYK, P. W.
19 81
The processing of speech and non-speech sounds by infants: Some implications, in R. N. Aslin, J. R. Alberts e M. R. Petersen (a cura di), Development of Perception, Academic, New York, voI. I,
1978
JUSCZYK, P. W., ROSNER, B. S., CUTTING, J. E., FOARD, C. F. e SMITH, L. B.
1984
Categorical perception of nonspeech sounds by 2-month-old infants, in «Perception and Psychophysics», XXI, pp. 50-54· (a cura di), The Nature ofThought: Essays in Honor ofD. O. Hebb, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N. J.).
1976
Discrimination of relative onset time of two-component tones by infants, in «Journal of the Acoustic Society of America», LXVII,
1981
JUSCZYK, P. W., PISONI, D. B., REED, M. A., FERNALD, A. e MYERS, M.
Infants' discrimination of the duration of a rapid spectrum change in nonspeech signals, in «Science», CCXXII, pp. 175-77·
1985
The reorganization of somatosensory cortex following pheripheral nerve damage in adult and developing mammals, in «Animal Review 1985
Selective attention and conditioning, in N. J. Mackintosh e W. K. Horing (a cura di), Associative Learning, Dalhousie University 1981 .
Cellular Basis ofBehavior, Freeman, San Francisco. Calcium and the control of synaptic strength by learning, in «Natu-
Devolopmental arborization of sensory neurons in the leech Haementeria ghilianii, I. Origin of natural variations in the branchingpattern,
Developmental arborization of sensory neurons in the leech Haementeria ghilianii, II. Experimentally induced variations in the branching pattern, in «Journal of Neuroscience», V, pp. 768-75. Perceptual Organization, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N.].).
KUHL, P. K. e MILLER, J. D.
re», CCXCIII, pp. 697-7 00 .
1975
KELLMAN, P. J. e SPELKE, E. s.
Perception of partly occluded objects in infancy, in «Cognitive Psy-
1978
chology», XV, pp. 483-524.
Speech perception in the chinchilla: Voice-voiceless distribution in alveolarplosiveconsonants, in «Science», CXC, pp. 69-72. Speech perception by the chinchilla: Identification function for synthetic VOT stimuli, in «Journal of the Acoustic Society of America», LXIII, pp. 905-17.
KELSO, J. A. S. e TULLER, B.
A dynamical basis for action systems, in M. S. Gazzaniga (a cura di), Handbook of Cognitive Neuroscience, Plenum, New York,
KUPFERMANN, l.
1979
pp. 3 21 -5 6 . KOCH, c., POGGIO, T. e TORRE, V.
19 83
First somatosensory cortical columns and associated neuronal clusters of nucleus ventralis posterolateralis of the cat: An anatomical demonstration, in «Journal of Comparative Neurology», CXCVIII,
KUBOVY, M. e POMERANTZ, J. R.
KANDEL, E. R.
19 84
Morphological aspects of polyneuronal innervation of skeletal muscle fibres in newborn rats, in «Joumal of Neurocytology», V, pp. 591-
in «Journal of Neuroscience», V, pp. 759-67.
Press, Halifax, pp. 4 2 - 6 4.
19 83
A logical basis for single neuron study of learning in complex neural systems, in P. Marler e H. Terrace (a cura di), The Biology ofLearning, Springer-Verlag, Berlin, pp. 311-24.
KRAMER, A. P. e STENT, G. s.
KAMIN, L. J.
197 6 19 81
Ill
pp. 5 15-39.
of Neuroscience», VI, pp. 3 2 5-5 6 . 19 69
num, New York, pp. 105-18.
KRAMER, A. P., GOLDMAN,J. R. e STENT, G. s.
KAAS, J. H., MERZENICH, M. M. e KILLACKEY, H. P.
19 83
illl
KOSAR, E. e HAND, P. J.
pp. 262-70. 19 83
Auditory environment and vocal development in birds, in R. D. Walk e H. L. Pick jr (a cura di), Perception and Experience, Ple-
604·
JUSCZYK, P. W., PISONI, D. B., WALLEY, A. e MURRAY,J.
19 80
illl
KORNELIUSEN, H. e]ANSEN,]. K. S.
JUSCZYK, P. W. e KLEIN, R. M.
19 80
Associative Memory: A System-Theoretical Approach, SpringerVerlag, Berlin.
KONISHI, M.
pp. 19 2-21 5. 1977
43 1
Academy of Sciences of the United States of America», LXXX, . pp. 2799-802 .
;
JULESZ, B.
19 8 4
Bibliografie
Modulatory actions of neurotransmitters, in «Annual Review of Neuroscience», II, pp. 447-65.
LAMPORT, L.
Nonlinear interactions in a dendritic tree: Localization, timing, and role in information processing, in «Proceedings of the National
1978
~
Time, clocks, and the ordering of events in a distributed system, in
'Il 1 1I
Ili
:
"1"1
Il liiil
h
43 2
Bibliografie
Bibliografie
«Communications of the Association for Computing Machinery», XXI, pp. 558-65.
LINDNER,J., RATHJEN, F. G. e SCHACHNER, M.
Monoclonal and polyclonal antibodies modify cell-migration in early postnatal mouse cerebellum, in «Nature», CCCV, pp. 427-30.
1983
LANDRY, P. e DESCHENES, M.
19 8 I
Intracortical arborizations and receptive fields of identified ventrobasal thalamocortical afferents to the primary somatic sensory cortex in the cat, in «Journal of Comparative Neurology», CXCIX,
l
I Il 1II
,1
11I 1
LOCURTO, C., TERRACE, H. S. e GIBBONS, J.
«Brain Research», CCXXXVII, pp. 222-26.
(a cura di), Autoshaping and Conditioning Theory, Academic, New York.
198 I
LASHLEY, K. S.
In search of the engram, in «Symposium of the Society for Experimental Biology», IV, pp. 454-82 (trad. it. di G. Gabella, Alla ricerca dell'engramma, in Lafisica della mente, a cura di V. Somenzi,
I~
1
11
~~
LORENTE DE NO, R.
1938
Boringhieri, Torino 1969). 1979
Il'
my of Sciences of the United States of America», LXXIII, pp. 29 18-22.
Geometry and orientation of thalamocortical arborizations in the cat somatosensory cortex as revealed by computer reconstruction, in
LASKIN, s. E. e SPENCER,
~
Presynaptic calcium currents and their relation to synaptic transmission: Voltage clamp study in squid giant synapse and theoretical modelfor thecalcium gate, in «Proceedings of the National Acade-
1976
LANDRY, P., VILLEMURE, J. e DESCHENES, M.
195 0
I
LLINAS, R., STEINBERG, 1. z. e WALTON, K.
pp. 345-71. 19 82
433
w. A.
Cutaneous masking, II. Geometry of excitatory and inhibitory receptive fields of single units in somatosensory cortex of the cat, in «Jour-
!I I I,
Cerebral cortex: Architecture, intracortical connections, motor pro}ections, in]. F. Fulton (a cura di), Physiology of the Nervous System, Oxford University Press, New York, pp. 291-339.
I
III I
11
,1
1983
nal of Neurophysiology», XLII, pp. 1061-82.
N euronal group selection and the evolution of hominid cranial capacity, in «Journal of Human Evolution», XII, pp. 169-84.
1982
LYNCH, G. S., GRIBKOFF, v. K. e DEADWYLER, s. A.
The Neural Crest, Cambridge University Press, Cambridge.
1976
LEE, K. J. e WOOLSEY, T. A.
1975
A proportional relationship between peripheral innervation density and cortical neuron number in the somatosensory system of the mouse, in «Brain Research», XCIX, pp. 349-53·
LYNCH, G. s., DUNWIDDIE, R. e GRIBKOFF, v.
1977
LEWONTIN, R.
1968
1982
LEYTON, A. s. F. e SHERRINGTON, c. s.
Observations on the excitable cortex of the chimpanzee, orangutan, and gorilla, in «Quarterly Journal of Experimental Physiology»,
1984
11'1 , 1
Il'1 l'1'1 1
1
1
1',1'1
II1
liI!lll:
I I'l'I' l
11111i,
I l'I II"~~ ,11'
Il
III:'
,I
I
,','",
II~~ l
ijll il~1
' l' I"
II~; 1
'1'11 1 ",1
LYTHGOE, J. N.
Language codes and memory codes, in A. W. Melton e E. Martin (a cura di), Coding Processes in Human Memory, Winston & Sons,
1979
The Ecology ofVision, Clarendon, Oxford.
1
1
"1 '11', 1 111
'111I1I1 '1 :
1
. Washington (D. C.), pp. 307-34.
MACAGNO, E. R., LOPRESTI, V. eLEVINTHAL, c.
Phonetic perception, in R. Held, H. W. Leibowitz e H. L. Teuber (a cura di), Handbook of Sensory Physiology, voI. VIII. Perception,
Structure and development of neuronal connections in isogenic organisms: Variations and similarities in the optic system ofDaphnia magna, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the
Springer-Verlag, New York, pp. 143-78 .
United States of America», LXX, pp. 57-61.
1973
LIBERMAN, A. M. e STUDDERT-KENNEDY, M.
MACARTHUR, R. e WILSON, E. o.
LIEM, K. F.
1974
The biochemistry of memory: A new and specific hypothesis, in «Science», CCXXIV, pp. 1057-63.
LIBERMAN, A. M., MATTINGLY, 1. G. e TURVEY, M. T.
197 8
Effects of high-frequency synaptic stimulation on glutamate receptor binding studied with a modified in vitro hippocampal slice preparation, in «Brain Research», CCXLIV, pp. 101-1 lo
LYNCH,G.s.eBAUDRY,M.
XI, pp. 135-222. 197 2
Heterosynaptic depression: A post-synaptic correlate of long-term potentiation, in «Nature», CCLXVI, pp. 737-39.
LYNCH, G. s., HALPAIN, S. e BAUDRY, M.
Population Biology and Evolution, Syracuse University Press, Syracuse.
19 17
Long-tenn potentiation is accompanied by a reduction in dendritic responsiveness to glutamic acid, in «Nature», CCLXIII, pp. 151-53.
1
1
I
LE DOUARIN, N. M.
1
11
LUMSDEN, c.
Evolutionary strategies and morphological innervations: Cichlid pharyngeal jaws, in «Systematic Zoology», XXII, pp. 4 25-41.
1967
The Theory of Island Biogeography, Princeton University Press, Princeton.
~II'I~ l/t ~~I 1'1'
1
111 "'1
1,, '1 1
1
'I!I 'I I:I,I
,~~
1111 '11"11 11111,111
~~i il:lllll:
1
~
11 1'
I~rul
1"11
"!IIII Ili
434
Bibliografie
Bibliografie
MACKAY, D. M.
1970
1976a
Press, New York, pp. 303-16.
MASTERTON, R. B., HODOS, W.
1976b
Conditioning and Associative Learning, Clarendon, Oxford.
MACMILLAN, N. A., KAPLAN, H. L.
1977
e CREELMAN, C.
D.'
1982
view», LXXXIV, pp. 452-71.
1982
E.
Quantitative description 01 stimulation-induced changes in transmitter release at the frog neuromuscular ;unction, in «Journal of General Physiology», LXXX, pp. 613-38. e EISEN, J. s.
MARDER, E. E., HOOPER, S. L.
1987
Multiple neurotransmitters provide a mechanism lor the production 01 multiple outputs Irom a single neuronal circuit, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Synaptic Function,
19 82
MARLER, P.
Avian and primate communication: The problem 01 natural categories, in «Neuroscience and Biobehavioral Reviews», VI, 1982
Springer-Verlag, Berlin, pp. 289-3°9. e DOOLlNG, R.
Innate programs lor perceptual development: An ethological view, in E. S. Gallin (a cura di), Developmental Plasticity: Behavioral and Biological Aspects 01 Variations in Development, Academic, New
1972
MARLER, P.
1984
e TERRACE, H. S.
(a cura di), The Biology 01 Learning, Springer-Verlag, Berlin.
19 8 3a
A theory 01 cerebellar cortex, in «Journal of Physiology. London», Vision: A Computational Investigation into the Human Representation and Processing olVisual Inlormation, Freeman, San Francisco.
19 8 3 b
MASON, W. A .
. 1968
Night Thoughts 01 a Classical Physicist, Harvard University Press, Cambridge, Mass. (trad. it. di F. Salvatorelli, Pensieri notturni di un lisico classico, Editori Riuniti, Roma 1989).
'lt: lillllj Il 11 "11
l'I! I, 11 11;,11
[
l
II
Il!lli'!I. 1111 "'1'
1/Iii !;I Il 1
11 ;11 1 :. ,1
' 11 Il'1 '1 \,,., 11
Early social deprivation in the non-human primates: Implications lor human behavior, in D. C. Glass (a cura di), Environmental In/luences, Rockefeller University Press, New York, pp. 70-100.
IIIIII,!"II
l i :1I:I!II;
I'III'II!II '[III,!'' /l II'.'
[
li.I I "1.
1 ;
I
1 ,1",
11 1
III;[!II;!,;I,',!
Topographic reorganization 01 somatosensory cortical areas}b and I in adult monkeys lollowing restricted deafferentation, in «Neuro-
e MIDDLEBROOKS, J.
111
1 1 1 '
Il:illl(:'11
Progression 01 change lollowing median nerve section in the cortical representation 01 the hand in areas }b and I in adult owl and squirrel monkeys, ivi, X, pp. 639-65.
MERZENICH, M. M., JENKINS, W. M.
1984a
"11'
',l',!';II' 1 l'I! 'I
Inlant discrimination olorientation, in «Journal of Experimental
science», VIII, pp. 33-55.
CCII, pp. 437-70. 19 82
1
'1"1 III:I:;!
D.J.
MARR, D.
196 9
The Growth 01 Biological Thought: Diversity, Evolution, and Inheritance, Harvard University Press, Cambridge (trad. it. Storia del pensiero biologico, a cura di P. Corsi, Bollati Boringhieri, Torino
Child Psychology», XIV, pp. 151-64. MCGURK, H. e MACDONALD, J. 1976 Hearing lips and seeing voices, in «Nature», CCLXIV, pp. 746-48. MERZENICH, M. M., KAAS, J. H., WALL, J. T., NELSON, R. J., SUR, M. e FELLEMAN,
York, pp. 135-72.
'III
!1111'!1
MCGURK, H.
MARLER, P., ZOLOTH, S.
198 I
1
'/lllli : :
MCCORMMACH, R.
Song learning: Innate species diflerences in the learning process, in P. MarIer e H. S. Terrace (a cura di), The Biology 01 Learning,
1
'.., '1. .':1
Where does Sherrington's "muscular sense" originate? Muscles, joints, corollary discharges?, in «Annual Review of Neuroscience»,
1990).
pp. 87-94· 19 8 4
I[!, I :'11 1
MAYR, E.
Wiley, New York, pp. 3°5-27. 19 82
II
l
V, pp. 189-218. MATTINGLY, I. G. e LlBERMAN, A. M. 1987 Specialized perceiving systems lor speech and other biologically signilicant sounds, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a ,cura di), Functions 01 the Auditory System, Wiley, New York. MAUNSELL, J. H. R. e VAN ESSEN, D. C. 1983 The connections 01 the middle temporal visual area (MT) and their relationship to a cortical hierarchy in the macaque monkey, in «Journal of Neuroscience», III, pp. 2563-86.
Brain and Intelligence in Vertebrates, Clarendon, Oxford. e ZENGEL,J.
e JERISON, H.
Evolution, Brain and Behavior: Persistent Problems, Lawrence ErI-
MATTHEWS, P. C.
The psychophysics 01 categorical perception, in «Psychological Re-
MAGLEBY, K. L.
,il:
baum Associates, Hillsdale (N. J.).
MACPHAIL, E. M.
1982
e HOTTON, N. (a cura di), Evolution 01 Brain and Behavior in Vertebrates, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N. J.).
MASTERTON, R. B., BITTERMAN, M. E., CAMPBELL, C. B. G.
Perception and brainfunction, in F. O. Schmitt (a cura di), The Neurosciences: Second Study Program, Rockefeller University
MACKINTOSH, N. J.
1983
435
C.
Observations and hypotheses on special organizationalleatures 01 the centrai auditory nervous system, in G. M. Edelman, W. E. Gall e
l'I'III,illi!
, Il,"1,"
1 ',
11
./1!,lllllil!: lil!,I,llill
il'llilll!III,1 ,.!III.'II,.III'!!1 1/11,11111111:
___ o
Il,1111111:11111
Bibliografie
Bibliografie
43 6
MOBBS, C.
W. M. Cowan (a cura di), Dynamic Aspects of Neocortical Func' tion, Wiley, New York, pp. 397-4 24. MERZENICH, M. M., NELSON, R. J., STRYKER, M. P., CYNADER, M., SCHOPPMAN, A.
1982
MORGAN,
1896 1899 1930
Cerebellar granule cells in normal and neurological mutants of mice, in «Advances in Cellular Neurobiology», I, pp. 179-8 5. e SMITH, D. M.
1977
In vitro behavior of granule cellsfrom staggerer and tl,!eaver mutants of mice, in «Brain Research», CXXX, pp. 13- 23.
c., STEINMETZ, M. A., DUFFY, C. J. e MOUNTCASTLE, V. B. The functional properties of parietal visual neurons: The mechanisms of directionality along a single axis, in «Journal of Neuroscience», VII, pp. 154-76. MOUNTCASTLE, v. B. 1978 An organi:dng principle for cerebral function: The unit module and the distributed system, in G. M. Edelman e V. B. Mountcastle (a cura di), The Mindful Brain: Cortical Organization and the Groupselective Theory ofHigher Brain Function, Mit Press, Cambridge (Mass.), pp. 7-50.
Mapping the normal and regenerating retino-tectal pro;ection of goldfish with autoradiographic methods, in «Journal of Comparative
19 83
Intrinsic organization of the cats' mediai geniculate body identified by pro;ections to binaural response. Specific bands in the primary auditory cortex, in «Journal of Neuroscience», III, pp. 2°3- 24. MILLER, c. L., YOUNGER, B. A. e MORSE, P. A. 19 82 The categorization of male and female voices in infancy, in «Infant
MOUNTCASTLE, V. B., LYNCH, J. C., GEORGOPOULOS, A. P., SAKATA, H.
1975
Behavior and Development», V, pp. 144-59·
The Nature and Development of Animai Intelligence, T. Fisher Un-
1984
MILNER, B.
Memory and the human brain, in M. Shafto (a cura di), How we Know: The Inner Frontiers of Cognitive Science. Proceedings of Nobel Conference XX, Harper & Row, San Francisco, pp. 3 1 -59. MINSKY, M. e PAPERT, s. 19 69 Perceptrons: An Introduction to Computational Geometry, Mit Press, Cambridge, Mass. (trad. it. in La filosofia degli automi, a 19 85
cura di V. Somenzi, Bollati Boringhieri, Torino 198 3
19 84
v. B., MOTTER, B. C., STEINMETZ, M. A. e DUFFY, C. J. Looking and seeing: The visualfunctions of the parietallobe, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Dynamic Aspects ofNeocortical Function, Wiley, New York, pp. 159-93.
MURDOCK, B. B. JR
1979
Convolution and correlation in perception and memory, in L.-G. Nilsson (a cura di), Perspectives in Memory Research, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N. J.), pp. 105-19.
MURRAY, B. A., HEMPERLY, J. J., GALLIN, W. J., MACGREGOR, J. S., EDELMAN, G. M. e CUNNINGHAM, B. A.
2
).
1984
MISHKIN, M.
MISHKIN,
A.
MOUNTCASTLE,
win, London.
1982
e ACUNA,
Postenor parietal association cortex of the monkey: Command functions for operations within extra-personal space, in «Journal of Neurophysiology», XXXVIII, pp. 871-908.
w.
18 98
c. L. Habit and Instinct, Edward Arnold, London. Introduction to Comparative Psychology, Walter Scott, London. The Animai Mind, Edward Arnold, London.
1987
Neurology», CLXXXIX, pp. 273-89. MIDDLEBROOKS, J. C. e ZOOK, J. M.
MILLS, C.
P. G.
MOTTER, B:
MEYER, R. L.
19 80
e NELSON,
Cerebellar macroneurons in microexplant cell culture: Methodology, basic electrophysiology, and morphology after horseradish peroxidase in;ection, in «Developmental Brain Research», V, pp. 59-73.
CCXXIV, pp. 591-6°5. MESSER, A.
MESSER, A.
w.
Trans. », XXXI.
Somatosensory cortical map changes following digit amputation in adult monkeys in «Journal of Comparative Neurology»,
1980
D.
Estradiol-regulated neuronal plasticity, in «Curr. Top. Membr.
MOONEN, G., NEALE, E. A., MACDONALD, R. L., GIBBS, W.
e ZOOK, J. M.
19 84b
v. e PFAFF,
1987
437
A memory system in the monkey, in «Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. Biological Sciences »,
Isolation of cDNA clones for tbe chicken neural cell adhesion molecule (N-CAM) , in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXI, pp. 5584-88. e CUNNIN-
CCXCVIII, pp. 85-95· M., MALAMUT, B. e BACHEVALIER, J.
MURRAY, B. A., HEMPERLY, J. J., PREDIGER, E. A., EDELMAN, G. M. GHAM,B. A.
1986a
Memories and habits: Two neural systems, in G. S. Lynch, J. L. McGough e N. M. Weimberger (a cura di), Neurobiology of LearningandMemory, Guilford, New York, pp. 65-77·
Alternatively spliced mRNAs code for different polypeptide chains of the chicken neural cell adhesion molecule (N-CAM), in «Journal of CelI Biology», CII, pp. 189-93.
~~
438
Bibliografie
MURRAY, B. A., OWENS, G. C., PREDIGER, E. A., CROSSIN, K. L., CUNNINGHAM, B. A. e EDELMAN, G. M.
1986b
Ce!! surface modulation of the neural celi adhesion molecule resultingfrom alternative mRNA splicing in a tissue-specific developmental sequence, in «Journal of Celi Biology», CIII, pp. 1431-39.
·f~.i. ,
.
ì
I
•I
19 82
1979
OBRINK, B.
Cerebellar macroneurons in microexplant celi culture: Ultrastructural morphology, in «Neuroscience», VII, pp. 1879-9°.
1986
O'KEEFE,]. e NADEL, L.
Cognitive Psychology, Appleton-Century-Crofts, New York (trad. it. Psicologia cognitivista, Giunti-Martello, Firenze 1975). Memory Observed: Remembering in Natural Contexts, Freeman,
1978
1942a
Journal of Psychology», XXXII, pp. 267-86.
Localization of the human N-CAM gene to band q23 ofchromosome I I: The third gene codingfor a ce!! interaction molecule mapped to the distai portion of the long arm of chromosome I I, in «Journal of
Head's concept of the schema and its appliçation in contemporary British psychology, II. Criticai analysis of Head's theory, ivi,
Cell Biology», CII, pp. 711-15.
1942C
Head's concept of the schema and its application in contemporary British psychology, III. Bartletts' theory of memory, ivi, pp. I I 1-29. Head's concept of the schema and its application in contemporary British psychology, IV. Walter's theory ofthinking, ivi, pp. 143-49.
XXXIII, pp. 58-64.
1943
The Epigenetic Nature ofEarly Chordate Development, Cambridge University Press, Cambridge.
ORBACH,].
NILSSON, L.-G.
Perspectives on Memory Research: Essays in Honor ofUppsala University 's 500th Anniversary, Lawrence Erlbaum Associates, Hills-
1982
OSSE,]. W. M.
NORMAN, D. A.
1981
1969
Memory and Attention, Wiley, New York (trad. it. Memoria e attenzione. Introduzione all'elaborazione delle informazioni nell'uomo, Angeli, Milano 1985). Twelve issuesfor cognitive science, in D. A. Norman (a cura di), Perspectives on Cognitive Science, Lawrence Erlbaum Associates,
OWINGS, D.
1979
Hillsdale (N.].), pp. 265-95. 1968
Evolution of the telencephalon in non-mammals, in «Annual Re-
1981b
The architecture of the shoulder in some mammals, in «Journal of
PALMER, L. A., ROSENQUIST, A. C. e TUSA, R.].
NOTTEBOHM, F.
198 la
pp. 28 9-39 2. w. e OWINGS, s. C. Snake-directed behavior by black-tailed prairie dogs (Cynomys indovicianus), in «Zeitschrift fiir Tierpsychologie», XLIX, pp. 35-54.
Morphology», CXXVI, pp. 249-90.
view of Neuroscience», IV, pp. 301-50. 198o
Functional morphology of the head of the perch (Perca fluviatilis): An electromyographic study, in «Journal of Zoology», XIX,
OXNARD, c. E.
NORTHCUTT, R. G.
1981
Neuropsychology after Lashley, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N. ].).
dale (N.J.). 1969
Head's concept of the schema and its application in contemporary British psychology, I. Head's concept of the schema, in «British
1942b
NIEUWKOOP, P. D.,]OHNEN, A. G. e ALBERS, B.
1979
The Hippocampus as a Cognitive Map, Clarendon, Oxford.
OLDFIELD, R. c. e ZANGWILL, o. L.
NGUYEN, C., MATTEI, M.-G., MATTE!, ].-F., SANTONI, M.-]., GORIDIS, C. e]ORDAN, B. R.
1985
Epithelial celi adhesion molecules, in «Experimental Cell Research», CLXIII, pp. 1-21.
San Francisco.
1986
Learning with food reward and shock avoidance in neodecorticate rats, in «Experimental Neurology», LXIII, pp. 627-42. Improved instrumentallearning in neodecorticate rats, in «Physiology and Behavior», XXIV, pp. 357-66.
NEISSER, u.
19 6 7
439
OAKLEY, D. A.
198o
NEALE, E. A., MOONEN, G., MACDONALD, R. L. e NELSON, P. G.
1982
Bibliografie
,
1978
Testosterone triggers growth of brain vocal control nuclei in adult female canaries, in «Brain Research», CLXXXIX, pp. 429-36. A brain for ali seasons: Cyclical anatomica l changes in song control nuclei of the canary brain, in «Science», CC XIV, pp. 1368-70. Brain pathwaysforvocallearning in birds: A review of the first IO years, in]. M. S. Sprague e A. N. E. Epstein (a cura di), Progress in Psychobiology and Physiological Psychology, Academic, New
The retinotopic organization of lateral suprasylvian visual areas in the cat, in «Journal of Comparative Neùrology», CLXXVII, pp. 237-56 .
PANTIN, c. F. A.
1968
The Relations between the Sciences, Cambridge University Press, Cambridge.
PASTERNAK,]. F. e WOOLSEY, T. A.
York, voI. IX, pp. 85-124.
1975
11......0
The number, size, and spatial distribution of neurons in lamina IV of
.11
il! I I
III
44 0
II ,
Bibliografie
the mouse SmI neocortex, in «Journal of Comparative Neurology», CLX, pp. 291-306.
Bibliografie PRESTIGE, M. C.
1970
PATTERSON,p.H.eCHUN,L.L.Y.
Inlluence 01 non-neuronal cells on catecholamine and acetylcholine synthesis and accumulation in cultures 01 dissociated sympathetic neurons, in «Proceedings of tbe National Academy of Sciences of
1974
the United States of America», LXXI, pp. 3607-10. PEACOCK,
J. H., RUSH, D. F. e MATHERS,
«Brain Research», CLXIX, pp. 231-46. PEARSON,
J. C., FINKEL, L. H. e EDELMAN, G. M.
1987
Plasticity in the organization 01 adult cortical maps: A computer model based on neuronal group selection, in «Journal of Neuroscien-
pp. 73-82 . 1885
1980 19,.8 3
1983
c. S. Correlation 01 variability in structure with variability in synaptic connections 01 an identified interneuron in locusts, in «Journal of Com-
1985
PFAFF, D. W. e MOBBS, C. v.
19 87
PIERCE, J. R.
196 I
Localization ollunction in the cerebral cortex. Past, present, and luture, in «Brain», CVII, pp. 328-6I.
(Mass.).
1969
1983
(a cura di), Wittgenstein: The Philosophical Investigations, Macmillan, London.
PONS, T., SUR, M. e KAAS,
1982
197 1b
197 2a
J. H.
Axonal arborizations in area;b 01 somatosensory cortex in the owl monkey, Aoutus trivirgatus, in «Anatomical Record», CCII,
197 2b
P·15 1A .
1977
The pigeon's concept 01 pigeon, in «Psychonomic Science», XXV,
pp. 153-58. POPPER, K. R. e ECCLES, J. C.
1981
The Self and its Brain, Springer-Verlag, Berlin (trad. it. L'io e il suo cervello, a cura di B. Continenza, 3 voll., Armando, Roma 1982).
Guidance 01 neurons migrating to the letal monkey neocortex, in
I
1978
19 81a
1~ ~
11
r~1
Il: ~
Neuron-glia relationship during granule cell migration in developing cerebellar cortex: A Golgi and electron microscopic study in macaque rhesus, in «Journal of Comparative Neurology», CXLI, pp. 283-
~,i'l
3 12 .
,,' Il
Mode 01 cell migration to the supeificiallayers olletal monkey neocortex, ivi, CXLV, pp. 61-84. Extrinsic cytological determinants 01 basket and stellate celI dendritic pattern in the cerebellar molecular layer, ivi, CXLVI, pp. 335-54. Prenatal development 01 the visual system in rhesus monkey, in
l
Neuronal migration and contact guidance in the primate telencephalon, in «Postgraduate Medical Journal », LIV, pp. 25-37. Neuronal-glial interaction during brain development, in «Trends in Neurosciences», IV, pp. 184-87.
19 81b
Il
«BrainResearch», XXXIII, pp. 471-76.
«Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. Biological Sciences», CCLXXVIII, pp. 245-60.
POOLE, J. e LANDER, D.
1971
Embryos, Genes and Evolution, Macmillan, New York.
RAKIC, P.
PITCHER, G.
1968
Natural kinds, in id., Ontological Relativity and Other Essays, Columbia University Press, New York; pp. 114-38 (trad. it. di M. Leonelli, La relatività ontologica ed altri saggi, Armando, Roma 1986).
RAFF, R. A. e KAUFMAN, T. C.
197 1a Symbols, Signals and Noise: The Nature and Process 01 Communication, Harper & Row, New York.
Principles 01 Neural Development, Sinauer Associates, Sunderland
QUINE, W. V.
tional Union of Physiological Sciences ».
1984
J. W.
Specific connections between nerve cells, in «Annual Review of Physiology», XLV, pp. 553-65.
Some concepts derivingfrom the neural circuit lor a hormone-driven mammalian reproductive behavior, in «Symposium of the Interna-
PHILLIPS, c. G., ZEKI, s. eBARLOW, H. B.
Neuronal competition, in «Nature», CCLXXXVII, pp. 585-86. Modulation 01 neuronal competition by postsynaptic geomefry in autonomic ganglia, in «Trends in Neurosciences», VI, pp. 10-16.
PURVES, D. e LICHTMAN,
ce», VII, n. 2, pp. 4209-23.
parative Neurology», CLXXXIV, pp. 141-65.
Specielle Physiologie des Embryo: Untersuchungen iiber die Lebenserscheinungen vor der Geburt, Grieben' s Verlag, Leipzig.
PURVES, D.
PEARSON, K. G. e GOODMAN,
1979
Di/ferentiation, degeneration, and the role 01 the periphery: Quantitative considerations, in F. O. Schmitt (a cura di), The Neurosciences: 2 nd Study Program, Rockefeller University Press, New York,
PREYER, W.
L. H.
Morphology 01 dissociated hippocampal culturesfrom letal mice, in
1979
44 1
Development 01 visual centers in the primate brain depends on binocularcompetition belore birth, in «Science», CCXIV, pp. 928-3I.
t
~I
j~
!111
r "
: I
~ ~
I l,I,
I
!IIIII
'I
I
l~
44 2
Bibliografie
RAKIC, P.
e SIDMAN, R.
Bibliografie L.
Sequence ofdevelopmental abnormalities leading to granule cell deficit in cerebellar cortex of weaver mutant mice, in «Journal of Com-
1973
parative Neurology», CLII, pp. 1°3-32. RAMON Y CAJAL,
s.
1889-1904 Textura del sistema nervioso del hombre y de los vertebrados, 3 voll., Moya, Madrid. 1904 Histologie du système nerveux de l'homme et des vertébrés, trad. di L. Azoulay, 2 ·voll., Maloine, Paris (2 a ed. Instituto Ramon y Cajal, Madrid 1952). 1929 Étude sur la neurogenèse. de quelques vertébrés (trad. ingl. di L. Guth, Studies on Vertebrate Neurogenesis, Charles C. Thomas, Springfield (III.) 1960). 1937 Recuerdos de mi vida, tomo I. Mi infancia y ;uventud, tomo II. Historia de mi labor cientifica (trad. ingl. di E. Home Craigie, Recollections of my Life, Mit Press, Cambridge, Mass.). REED, E. S.
1981 " REEKE, G.
1984
Can mental representations cause behavior?, in «Behavioral and Brain Sciences», IV, pp. 635-36. N. JR e EDELMAN, G. M.
19 8 5
New York Academy of Sciences», CDXXVI, pp. 181'-201.
Probability of shock in the presence and absence of CS in fear conditioning, in «Journal of Comparative Physiology and Psychology»,
1976
Pavlovian excitatory and inhibitory conditioning, in W. K. Estes (a cura di), Handbook of Learning and Cognitive Processes, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N. J.), voI. II, pp. 7-35. Stimulus generalization: Some predictionsfrom a modelofPavlovian conditioning, in «Journal of Experimental Psychology: Animal Behavior Processes», II, pp. 88-96.
e SKUCY, J. c. Effect of response-independent reinforcers during extinction, in
19 86
RESCORLA,
1972
«Journalof Comparative Physiology and Psychology», LXVII, pp. 3 81 -89. R. A. e WAGNER, A. R.
A theory of Pavlovian conditioning: Variations in the effectiveness of reinforcement and nonreinforcement, in A. Black e W. R. Prokasy (a cura di), Classica l Conditioning II, Appleton-Century-Crofts, New York, pp. 64-99.
RICHARDSON, G. P., CROSSIN, K. L., CHUONG, c.-l'y1. e EDELMAN, G. M.
1987
Expression of cell adhesion molecules during embryonic induction, III. Development of otic placode, in «Devolopmental Biology», CXIX, pp. 217-3°.
Neuronal celi adhesion molecules and cytotactin are colocalized at the node ofRanvier, in «Journal of Cell Biology», CIII, pp. 379-
l
391.
w. e POWELL, T. P. s. The basic uniformity in structure of tne neocortex, in «Brain», CIII,
ROCKEL, A. J., HIORNS, R.
19 80
pp. 221-44·
I
ROLAND, P. E.
II
Sensory feedback to the cerebral cortex during voluntary movement in man, in «Behavioral and Brain Sciences», I, pp. 12 9-71.
1978
ROMANES, G. J.
188 4 188 9
Il
Mental Evolution in Animals, Appleton, New York. Mental Evolution in Man,.Appleton, New York.
I
,
RORTBLATT, H. L.
19 82
The meaning of representation in animai memory, in «Behavioral
~
and Brain Sciences», V, pp. 353-406. ROSCH, E.
1977
~
Human categorization, in N. Warren (a cura di), Studies in CrossCultural Psychology, Academic, New York, pp. 1-49. Principles of categorization, in E. Rosch e B. B. Lloyd (a cura di), Cognition and Categorization, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N. J.), pp. 28-48.
1978
ROSCH, E.
~
I
~
Il'~ 1
e MERVIS, C.
i
I
Family resemblances: Studies in the internai structure of categories,
1975
I!'I
in «Cognitive Psychology», VII, pp. 573-605. e BOYES-BRAEM, P. Basic ob;ects in natural categories, in «Cognitive Psychology», VIII, pp. 382-439.
I,
ROSCH, E., MERVIS, C., GRAY, W., JOHNSON, D.
1976
RESCORLA, R. A.
1969
M.
Cell Biology», CI, pp. 285-93.
LXVI, pp. 1-5. 1975
e EDELMAN, G.
N-CAM auhe vertebrate neuromuscular ;unction, in «Journal of
RIEGER, F., DANILOFF, J. K., PINCON-RAYMOND, M., CROSSIN, K. L., GRUMET, M. e EDELMAN, G. M.
Selective networks and recognition automata, in «Annals of the
RESCORLA, R. A.
1968
RIEGER, F., GRUMET, M.
443
ROSCH, E.
197 8
e LLOYD, B. B.
Cognition and Categorization, Lawrence Erlbaum Associates,
Hillsdale (N. J.) . ROSE, D.
e DOBSON, V. G.
19 85 ROSE, J. E.
1949
Modelsofthe VisualCortex, Wiley, NewYork. e WOOLSEY,
C. N.
The relations of thalamic connections, cellular structuré and evocable electrical activity in the auditory region of the cat, in «Journal of
Comparative Neurology», XCI, pp. 44 1 - 66 . ROTHBARD, J. B., BRACKENBURY, R., CUNNINGHAM, B. A. e EDELMAN, G. M. 19 82 Differences in the carbohydrate structures of neural cell adhesion mo-
~
l
I,'Ii
b I
'II ,l'I 1,'1
[lllil
l'I~
III
~
i J
, 1;1
1
1
l', 11
1'
IIl:1
444
Bibliografie
Bibliografie
lecules /rom adult and embryonic chicken brains, in «Journal of Biological Chemistry», CCLVII, pp. ROVAINEN,
1978
II
1969
SCOTT, M. P.
Spatial programming 01 gene expression in early Drosophila embryogenesis, in «Annual Review of CelI Biology», II, pp. 49-80. SHERRINGTON, c. s. 1897 The centrai nervous system, in M. Foster (a cura di), A text Book 01 Physiology, Macmillan, London, parte III. 1900 The muscular sense, in E. A. Schafer (a cura di), Text Book olPhysiologs, Pentland, Edinburgh, voI. II, pp. 1002-25. 1906 The Integrative Action 01 the Nervous System, Vale University
The Concept 01 Mind, Hutcheson, London (trad. it. di F. RossiLandi, Lo spirito come comportamento, Einaudi, Torino 1955).
SAHIN, K. E.
Response routing in Selcuk networks and Lashley's dilemma, in «lnternationalJournal of Man-Machine Studies», V, pp. 567-75. e NETSKY, M. G. Evolution 01 the Nervous System, Oxford University Press, New York.
SARNAT, H. B.
19812
Press, New Haven (2 a ed. 1947). 1925
Remarks on some aspects 01 rellex inhibition, in «Proceedings of
1933
the Royal Society of London B. Biological Sciences », XCVII, pp. 5 19-45. The Brain and its Mechanism: The Rede Lecture, Cambridge University Press, Cambridge. Man on his Nature, Macmillan, N ew York.
SCHMALHAUSEN, L L
1949
Factors 01 Evolution: The Theory 01 Stabilizing Selection, Blakiston, Philadelphia.
194 I
SCHMIDT, J. T.
1982 1985
SHIMBEL, A.
The lormation 01 retinotectal proiections, in «Trends in Neurosciences», XLVI, pp.
1950
I I 1-15.
Factors involved in retinotopic map lormation: Complementary roles lor membrane recognition and activity-dependent synaptic stabilization, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Molecular Bases 01 Neural Development, Wiley, New York,
1978
tical Biophysics », XII, pp. 241-75. e FUTAMI, T.
198 I
Divergent proiection 01 individuai corticospinal axons to motoneurons 01 multiple muscles in the monkey, in «Neuroscience Letters»,
1982
Morphologs 01 physiologically identified rubrospinal axons in the spinal cord, in «Brain Research», CCXLII, pp. 321-25.
XXIII, pp. 7-12.
e EASTER, S. S. JR
Expansion 01 the half retinal pro;ection to the tectum in goldfish: An electrophysiological and anatomical study, in «Journal of Compara-
SHINODA, Y., YAMAGUCHI, T.
tive Neurology», C LXXVII , pp. 257-78. SCHMITT, F., WORDEN, F. G., ADELMAN, G. e DENNIS, S. G. 1981 The Organization 01 the Cerebral Cortex, Mit Press, Cambridge (Mass.).
1986
1983
Two visual systems, in «Science», CLXIII, pp. 895-902.
1979
1986
Nerve fiber topography in the retinal proiection to the tectum, in «Nature», CCLXXVIII, pp, 620-24.
SCHWARTZ, B.
1977
e TAKEICHI, M.
The calcium-dependent celi-celi adhesion system regulates inner celi mass lormation and cel! suiface polarization in early mouse development, in «CelI», XXXV, pp. 631-38.
SHUBIN, N. H.
SCHOLES, J.
e FUTAMI, T.
Multiple axon collaterals 01 single corticospinal axons in the cat spinal cord, in «Journal of Neurophysiology», LV, pp. 425-48.
SHIRAYOSHI, Y., OKADA, T. S.
SCHNEIDER, G. E.
1969
Contributions to the mathematical biophysics 01 the centrai nervous system with special relerence to leaming, in «Bulletin of Mathema-
SHINODA, Y., YOKOTA, J.
pp. 453-80. SCHMIDT, J. T., CICERONE, C. M.
Neurology», XXIII, pp. 230-48. e O'FARRELL, P. H.
1986
RYLE, G.
1973
e FISHER, K. c. Morphological and electrophysiological characteristics 01 dissociated chick embryonic spinal ganglian cells in culture, in «Experimental
SCOTT, B. E., ENGÈLBERT, V. E.
064 - 69.
c. M. Muller celis, "Mauthner" cells and other identilied reticulospinal neurons in the lamprey, in D. F. Faber e H. Korn (a cura di), Neurobiologs 01 the Mauthner celi, Raven, New York, pp. 245-69.
1949
445
e ALBERCH, P.
A morphogenetic approach to the origin and basic organization 01 the tetrapod limb, in M. Hecht (a cura di), Evolutionary Biology, Plenum, New York, voI. XX, pp. 319-82.
e GAMZU, E.
SIDMAN, R. L.
Pavlovian control oloperant behavior, in W. K. Honig e]. E. R. Staddon (a cura di), Handbook olOperant Behavior, Prentice-
1974
Hall, Englewood Cliffs (N. J.), pp. 53-97.
'"'--
Contact interaction among developing brain cells, in A. Moscona (a cura di), The Celi Surface in Development, Wiley, New York, pp. 221-53·
-. 44 6
Bibliografie
SIEGEL, R.
e HONIG,
W.
Pigeon concept formation: Successive and simultaneous acquisition, in «Journal of Experimental Analysis of Behavior», XIII, pp. 385-9 0 .
1970
SIEGELBAUM, S. A., CAMARDO,
J.
S.
e KANDEL,
E. R.
Serotonin and cyclic AMP close single K+ channels in Aplysia sensory neurones, jn «Nature», CCXCIX, pp. 413-17.
1982
SKINNER, B. F.
1981 SLACK,
J.
1983 SMITH, E.
1981 SMITH,
Selection byconsequences, in «Science», CCXV, pp. 501-4. w. From Egg to Embryo: Determinative Events in Early Development, Cambridge University Press, Cambridge. E. e MEDIN, D. L. Categories and Concepts, Harvard University Press, Cambridge (Mass.).
M.
s. J.,
1985
J. e CHARLTON, M. P. Transmission at voltage clamped giant synapse of the squid: Evidence for cooperativity of presynaptic calcium action, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXII, pp. 622-25. AUGUSTINE, G.
"
Bibliografie
Neurology and the mind-brain problem, in «American Scientist», XL, pp. 291-312. Chemoa/finity in the orderly. growth of nerve fiber patterns and con19 6 3 nections, in «Froceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», L, pp. 703-10. Embryogenesis of behavioral nerve nets, in R. L. DeHaan e H. Ur19 6 5 sprung (a cura di), Organogenesis, Rinehart and Winston, New York, pp. 161-71. A modified concept ofconsciousness, in «Fsychological Review», 19 6 9 LXXVI, pp. 532-36. 0 An objective approach to subjective experience: Further explanatton 197 of a hypothesis, ivi, LXXVII, pp. 585-90. SPITZER, J. L. e SPITZER, N. C. 1975 Time oforigin ofRohon-Beard neurons in the spinal cord ofXenopus laevis, in «American Zoologist», XV, p. 781. 195 2
SPITZER, N. C.
(a cura di), ConceptualIssues in Evolutionary Biology, Mit Press, Cambridge (Mass.).
SQUIRE, L. A.
1982 1986 SQUIRE, L.
1984
SPEMANN, H.
Induction von Embryonalanlagen durch Implantation art/remder Organisatoren, in «Archiv fiir Mikroskopische Anatomie und Entwicklungsmechanib, C, pp. 599-638 (trad. ingl. di V. Hamburger in B. M. Willier eJ. Oppenheimer (a cura di), Foundations of Experimental Embryology, Hafner Press, New York, 19742 , pp. 144-84). 1938 Embryonic Development and Induction, Yale University Press, NewHaven. SPERRY, R. w. 1943a Effect of I80 rotation of the retinalfield on visuomotorcoordination, in «Journal of Experimental Zoology», XCII, pp. 263-79. 1943b Visuomotor coordination in the newt (Triturus viridescens) after regeneration of the optic nerve, in «Journal of Comparative Neurology», LXXIX, pp. 33-35. 1945 The problem of centraI nervous system reorganization after nerve regeneration and muscle transposition: A criticaI review, in «Quarterly Review of Biology», XX, pp. 3 11-69. 1950 Neural basis of the optokinetic response produced by visual neural inversion, in «Journal of Comparative Physiology and Psychology», XLV, pp. 482-89. 1924
0
The control of development of neuronal excitability, in G. M. Edelman, W. E. Gall e W. M. Cowan (a cura di), Molecular Bases of Neural Development, Wiley, New York, pp. 67-88.
1985
SOBER, E.
19 84
447
STADDON,
The neuropsychology of human memory, in «Annual Review of Neuroscience», V, pp. 241-73. Mechanisms of memory, in «Science», CCXXXII, pp. 1612-19. R. e BUTTERS, N. Neuropsychology of Memory, Guilford, New York. J. E. R.
1983
Adaptive Behavior and Learning, Cambridge University Press, Cambridge.
STANFIELD, B. B., O'LEARY, D. D. M.
1982
STANFIELD, B. B.
1985
e FRICKS,
C.
Selective collateral elimination in early postnatal development restricts cortical distribution of rat pyramidal tract neurones, in «Nature», CCXCVIII, pp. 371-73' e O'LEARY, D.
D. M.
Fetal occipital cortical neurones transplanted to the rostral cortex can . extend and maintain a pyramidal tract axon, in «Nature», CCCXIII, pp. 135-37.
STEBBINS, G. L.
1968
1982
Integration of development and evolutionary progress, in R. C. Lewontin (a cura di), Population Biology and Evolution, Syracuse University Press, Syracuse. Darwin to DNA: Molecules to Humanity, Freeman, San Francisco.
STEIN, R. B.
19 82
What muscle variables does the nervous system control in limb movements?, in «Behavioral and Brain Sciences», V, pp. 535-77.
Bibliografie
Bibliografie
44 8
STEINMETZ, M. A., MOTTER, B. C., DUFFY, C.
adhesion molecule in the chick embryo, in «Journal of Cell Biolo-
l. e MOUNTCASTLE, v. B.
gy», C, pp. 442-56.
The functional properties 01 parietal visual neurons: The radialorganization 01 directionalities within the visual field, in «Journal of
19 87
THOMPSON, R. F.
1986
Neuroscience», VII, pp. 177-91.
The neurobiology 01 learning and memory, in «Science», CCXXXIII, pp. 941-47.
l. 19 83
STONE,
Parallel Processing in the Visual System: The Classilication olRetinal Ganglion Cells and its Impact on the Neurobiology 01 Vision,
THOMPSON, R. F., BERGER, T. W.
1983
THORNDIKE, E. L.
STRAUSS, H. S.
1911
Abstraction 01 prototypical inlormation by adults and Io-month-old inlants, in «Journal of Experimental Psychology: Human Percep-
1979
c., GAZE,
R. M.
1931
e KEATING, M. l·
1942
phology», LXII, pp. 13-35· STRYKER, M. P. e HARRIS, w. A.
1951
Binocular impulse blockade prevents the lormation 01 ocular dominance columns in cat visual cortex, in «Journal of Neuroscience »,
19 86
1963
VI, pp. 2117-33. SUR, M., MERZENICH, M. M.
1979
Neurophysiology», XLIV, pp. 295-3 1 1.
e SHERMAN,
19 82
1983
S. M.
Retinogeniculate terminations in cats. Morphological differences between X-celI and Y-cell axons, in «Science», CCXVIII, pp. 33 8-
193 1
TERRACE, H.
19 83
1980
e GELADE, G.
Aleature-integration theory olattention, in «Cognitive Psycholo-
TSUKAHARA, N.
1981
Synaptic plasticity in the mammalian centraI nervous system, in «Annual Review of Neuroscience», IV, pp. 351-79.
TURVEY, M. T.
1977
s. Animallearning, ethology and biologicalconstraints, in H. S. Terrace. e P. MarIer (a cura di), The Biology 01 Learning, Springer-
TUSA, R.
Verlag, Berlin, pp. 15-45·
1981
l.-L., RUTISHAUSER, U. e EDELMAN, G. M.
Cell adhesion molecules in early chicken embryogenesis, in «Procee-
dings of the N ational Academy of Sciences of the United States of America», LXXIX, pp. 6737-41. THIERY, l.-P., DELOUVÉE, A., GRUMET, M. e EDELMAN, G. M. 19 85
The psychological reality ollevels 01 processing, in L. S. Cermak e F.l.M. Craik (a cura di), Levels 01 Processing and Human Memory, Lawrence ErlbaumAssociates, Hillsdale (N.}.), pp. 301-30. The role 01 attention in object perception, in O. J. Braddick e A. C. Sleigh (a cura di), Physical and Biological Processing olImages, Springer-Verlag, Berlin, pp. 316-25.
gy», XII, pp, 97-136.
(a cura di), Selected Writings 01 fohn Hughlings fackson, Staples Press, London, voI. 1.
THIERY, l.-P., DUBAND,
19 82
ca Biotheoretica», I, pp. 39-98. The Study olInstinct, Clarendon, Oxford (trad. it. Lo studio dell'istinto, Adelphi, Milano 1994). On aims and methods 01 ethology, in «Zeitschrift fiir Tierpsychologie», XX, pp. 410-33.
TREISMAN, A.
391. SZENTAGOTHAI, l· 1975 The module-concept in cerebral cortex architecture, in «Brain Research», XCV, pp. 475-9 6 . TAYLOR, I. l.
An objective study 01 the innate behavior 01 animals, in «Bibliothe-
TREISMAN, A.
e KAAS, l. H.
Magnification, receptive field area, and "supercolumn " size in areas 3 b and I 01 somatosensory cortex in owl monkeys, in «Journal of
19 80
Human Learning, Century, New York.
TINBERGEN, N.
The development 01 the retinotectal projections /rom compound eyes in Xenopus, in «Journal of Embryology and Experimental Mor-
19 81
AnimaI Intelligence, Macmillan, New York (2 aedo Hafner, New York 1965).
tion and Performance», V, pp. 618-3 2 . STRAZNICKY,
e MADDEN, l. IV
Cellular processes 01 learning and memory in the mammalian CNS, in «Annual Review of Neuroscience», VI, pp. 447-91.
Plenum, New York.
SUR, M.
449
Preliminaries to a theory 01 action with relerence to vision, in R. Shaw e J. Bransford (a cura di), Perceiving, Acting and Knowing, Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (N.}.), pp. 2 II -66. L. A. e ROSENQUIST, A. C. Multiple cortical visual areas, in C. N. Woolsey (a cura di), Cortical Sensory Organization, Humana, Clifton (N. }.), voI. II, pp. 1-3 2 .
l., PALMER,
ULINKSI, P. S.
1980
Functional morphology 01 the vertebrate visual system: An essay on the evolution 01 complex systems, in «American Zoologist», XX, pp. 229-46 .
Initial appearance and regional distribution 01 the neuron-glia celi
~
-ll ~~,.
;,>"
Bibliografie
45 0
(D. C.), pp. 149-71. ULLMAN, S.
1979
The Interpretation of Visual Motion, Mit Press, Cambridge
19 80
Against direct perception, in «Behavioral and Brain Sciences », III,
(Mass.).
u. Strategies oflnformation Processing, Academic, London.
UNDERWOOD, G.
The Psychobiology of Mind, Lawrence Erlbaum Associates, Hills-
19 81
Hillsdale (N. J.). e WOOLSEY, T.
WALSHE, F. M. R.
1973
Somatosensory cortex: Structural alterations following early injury to sense organs, in «Science», CLXXIX, pp. 395-9 8 .
VAN DER LOOS, H.
197 8
1978
VAN ESSEN,
1939 194 1 1955
19 85
Neuromuscu/ar synapse elimination: Structural, functional and mechanistic aspects, in N. C. Spitzer (a cura di), Neuronal Development, Plenum, New York, pp. 334-7 6 . Functional organization of primate visual cortex, in A. Peters e E. G. Jones (a cura di), Cerebral Cortex, Plenum, New York, voI. III, pp. 259-329·
1958
A Further Study ofVisual Perception, Hafner, Darien (Conn.).
VON NEUMANN,
195 6 VRENSEN, G.
19 81
J.
Probabilistic logic and the synthesis of reuable organisms /rom unreliable components, in C. Shannon eJ. McCarthy (a cura di), Automaton Studies, Princeton University Press, Princeton, pp. 43-9 8 .
1984
Research», CCXVIII, pp. 79-97· WALL, P. D.
1975
The somatosensory system, in M. S. Gazzaniga e C. Blakemore (a cura di), Handbook of Psychobiology, Academic, New York, pp. 373-9 2 •
rative Psychology Monograph», CLXXIV, pp. 1-96. Nervous system (neurogenesis), in B. H. Willier, P. Weiss e V. Hamburger (a cura di), The Analysis ofDevelopment, Saunders, Philadelphia, pp. 346-401.
l
!il
1,1
11
1(1
Iii ,I
iii
Principles olperceptualorganization, in D. C. Beardslee e M. Wertheimer (a cura di), Readings in Perception, Van Nostrand, Prince-
II,'
ton, pp. 115-35 (originariamente pubblicato in «Psychologische Forschung», IV (1923), pp. 3°1-50).
,I1"1
(a cura di), Human Motor Action~: Bernstein Reassessed, Elsevier, Amsterdam.
WIESEL, T. N.
1982
Postnatal development 01 the visual cortex and the in/luence of environment, in «Nature», CCXCIX, pp. 583-91.
WIESEL, T. N.
1963a
(I,!
e HUBEL, D. H.
Effects of visual deprivation on morphology and physiology of cells in the cat's /ateral genicu/ate body, in «Joumal of Neurophysiology»,
)1
III
l'I!!
' I'I 1
l'I,'
Il' IlI I,
I
XXVI, pp. 978-93.
1963b
e NUNES-CARDOZO, J.
Changes in size and shape of synaptic connections after visual training: An ultrastructural approach to synaptic p/asticity, in «Brain
Selectivity controlling the central-peripheral relation in the nervous system, in «Biological Review», XI, pp. 494-53 I. Pnnciples ofDevelopment, Henry HoIt, New York. Self-differentiation of the basic patterns of coordination, in «Compa-
WHITING, H. T. A.
VERNON, M. D.
197 0
Functions ofthe Septo-Hippocampal System, Ciba Foundation Symposium, n.s. 58, Elsevier-North Holland, Amsterdam.
WERTHEIMER, M.
of Neuroscience», II, pp. 227- 6 3.
19 82
Il
WEISS, P.
e DORFL, J.
Does the skin tell the somatosensory cortex how to construct a map of the periphery?, in «Neuroscience Letters», VII, pp. 23-3 0 . D. c. Visual areas of the mammalian cerebral cortex, in «Annual Review
CriticaI Studies in Neurology, E. & S. Livingstone, Edinburgh.
WEISKRANTZ, L.
193 6
A.
D.
Formation of new connexions in adult rat brains after partial deafferentation, in «Nature», CCXXXII, pp. 542-44. WALLEY, A. c., PISONI, D. B. e ASUN, R. N. 198 I The role of early experience in the development of speech perception, in R. N. Aslin,J. R. Alberts e M. R. Petersen (a cura di), Development ofPerception, Academic, New York, voI. I, pp. 219-55.
A Taxonomy ofVisual Processes, Lawrence Erlbaum Associates,
VAN DER LOOS, H.
e EGGERS, M.
45 1
1971
R.
dale (N. ].).
1979
WALL, P. D.
1948
pp. 373-4 1 5.
197 8 UTTAL, w. 197 8
Bibliografie
1
Neurobiology of the therapsid-mammal transition, in N. Hotton, III, P. D. MacLean, J. J. Roth e E. C. Roth (a cura di), The Ecology and Biology of Mammal-like Reptiles, Srnithsonian, Washington
19 86
.
1965 WIGSTROM,
1982
Single celi responses in striate cortex of kittens deprived ofvision in one eye, ivi, pp. 1003-17. Comparison of the effects of uni/ateral and bilateral eye closure on cortical unit responses in kittens, ivi, XXVIII, pp. 1029-40. H., MCNAUGHTON, B. L. e BARNES, c. A. Long-term synaptic enhancement in hippocampus is not regulated by post-synaptic membrane potential, in «Brain Research», CCXXXIII, pp. 195-99.
1
,1,11'11:
l'i 1
1 11
"I 11
:
i!! il"
III ,l'I 1IIIII1
452
lT
Bibliografie
Bibliografie WIGSTROM, H.
e GUSTAFSSON,
B.
Heterosynaptic modulation 01 homosynaptic long"lasting potentia" tion in the hippocampal slice, in «Acta Physiologica Scandinavi"
1983
ca», CXIX, pp. 455"58. WINFIELD, D. A., BROOKE, R. N. L., SLOPER, J. J.
1963
19 6 9 197 1
pp. 121 7"3°. S. e COWAN, J. D.
Reliable Computation in the Presence 01 Noise, Mit Press, Cam"
1979
Philosophische Untersuchungen, a cura di G. E. M. Anscambe, Oxford 1953 (trad. it. di R. Piovesan e M. Trinchero, Ricerche fi" losofiche, Einaudi, Torino 1967; trad. ingl. Philosophical Investi" gations, Macmillan, New York, 1953 3). e FERBER, R.
The development 01 behavior in human inlants, premature and new" born, in «Annual Review of Neuroscience», II, pp. 291"3°7.
WOOLSEY, T. A.
1976
e WANN, J.
Cortical projections lram two peristriate areas in the monkey, ivi,
1975
The lunctional organization 01pro;ections Irom striate to peristriate visual cortex in the rhesus monkey, in «Cold Spring Harbor Sym"
197 8a
Functional specification 01 the cortex in the rhesus monkey, in «Na"
posia on Quantitative Biology», XL, pp. 591"600. ture», CC LXXIV, pp. 4 23"28.
197 8b
Unilormity and diversity ollunction in rhesus monkey prestriate vi" sual cortex, in «Journal of Physiology. London», CCLXXVII,
pp. 273"90.
WITTGENSTEIN, L.
WOLFF, P. H.
Representation 01 centrai visualfields in peristriate cortex 01 monkey,
in «Brain Research», XIV, pp. 27 1 "91. XXXIV, pp. 19"35.
bridge (Mass.).
1953
453
s. M.
P. S.
A combined Golgi"electron microscopic study 01 the synapses made by the proximal axon and recurrent collaterals 01a pyramidal celi in the somatic sensory cortex 01 the monkey, in «Neuroscience», VI,
1981
WINOGRAD,
e POWELL, T.
ZEKI,
1981
The mapping 01 visuallunctions in the cerebral cortex, in Y. Katsu" ki, R. Norgren e M. Sato (a cura di), Brain Mechanisms olSensa" tion: Third Taniguchi Symposium on Brain Sciences, Wiley, New York, pp. 105"28.
19 83
The distribution 01 wavelength and orientation selective"cells in diflerent areas 01 monkey visual cortex, in «Proceedings of the Royal Society of London B. Biological Sciences», CCXVII, pp. 449"7 0 .
R.
Area I changes in mouse cortical barrels lollowing vibrissal damage at different postnatal ages, in «Journal of Comparative Neurology», CLXX, pp. 53"66.
WOOLSEY, T. A., DURHAM, D., HARRIS, R. M., SINIONS, D. J.
198 I
e VALENTINO,
K. L.
Somatosensory development, in R. N. Aslin, J. R. Roberts e M. P. Petersen (a cura di), Development 01 Perception, Academic, New York, voI. I, pp. 259"92.
WRIGHT, S.
193 2
The roles 01 mutation, inbreeding, crossbreeding and selection in evo" lution, in «Proceedings of the Sixth International Congress on
I
Genetics», I, pp. 356"66.
11[1
I
YOUNG,J. Z.
1965 1973 1975 1978
The organization 01 a memory system, in «Proceedings of the Royal Society of London B. Biological Sciences», CLXIII, pp. 285"320. Memory as a selective process, in Australian Academy olScience Re" port: Symposium on Biological Memory, Australian Academy of Science, Canberra, pp. 25"45. Sources 01 discovery in neuroscience, in F. G. Worden, J. P. Swa" zey e G. Adelman (a cura di), The Neurosciences: Paths olDiscove" ry, Mit Press, Cambridge (Mass.), pp. 15"46. Programs 01 the Brain, Oxford University Press, Oxford.
1
1
1111 1 1
1III1 [1/1111111
III 1 111
I
l. /
Il!!
!IIIII.I 1
11 '1
1
III!I 1 '/ /1
Ililll,I
1l
Bibliografie
455
(a cura di), Heterochrony and Evolution: a Multidisciplinary Approach, Plenum, New York.
Bibliografia delle note
e ROSENFELD, E. (a cura di), Neurocomputing: Foundations of Research, Mit Press, Cambridge (Mass.). BROCHER, S. e SINGER, W.
ANDERSON, J. A.
1988 ARTOLA, A.,
Di/ferent voltage-dependent thresholds for inducing long-term depression and long-term potentiation in slices of rat visual cortex, in «Na-
1990
ture», CCCXLVII, pp. 69-72. ASHBY, W. R.
1952 ABELES, M.
Local Cortical Circuits, Springer-Verlag, New York. Corticonics. Neural Circuits of the Cerebml Cortex, Cambridge Uni-
19 82 199 1
ATASHI, J.,
Designfora Brain, Wiley, New York (trad. it. della 2" ed. di P. Unnia, Progetto per un ceroello, Bompiani, Milano 1970). KUNZ, s., INGRAHAM, C., MATTEN, W., SCHACHNER, M. e MANESS, P. Neural celi adhesion molecules modulate tyrosine phosphorilation of tubulin in neroe growth eone membranes, in «Neuron», VIII,
1992
versity Press, Cambridge (Mass.).
ACKLEY, D. H.
pp. 83 1 -4 2 .
e LITTMAN, M. L.
Interactions between learning and evolution, in C. G. Langton, C. Taylor,]. D. Farmer eS. Rasmussen (a cura di), Artificial Life
199 2
e LOURENçO, c. Computation with chaos: a paradigm for cortical activity, in «Pro-
BABLOYANTZ, A.
1994
ceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», XCI, pp. 9027-31.
II, Addison-Wesley, Reading (Mass.), pp. 4 8 7-5°7. ADAMS,J.
e WATT,
F.
Regulation of development and differentiation by the extracellular matrix, in «Development», CXVII, pp. II83-98.
1993 AERTSEN, A.
e ARNDT, M.
Response synchronization in the visual cortex, in «Current Opinion
1993 AGNATI, L.,
in Neurobiology», III, pp. 5 86 -94. BJELKE, B. e FUXE, K.
Volume transmission in the brain, in «American Scientist»,
199 2
LXXX, pp. 362-73. AlBA, A., CHEN, C., HERRUP, K., ROSENMUND, C., STEVENS, C. F.
ALBERINI,
1994
e TONEGAWA, S.
Reduced hippocampallong-term potentiation and context-specific deficit in associative learning in mGluRI mutant mice, in «Cell»,
1994
LXXIX, pp. 365-75. c., GHlRARDI, M., METZ, R. e KANDEL, E. C/EBP is an immediate-early gene required for the consolidation of long-termfacilitation in Aplysia, in «Celi», LXXVI, pp. 1099- I I 4·
n. 253, pp. 66-73· ALKON, D. L., BLACKWELL, K. T., BARBOU, G. S., RIGLER, A. K.
BAIER, H.
v.
e BONHOEFFER,
1992
F.
Axon guidance by gradients of a target-derived component, in «Science», CCLV, pp. 472-75. e UCHTMAN, J.
BAUCE-GORDON, R.
1994
Long-term synapse loss induced by focal blockade of postsynaptic receptors, in «Nature», CCCLXXII, pp. 519-24.
BALLY-CUIF, L., GORIDIS, C.
1993
e SANTONI, M. J.
The mouse N-CAM gene displays a biphasic expression pattern during neural tube development, in «Development», CXVII, n. 2, pp. 543-5 2.
BARINAGA, M.
1990
The mind reveaied?, in «Science», CCXLIX, pp. 856-58.
BARLOW, H.
Single units and sensation: a neuron doctrine for perceptual psychology?, in «Perception», I, pp. 371-94.
BATES, E.
e VOGL, T.
P.
Pattern-Recognition by an arti/icial network denved from biologie neuronal system, in «Biologica! Cybernetics», LXII, pp. 3 6 3-7 6 .
199 0
19 88
pp. 1553-57·
I meccanismi molecolari della memoria, in «Le Scienze», XLIII,
19 8 9
The brain beyond the synapse: a review, in «Neuroreport», V,
1994
1972
ALKON, D.
AMBROS,
BACH-Y-RITA, P.
199 2
II, pp. 180-85. e MCKENNA, T. (a cura di), Biological Neural Networks in Invertebrate Neuroethology and Robotics, Mit Press, Cambridge (Mass.).
BEER, R. D., RITZMANN, R. E.
1993
Genetic Basis for Heterocronic Variation, in M. L. McKinney
Language development, in «Current Opinion in Neurobiology»,
._~ ". ...
,":'
~;-
•
45 6 BIFFO, S.
Bibliografie e FASOLO,
Bibliografie BUHL, E., HALASY, K.
A.
Vita e morte dei neuroni olfattivi, in «Le Scienze», LII, n. 308,
1994
l
BLISS, T.
CCCLXVIII, pp. 823-28.
e LOMO, T.
Long-lasting potentiation 01 synaptic transmission in the dentate area 01 the anaesthetized rabbit lollowing stimulation 01 the per/orant path, in «Journal of Physiology», CCXXXII, pp. 331-56.
1973
BURGOON, M., GRUMET, M., MAURO, V., EDELMAN, G. M.
199 1
A synaptic model 01 memory: long-term potentiation in the hippocampus, in «Nature», CCCLXI, pp. 31-39.
BOCK, E., RICHTER-LANDSBERG, C., FAISSNER, A.
pp. 2765-68.
«Journal ofCell Biology», CXII, n. 5,PP. 1017-29. e BERNARDI, G.
Early CNS development: distal-less related genes and lorebrain development, in «Current Opinion in Neurobiology», IV, pp. 29-36.
BONCINELLI, E., SOMMA, R., ACAMPORA, D., PANNESE, M., D'ESPOSITO, M. SIMEONE, A.
e
Organization 01 human homeobox genes, in «Human Reproduc-
1988
tion», III, pp. 880-86. BOURTCHULADZE, R., FRENGUELLI, B., BLENDY, SILVA, A.
CARONI, P.
19 88
Celi Assemblies in the Cerebral Cortex, Springer-Verlag, New York, p. 17I.
199 0
A robot that walks; emergent behaviors lrom a carelully evolved network, in «Neural Computation», I, n. 2, pp. 253-62. BRUCE, C. J., DESIMONE, R. e GROSS, G. G. 198 I Visual properties 01 neurons in a polysensory area in superior temporal sulcus 01 the macaque, in «Journal of Neurophysiology», XLVI, pp. 369-84.
«Neural Computation», II, pp. 334-54. 19 86
The axonal recognition molecule FII is a multiluntional protein: specilic domains mediate interactions with Ng-CAM and restrictin, in «Neuron», X, pp. 7II-27.
BUCK, K.
199 I
e AXEL,
R.
A novel multigene lamily may encode odorant receptors: a molecular basislor odor recognition, in «Cell», LXV? pp. 175-87.
e SAKAKURA, T.
Tenascin: an extracellular matrix protein involved in tissue interactions duringletal development and oncogenesis, in «Cell», XLVII, pp. 13 1-39. e CONSTANTINE-PATON, M.
CLINE, H., DEBSKI, E.
19 8 7
N-Methyl-D-aspartate receptor antagonist desegregates eye-specilic stripes, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXIV, pp. 434 2-45. e TESSIER-LAVIGNE, M.
COLAMARINO, S. A.
1995
The axonal chemoattractant netrin-I is also a chemorepellent lor trochlear motoraxons, in «Celi», LXXXI, n. 4, pp. 621-29.
CORBELLINI, G.
1994
Recensione a F. Crick, La Scienza e l'Anima, Rizzoli, Milano 1994, in «Le Scienze», LIII, n. 316, pp. 112- 13.
CREMER, H., LANGE, R., CHRISTOF, A., PLOMANN, M., VOPPER, G., ROES, J., BROWN, R., BALDWIN, S., KRAEMER, P., SCHEFF, S. e altri.
1994
BRUMMENDORF, T., HUBERT, M., TREUBERT, U., LEUSCHNER, R., TARNOK, A. e RATHJEN, F.
1993
Spontaneous development 01 modularity in simple cortical models, in
CHIQUET-EHRISMANN, R., MACKIE, E. J., PEARSON, C. A.
BROOKS, R.
198 9
Two membrane protein /ractions /rom rat control myelin with inhibitory properties lor neurite growth and libroblast spreading, in «Journal of Cell Biology», CVI, pp. 1281-88.
pp. 59-68. BRAITENBERG, v. 1978
XII, pp. 4224-33. e SCHWAB, M.
CHERNJAVSKY, A.
J., CIOFFI, D., SCHUTZ, G. e
Deficient long-term memory in mice with a targeted mutation 01 the cAMP-responsive element-binding protein, in «Cell», LXXIX,
1994
Long-term synaptic depression in the striatum: physiological and pharmacological characterization, in «Journal of Neuroscience»,
199 2
BONCINELLI, E.
1994
B.
CALABRESI, P., MA,J, R., PISANI, A., MERCURI, N. B.
e SCHACHNER, M.
Demonstration 01 immunochemical identity between the nerve growth lactor-inducible large external (N/LE) glycoprotein and the celi adhesion molecule LI, in «EMBO Journal», IV, n. II,
1985'
e CUNNINGHAM,
Structure 01 the chicken neuron-glia cell adhesion molecule, NgCAM: origin 01 the polypeptides and relation to the /g superfamily, in
e COLLINGRIDGE, G.
1993
P.
Diverse sources 01 hippocampal unitary inhibitory postsynaptic potentials and the number 01 synaptic release sites, in «Nature»,
1994
pp. 60-69. BLISS, T.
e SOMOGYI,
457
/nactivation 01 the N-CAM gene in mice results in size reduction 01 the olfactory bulb and deficits in spatiallearning, in «Nature», CCCLXVII, pp. 455-59.
CRICK, F.
19 8 9 CRICK, F.
1993
Neural Edelmanism, in «Trends in Neurosciences», XII, pp. 240 -48. e JONES, E.
Backwardness 01 human anatomy, in «Nature», CCCLXI, pp.
10 9- 10 •
r
-rf.(. ,1 458
Bibliografie
CRUTCHFIELD, J. P., FARMER, J. D., PACKARD, N. H: e SHAW, R. s.
1987
Il Caos, in «Le Scienze», XXXVIII, n.
222,
pp.
Bibliografie
Hebbian depression in isolated neuromuscolar synapses in vitro, in
I99 2a
«Science», CCLVI, pp. 1570-73. DEHAENE, s., CHANGEUX, J.-P. e NADAL, J.-P.
1987
I99 2b
Neural networks that leam temporal sequences by selection, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXIV, pp. 2727-3I.
A simple model ofprefrontal cortex function in delayed-response tasks,
1994
in «Journal of Cognitive Neuroscience», I, n. 3, pp. 244-261. DELSEG, A. M., GEARDSVALL, H. e BACK, E.
1993
Molecular biolops of cadherins in the nervous system, in «Molecular
19 82
D'EUSTACHIO, P. eDAVISSON, M.
1993
Resolution of the staggerer (sg) mutationfrom the neural celi adhesion molecule locus (Ncam) on mouse chromosome 9, in «Mamma-
1993
Disruption of the Hoxd- I J gene induces localized heterochrony leading to mice with neotenic limbs, in «Cell», LXXV, pp. 43I-4I.
ECKHORN, R., BAUER, R., ]ORDAN, W., BROSCH, M., KRUSE, W., MUNK, M. e REITBOECK, H. J.
1988
Coherent oscillations: a mechanism of feature linking in the visual cortex? Multiple electrode and correlation analyses in the cat, in «Biological Cybernetics», LX, pp. 121-30.
EDELMAN, G. M.
1970
199 I
1984
Le molecole che fanno aderire le cellule, ivi, XXXII, n. 190, pp. 84-98 .
1988
19 89a 19 89b
Topobiology: An Introduction to Molecular Embryology, Basic Books, New York (trad. it. Topobiologia: introduzione all'embriologia molecolare, a cura di G. Corbellini e D. Ribatti, Bollati Boringhieri, Torino 1993). Topobiologia, in «Le Scienze», XLII, n. 25 1, pp. 34-43.
The Remembered Present: a Biological Theory of Consciousness, Ba-
Cell adhesion molecules: Implications for a molecular histology, in «Annual Review of Biochemistry», LX, pp. 155-90.
EDELMAN, G. M. e GALLY, J.
199 2
Nitric Oxide: Linking space and time in the brain, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXIX, pp. 11651 -52.
EDELMAN, G. M., REEKE, G. JR, EINAR GALL, W., TONONI, G., WILLIAMS, D. e SPORNS, o.
199 2
Synthetic neural modeling applied to a real-world artifact, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXIX, pp. 7 26 7-7I.
EDELMAN, G. M. e JONES, F.
1993
Outside and downstream of the homeobox, in «Journal of Biological Chemistry», CCLXVIII, n. 28, pp. 20683-86.
EDMONSON, J. C., LIEM, R. K., KUSTER, J. c. e HATTEN, M. E.
1988
Struttura e funzione degli anticorpi, in «Le Scienze », V, n. 27, pp. 46-55.
Selective networks capable of representative transformations, limited generalizations, and associative memory, in «Proceedings of the Na-
EDELMAN, G. M. e CROSSIN, K.
lian Genome», IV, n. 5, pp. 278-80. DOLLÉ, P., DIERICH, A., LEMEUR, M., SCHIMMANG, T., SCHUHBAUR, B., CHAMBON, P. e BUBOULE, D.
Neural Darwinism: Selection and reentrant signaling in higher brain function, in «Neuron», X, pp. 115- 25. Adhesion and counteradhesion: Morphogenetic functions of the cell surface, in «Progress in Brain Research», CI, pp. 1-14.
tional Academy of Sciences of the United States of America», LXXIX, pp. 2091-95.
DENNETT, D.
Consciousness Explained, Little, Brown and Company, Boston, Mass. (trad. it. di L. Colasanti, Coscienza: che cosa è, Rizzoli, Milano 1993).
Mediation and inhibition of celi adhesion by morphoregulatory molecules, in «Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biolo-
EDELMAN, G. M. e REEKE, G. JR
Neurobiology», VII, pp. 207-28.
1991
sic Books, New York (trad. it. di L. Sosio, Il presente ricordato, Rizzoli, Milano 1991). Bright Air, Brilliant Fire: on the Matter of the Mind, Basic Books, New York (trad. it. di S. Frediani, Sulla materia della mente, Adelphi, Milano 1993). gy», LVII, pp. 317-25.
1993
DEHAENE, s. e CHANGEUX, J.-P.
1989
459
I
IO-2I.
DAN, Y. e poo, M.
1992
!
Astrotactin: A novel neuronal cell surface antigen that mediates neuronal-astroglial interactions in cerebellar microcultures, in «Journal of Celi Biology», CVI, pp. 5 0 5- 1 7.
EICHENBAUM, H. e OTTO, T.
1993
LTP and memory: Can we enhance the connection?, in «Trends in Neurosciences», XVI, n. 5, pp. 163-64.
ENGEL, A., KOENIG, P., KREITER, A. e SINGER, W.
199 I
Interhemispheric synchronization of oscillatory neuronal responses in cat visual cortex, in «Science», CCLII, pp. 1177-79.
ENGEL, A., KOENIG, P., KREITER, A., SCHILLEN, T. e SINGER, W.
199 2a
Temporal coding in the visual cortex: new vistas on integration in the neroous system, in «Trends in Neurosciences», XV, n. 6, pp. 218-26.
~ il 4 60
Bibliografie
Bibliografie
ENGEL, A., KOENIG, P. e SCHILLEN, T.
199 2b
Why does the cortex oscillate?, in «Current Biology», II, n. 6,
FREEMAN, W.
1991
FRISTON, K. J., FRITH, C. D. e FRACKOWIAK, R. S. J.
ENGEL,J.
Common structural motifs in proteins of the extracellular matrix, in
pp. 869-76 .
1994
1990
Induction of apoptosis in fibroblasts by c-myc protein, in «Cell»,
FENTRESS, J. C.
Emergence of pattern in the development of mammalian movement sequences, in «Journal of Neurobiology», XXIII, n. IO, pp. 15 2 9-
19 8 9
Integration ofdistributed cortical systems by reentry: A computer simulation of interactive functionally segregated visual areas, in «Jour-
GARDNER,H.
1985
1994
In vivo and ex vivo gene transfer in the brain, in «Current Opinion
1992
1993
Ventral spina l cord inhibition of neurite outgrowth /rom embryonic rat dorsal root ganglia, in «Development », CXVII, pp. 1377-8 4.
FORREST, D., YUZAKI, M., SOARES, H., LUK, D., SHENG, M., STEWART, C., MORGAN, J., CONNOR, J. e CURRAN, T.
1994
1990
439· GHIRARDI, M., BRAHA, O., HOCHNER, B., MONTAROLO, P. G. e KANDEL, E. R.
1992
(a cura di), Emergent computation: Self-organizing, collective, and
GLICKSTEIN, M.
cooperative phenomena in natural and artificial computing networks,
FOX, P. e WOLDORFF, M.
1994 4
1992
Integrating human brain maps, in «Current Opinion in Neurobio-
FRANK,D.eGREENBERG,M.
CREB: A mediator of long-term memory from mollusks to mammais, in «Cell», LXXIX, pp. 5-8.
FREEMAN, R. S., ESTUS, S., HORIGOME, K. eJOHNSON,E. M.
1993
Cell death genes in invertebrates and (maybe) vertebrates, in «Current Opinion in Neurobiology», III, pp. 25-31.
Developmental Biology, Sinauer, New York (trad. it. della la ed. (1985), Biologia dello sviluppo, Zanichelli, Bologna 1989). The cerebellum and motor learning, in «Current Opinion in Neurobiology», II, pp. 802-6.
GLOBUS, G. e ARPAIA, J.
1994
Psychiatry and the new dynamics, in «Biological Psychiatry», XXXV, pp. 352-64.
logy», IV, pp. 151-56. 1994
Roles of PKA and PKC in facilitation of evoked and spontaneous transmitter release at depressed and nondepressed synapses in Aplysia neurons, in «Neuron», IX, pp. 479-89.
GILBERT, s. F.
in «Physica D», XLII. 1994
Odour-modulated collective network oscillations of olfactory interneurons in a terrestrial mollusc, in «Nature», CCCXLV, pp. 437-
Targeted disruption of NMDA receptor I gene abolishes NMDA response and results in neonatal death, in «Neuron», XIII, pp. 3 25-3 8 .
FORREST, s.
199 0
Nature's Mind: the Biological Roots ofThinking, Emotions, Sexuality, Language and Intelligence, Basic Books, New York.
GELPERIN, A. e TANK, D.
in Neurobiology», IV, pp. 735-41. FITZGERALD, M., KWAIT, G. C., MIDDLETON, J. e PINI, A.
The Mind's New Science, Basic Books, New York (trad. it. di L. Sosio, La nuova scienza della mente: storia della rivoluzione cognitiva, Feltrinelli, Milano 1988).
GAZZANIGA, M.
nal of Neuroscience», IX, n. 9, pp. 3188-208. FISHER, L. e RAY, J.
The NO hypothesis: possible effects afa short-lived, rapidly diffusible signal in the development and function of the nervous system, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXVII, pp. 3547-51.
155 6 . FINKEL, L. e EDELMAN, G. M.
Value-dependent selection in the brain: Simulation in a synthetic neural model, in «Neuroscience», LIX, n. 2, pp. 229-43.
GALLY, J., MONTAGUE, R., REEKE, G. JR e EDELMAN, G. M.
LXIX, pp. 119- 28. 1992
Time-dependent changes in effective connectivity measured with PET, in «Human Brain Mapping», I, pp. 69-79.
FRISTON, K. J., TONONI, G., REEKE, G., SPORNS, O. e EDELMAN, G. M.
Tenascin-C, tenascin-R, and tenascin-X: afamily of talented proteins on search offunctions, in «Current Opinion in Cell Biology», V,
EVAN, G.!., WYll.IE, A. H., GILBERT, C. S., LITTLEWOOD, T. D., LAND, H., BROOKS, M., WATERS, C. M., PENN, L. Z. e HANCOCK, D. C.
1992
1993
«Current Opinion in Cell Biology», III, pp. 779-85.
ERICKSON, H.
1993
La fisiologia della percezione, in «Le Scienze», XVLI, n. 272, pp. p-21.
pp. 33 2-34. 199 1
461
GODA, Y.
1994
In pursuit ofa retrograde messenger, in «Current Biology», IV, n.
2,
pp. 14 8-5 0 . GOLDBERGER, A., RIGNEY, D. e WEST, B.
1990
Caos efrattali in fisiologia umana, in «Le Scienze», XLIV, n. 260, pp. 26-33·
-
·11 462
Bibliografie Bibliografie
GOODMAN, C.
1994
The likeness of being: Phylogenetically conserved molecular mechanisms of growth eone guidance, in «Celi», LXXVIII, pp. 353-56.
GOODMAN, c. e SHATZ, C.
1993
Developmental mechanisms that generate precise patterns of neural connectivity, in «Celi», LXXII / «Neuron», X, pp. 77-98.
199 2
The rale of nitric oxide in hippocampallong-term potentiation, in
«Neuron», VIII, pp. 2II-16.
HANNAY, T., LARKMAN, A., STRATFORD, K. eJACK, J.
A common rule governs the synaptic locus of both short-term and long-term potentiation, in «Current Biology», III, n. 12,
1993
pp. 83 2 -4I.
GOOMER, R., HOLST, B., WOOD, J., JONES, F. e EDELMAN, G. M.
1994
Regulation in vitro of an L-CAM enhancer by homeobox genes HoxD9 and HNF-r, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», XCI, pp. 7985-89.
GOULD, A. e WHITE, R.
1992
Connectin, a target of homeotic gene control in drosophila, in «Development», CXVI, pp. II63-74.
GOULD, s. J.
1992
XIV, n. 4, pp. 275-79. 1990
199 2
I,
pp. 71-84.
GRAY, C. M. e SINGER, W.
Stimulus-specific neuronal oscillations in orientation columns of cat visual cortex, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXVI, pp. 1698-702.
HARRIS-WARRICK, R. M.
199 1
Modulation of neural networks for behavior, in «Annual Review of
1993
Pattern generation, in «Current Opinion in Neurobiology», III,
Neuroscience», XIV, pp. 39-57.
1949
Oscillatory responses in cat visual cortex exhibit inter-columnar synchronization which reflects global stimulus properties, in «Nature»,
1979
Roads to neuralness: Embryonic neural induction as derepression or default state, in «Celi», LXXVII, pp. 317-20.
GROSS, C. G., ROCHA-MIRANDA, C. E. e BENDER, D. B.
Visual properties of neurons in inferotemporal cortex of the macaque, in «Journal of Neurophysiology», XXXV, pp. 96-II lo
HINTON, G. e NOWLAND, S.
19 87
Structure of a new nervous system glycoprotein, Nr-CAM, and its relationship to subgroups of neural cell adhesion molecules, in «Journal of Celi Biology», CXIII, n. 6, pp. 1399-412.
GRUMET, M., FLACCUS, A. e MARGOLIS, R.
1993
How learning can guide evolution, in «Complex Systems», I,
pp. 495-502.
HIRANO, s., KIMOTO, N., SHIMOYAMA, Y., HIROHASHI, S. e TAKEICHI, M.
199 2
199 0
ldentification of a neural !X-catenin as a key regulator of cadherin function and multicellular organization, in «Celi», LXX, pp. 293-3 0 I.
Functional characterization ofchondroitin sul/ate proteoglycans of the brain: Interactions with neurons and neural cell adhesion molecules, in «Journal of CelI Biology», CXX, pp. 815-24.
Identification of positive and negative regulation elements governing cell type specific expression of the neural cell adhesion molecule gene, in «Molecular and Cellular Biology», X, pp. I959- 68 .
HJELMFELT, A. e ROSS, J.
1994
GRUMET, M., MAURO, V., BURGOON, M., EDELMAN, G. M. e CUNNINGHAM, B.
199 I
Classical conditioning in paramecia, in «Animallearning and beha-
vior», VII, pp. 4 I 7- 2 3.
HIRSH, M., GAUGLER, L., DEAGOSTINI-BAZIN, H., BALLY-CUIF, L. e GORIDIS, C.
GREEN,J.
1972
The Organization of Behavior: A Neuropsychological Theory, Wiley, New York (trad. it. di R. Grande, L'organizzazione del comportamento. Una teoria neuropsicologica, Angeli, Milano 1975).
HENNESSEY, T. M., RUCKER, W. B. e MCDIARMID, C. G.
CCCXXXVIII, pp. 334-37. 1994
pp. 982 -88.
HEBB, D. o.
GRAY, C. M., KOENIG, P., ENGEL, A. K. e SINGER, W.
1989
Synchronization and computation in a chaotic neural network, in «Physical Review Letters», LXVIII, n. 5, pp. 7 1 8-2I.
Hebb-type dynamics is sufficient to account for the inverse magnification rule in cortical somatotopy, in «Neural Computation», II, n.
1989
HANSEL, D. e SOMPOLINSKY, H.
Ontogeny and phylogeny - revisited and reunited, in «Bioessays»,
GRAJSKI, K. A. e MERZENICH, M. M.
4 63
HALEY, J., WILCOX, G. e CHAPMAN, P.
Pattern recognition, chaos, and multiplicity in neural networks of excitable systems, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», XCI, pp. 63- 6 7.
HOLLAND, P. C.
1993
Cognitive aspects of classical conditioning, in «Current Opinion in Neurobiology», III, pp. 23 0 -3 6 .
HOLST, B., GOOMER, R., WOOD,J., EDELMAN, G. M. e JONES, F.
1994
Binding and activation of the pramoter for the neural cell adhesion molecule by Pax-8, in «Journal of Biologica! Chemistry», CCLXIX, n. 35 (2), pp. 22 245 - 25 2 .
iI
I IIIII
~
Bibliografie
465
Bibliografie
464
JONES, F., PREDIGER, E., BITTNER, D., DE ROBERTIS, E. e EDELMAN, G. M. HOPFIELD, J.
19 82
Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXIX, pp. 2554-5 8 .
HU, Y., BARZILAI, A., CHEN, M., BAlLEY, C. H. e KANDEL, E. R.
1993
cAMP induces the formation of coated pits and vescicles and increases the expression of clathrin light chain in sensory neurons of Aplysia, in «Neuron», X, pp. 921-29.
1992b
cAMP contributes to mossy fiber LTP by initiating both a covalently mediated early phase and macromolecular synthesis-dependent late phase, in «CelI», LXXIX, pp. 69-79·
HYLLlARD, s. A.
1993
Electrical and magnetic brain recordings: Contributions to cognitive neuroscience, in «Current Opinion in NeurobioIogy», III, n. 2, pp. 217-2 4.
1993
199 2
1994
Specificity of ce!! adhesion in development: The cadherin superfamily, in «Current Opinion in Genetics and Development», II, pp. 621-24. The impact of molecular biology on models for cel! adhesion, in «Bioessay», XVI, pp. 663-69.
199 13
1986
A cDNA clone for cytotactin contains sequences similar to epidermal growth factor-like repeats and segments offibronectin and fibrinogen, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXV, n. 7, pp. 2186-9 0 . A detailed structural model of cytotactin: Protein homologies, alternative RNA splicing, and binding regions, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXVI, pp. 1905-9.
JONES, F., CROSSIN, K., CUNNINGHAM, B. e EDELMAN, G. M.
ldentification and characterization of the promoter for the cytotactin gene, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXVII, n. 17, pp. 6497-5 0 1.
JONES, F., CHALEPAKIS, G., GRUSS, P. e:EDELMAN, G. M.
199 2a
Collapse of growth eone structure on contact with specific neurites in culture, in «Journal of Neuroscience», VII, pp. 201-12.
KAUFFMAN, S. A.
1993
The Origins of arder: Self-Organization and Selection in Evo!ution, Oxford University Press, New York.
KELLY, R. B.
1994
Storage and release of neurotransmitters, in «Celi», LXXII / «Neurom>, X, pp. 43-53.
Activation of the cytotactin promoter by the homeobox-containing gene Evx-r, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXIX, pp. 20 9 1-95.
Netrins are diffusible chemotropic factors for commissural axons in the embryonic spina! cord, in «Cell», LXXVIII, pp. 425-35.
KENYON, C.
1994
If birds can fly, why can't we? Homeotic genes and evolution, in «Celi», LXXVIII, pp. 175-80.
KERSZBERG, M.
1990
JONES, F., HOFFMAN, B. A., CUNNINGHAM, B. e EDELMAN, G. M.
199 0
The selective inhibition of growth cone extension by specific neurites in culture, in «J ournal of N euroscience», VI, pp. 25 27 -3 4·
KENNEDY, T., SERAFINI, T., DE LA TORRE, J. e TESSIER-LAVIGNE, M.
Death of a synapse, in «Nature», CCCLXXII, pp. 49 8-99.
MAN,G. M.
19 89
Gene targeting and deve!opment of the neroous system, in «Current Opinion in Neurobiology», IV, pp. 37-42.
KAPFHAMMER, J. e RAPER, J.
JONES, F., BURGOON, M., HOFFMAN, S., CROSSIN, K., CUNNINGHAM, B. e EDEL-
19 88
Binding and transcriptional activation of the promoter for the neural cel! adhesion molecule by HoxC6 (Hox-}.}), in «Proceedings of the national Academy of Sciences of the United States of America», XC, pp. 6557-61.
KAPFHAMMER, J., GRUNENWALD, B. e RAPER, J.
Developmental Neurobiology, Pienum, New York.
JENNINGS, C.
1994
1994
1993
JACOBSON, M.
I
JOYNER, A. e GUILLEMOT, F.
1987
HYNES, R.
I
JONES, F., HOLST, B., MINOWA, O., DE ROBERTIS, E. e EDELMAN, G.
HUANG, Y.-Y., CHING LI, X. e KANDEL, E.
1994
Ce!! adhesion molecule as targets for Hox genes: Neural ce!! adhesion molecUle promoter activity is modulated by cotransfection with Hox2.5 and 2.4, in «Proceedings'of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXIX, pp. 2086-90.
Genetics and epigenetics of neural function: A model, in «Journal of Cognitive Neuroscience», II, n. I, pp. 51-57.
KERSZBERG, M., DEHAENE, S. e CHANGEUX, J.-P.
1992
Stabilization of complex input-output functions in neura! clusters formed by synapse selection, in «Neural Networks», V, pp. 403'13.
KERSZBERG, M. e CHANGEUX, J.-P.
1994
A model for reading morphogenetic gradients: Autocatalysis and competition at the gene leve!, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», XCI, n. 13, pp. 5 82 3-27.
KEYNES, R. e KRUMLAUF, R.
1994
Hox genes and regionalization of the neroous system, in «Annual Review of Neuroscience», XVII, pp. 109-32.
l'
----;rl Bibliografie
466
Bibliografie
e MORGAN, J. s. A hierarchicat network 01 control systems that tearn: Modeting nervous system lunction during classical and instrumental conditioning, in «Adaptive Behaviot», I, n. 3, pp. 263-319.
KLOPF, H., WEAVER, S. E.
1993
KOCH,
c.
s., CHEN, c., JHAVERI, s. e TONEGAWA, s. Whisker-related neuronal patterns lail to develop in the trigeminal brainstem nuclei olNMDARI knockoutmice, in «Cell», LXXVI, pp. 4 2 7-37.
LI, Y., ERZURUMLU, R.
1994
LINDEN, D. J.
Computational approaches to cognition: The bottom-up view, in «Current Opinion in Neurobiology», III, pp. 203-8.
1993 KOENIG, P.
e SCHILLEN, T.
Stimulus-dependent assembly lormation oloscillatory responses, I. Synchronization, in «Neural Computation», III, pp. 155-66.
199 1
KOENIG, P., JANOSCH, B.
e SCHILLEN, T.
Stimulus-dependent assembly lormation oloscillatory responses, III. Learning, in «Neural Computation», IV, n. 5, pp. 666-8r. A. L., MATTliES, D. J. e GOODMAN, c. s. The semaphorin genes encode alamily 01 transmembrane and secreted growth cone guidance molecules, in «Celi», LXXV, pp. 1389-
1992 KOLODKIN,
1993
Long-term synaptic depression, in «Neuron», XII, pp. 457-72.
1994 LINDEN, D. J.
LITTLE,
KRUSE,J.,
1985
Hox genes in vertebrate development, in «Cell», LXXVIII, pp. 19 1-20 1. KEILHAUER, G., FAISSNER, A., TIMPL, R. e SCHACHNER, M. The JI glycoprotein: A novel nervous system celi adhesion molecule 01 the L2/HNK-Ilamily, in «Nature», CCCXVI, p. 146 .
w.
A.
Learning and representation in speech and language, in «Current Opinion in Neurobiology», IV, pp. 812-22.
1993 LANSNER, A.
1994
e HARLAND, R.
Neural induction by the secreted polypeptide noggin, in «Science», CCLXII, pp. 713-18. e EKEBERG, O. Neuronal network models 01 motor generation and control, in «Current Opinion in Neurobiology», IV, pp. 903-8.
1975 LLINAS, R.
La corteccia del cervelletto, in «Le Scienze», XIV, n. 81, pp. 36-47. R. e WELSH, J. P.
On the cerebellum and motor learning, in «Current Opinion in Neurobiology», III, pp. 958-65.
1993
LOCHTER, A., VAUGH, L., KAPLONY, A., PROCHIANTZ, A., SCHACHNER, M. FAISSNER, A.
JI/Tenascin in substrate-bound and soluble lorm displays contrary ef lects on neurite outgrowth, in «Journal of Cell Biology», CXIII, pp. II59-71.
1991
LUO, Y., RAIBLE, D.
The Making 01 a Fly, Blackwell, Oxford.
LEVI-MONTALCINI, R.
1979
e CALISSANO, P.
Il lattore di crescita della cellula nervosa, in «Le Scienze», XXIII, n. 132, pp. 20-29.
LEWIS, E.
197 8
A gene complex controlling segmentation in Drosophila, in «Nature», CCLXXVI, pp. 565-70.
Il,1
I1 I
I
~
Il'1
Ili
e RAPER, J. 1,I
,
Inhibitory lactors controlling growth cone motility and guidance, in «Current Opinion in Neurobiology», IV, pp. 648-54.
MAES, P.
1994
Modeling adaptive autonomous agents, in «Artificial Life», I, pp. 135-62 .
MARTIN,J.
1993
1994
Molecular genetics in neurology, in «Annals of Neurology», XXXIV, pp. 757-73. The molecular machinery lor last and stow neurosecretion, in «Current Opinion in Neurobiology», IV, pp. 626-32.
MASSONE, L.
Movimento e reti neurali, in «Sistemi Intelligenti», II, n. pp. 119-4°.
MATTHES, D. J., SINK, H., KOLODKIN, A. K.
1995
I
e RAPER, J.
1994
1990
I
Collapsin: A protein in brain that induces the collapse and paralysis 01 neuronal growth cones, in «Cd!», LXXV, pp. 217-27.
1993 LUO, Y.
e
MARTIN, T. F. J.
LAWRENCE, P.
1992
L.
LLINAS, R. R.
LAMB, T., KNECHT, A., SMITH, W., STACHEL, S., ECONOMIDES, A., STAHL, N., YANCOPOULOS, G.
e SHAW, G.
A statistical theory 01 short- and long-term memory, in «Behavioral Biology», XIV, pp. II5-33.
1975
KUHL, P. K.
1994
e CONNOR, J. A.
Cellular mechanisms ollong-term depression in the cerebellum, in «Current Opinion in Neurobiology», III, pp. 401-6.
1993
1399· KRUMLAUF, R.
1994
467
I,
e GOODMAN, C.-S.
Semaphorin II can lunction as a selective inhibitor 01 specific synaptic arborization, in «Cell», LXXXI, n. 4, pp. 361-4°.
III
I,
I, I~~
j~
l
I
,! 11II1I1
:I!IIII 11
[
I 11
1
~
468
Bibliografie
Bibliografie
MAYFORD, M., BARZILAI, A., KELLER, F., SCHACHER, S. e KANDEL, E. R.
1992
Modulation of an NCAM-related adhesion molecule with long-term synaptic plasticity in Aplysia, in «Science», CCLVI, pp. 638-44.
MAYFORD, M., AMARAL, D. G.
1995
e KANDEL,
pp. 1-33·
Reti neurali e intelligenza, in «Sistemi Intelligenti», I, n.
1989
e HORWITZ,
B.
Network analysis of cortical visual pathways mapped with PET, in
«Journal of Neuroscience», XIV, n. 2, pp. 655-66. MEFFERT, M., PREMACK, B. e SCHULMAN, H. 1994
MORASSO, P.
Selectins, in «Current Opinion in Immunology», VI,n. l,pp. 75-84.
MCINTOSH, A., GRADY, C., HAXBY, J., RAPOPORT, S.
Nitric Oxide stimulates Ca + +indipendent synaptic vesicle release, in
MORGAN, B.
1995
Semaphorin III can function as a selective chemorepellent to pattern sensory projections in the spina l cord, in «Neuron», XIV, n. 5,
MURRAY, B. eJENSEN, J.
Evidence for heterophilic adhesion of embryonic retina cells and neuroblastoma cells to substratum-absorbed NCAM, in «Journal of Cell
1992
Biology», CXVII, pp. 1311-20. NAIRN, A. C. e SHENOUKAR, S.
The role of protein phosphatase in synaptic transmission, plasticity and neuronal development, in «Current Opinion in Neurobiolo-
1992
gy», II, n. 3, pp. 296-301.
pp. 949-59·
NELSON, D. A. e MARLER, P.
MICHOD, R. E.
1989
Darwinian selection in the brain, in «Evolution», XLIII, n. 3,
Selection-based learning in bird song development, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», XCI, pp. IO 498 - 501.
1994
pp. 694-96. MILNER, P.
1993
Donald O. Hebb e la mente, in «Le Scienze», L, n. 295, pp. 80-85. The Society of Mind, Simon & Schuster, New York (trad. it. di G. Longo, La società della mente, Adelphi, Milano 1989). «Annual Review of Neuroscience», XVI, pp. 245-63.
MONTAGUE,
199 l
Somatosensory cortical plasticity in adult humans revealed by magnetoencephalography, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», XC, pp. 3593-97· P. R., GALLY,J. e EDELMAN, G. M.
Spatial signaung in the development and function of neural connections, in «Cerebral Cortex», I, pp. 199-220.
MONTAGUE, P. R., CANCAYCO, C. D., WINN, M., MARCHASE, R. B. M.J.
1994
NEUENSCHWANDER, s. e VARELA, F.
Sensory-triggered and spontaneous oscillations in the avian brain, in «Society of Neuroscience Abstracts », XVI.
Infenor temporal cortex: Where visual perception meets memory, in
MOGILNER, A., GROSSMAN, J., RIBARY, U., JOUOT, M., VOLKMANN, J., RAPAPORT, D., BEASLEY, R. e LUNAS, R.
1993
NMDA receptors in sensory information processing, in «Current Opinion in Neurobiology», II, n. 4, pp. 484-88.
1990
MIYASHITA, Y.
1993
NELSON, s. B. e SUR, M.
1992
MINSKY, M.
19 8 5
2,
pp. 243-79· e TABIN, c.
The role of homeobox genes in limb development, in «Current Opinion in Genetics and Developmenb, III, pp. 668-74.
1993
«Neuron», XII, pp. 1235-44. MESSERSMITH, E. K., LEONARDO, E. D., SHATZ, C., TESSIER-LAVIGNE, M., GOODMAN, C-s. e KOLODKIN, A. L.
e
A criticai period for macromolecular synthesis in long-term heterosynaptic facilitation in Aplysia, in «Science», CCXXXIV, pp. 1249-54.
1986
in «Current Opinion in Neurobiology», III, pp. 209-16.
1994
MONTAROLO, P. G., GOELET, P., CASTELLUCCI, V., MORGAN, J., KANDEL, E. R. SCHACHER, S.
Computational approaches to cognition: The top-down approaches,
MCEVER, R.
1994
e SEJNOWSKI, T.
The Predictive Brain: Temporal coincidence and temporal order in synaptic learning mechanisms, in «Learning and Memory», I, n. I,
1994
E. R.
Transgenic approaches to cognition, in «Current Opinion in Neu-
robiology», V, n. 2, pp. 141-48. MCCLELLAND, J. e PLAUT, D. 1993
MONTAGUE, P. R.
46 9
NOLFI, S., PARISI, D. e CECCONI, F.
Evoluzione e apprendimento, in «Sistemi Intelligenti», IV, n.
1992
NOSE, A., MAHAJAN, V. e GOODMAN, C.
Connectin: A homophilic celi adhesion molecule expressed on a subset of muscles and on the motoneurons that innervate them in Drosophila, in «Cell», LXX, n. 4, pp. 553-67.
1992
NOTTEBOHM, F.
Dal canto degli uccelli alla neurogenesi, in «Le Scienze», XLII,
1989
n. 248,
e FRIEDLANDER,
Nitric oxide production links NMDA receptor activation to neurotransmitter release, in «Science», CCLXIII, pp. 973-77.
2,
pp. 263- 84.
PAILLARD,
1983
pp. 66-73.
J.
The functionallabelling of neural codes, in «Experimental Brain Research», VII, pp. 1-19.
47 0
Bibliografie
PALMER, D. C.
Bibliografie
e DONAHOE, J. W.
in the extracellular matrix protein cytotactin, in «Journal of Cell
Essentialism and selectionism in cognitive science and behavior analysis, in «American Psychologist », XLVII, n. I I, pp. 1344-58.
1992 PARISI, G.
n. 2, pp. 247-62. FINKEL, L. e EDELMAN, G. M. Neuroscience», VII, n. 2, pp. 42°9-23.
19 8 9
La construction du cerveau, Hachette, Paris (trad. it di G. Tamburini, La costruzione del cervello, Theoria, Roma-Napoli IJ9 2).
PURVES, D.
19 86
PEARSON, K.
1968
«Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», XC, n. 21, pp. IO 154 - 58. PROCHIANTZ, A.
Plasticity in the organization 01adult cerebral corncal maps: A computer simulation based on neuronal group selection, in «Journal of
1987
PERKEL, D.
Multiple integrins mediate cell attachment to cytotactin/tenascin, in
1993
PEARSON, J.,
1977
Biology», CXIX, n. 3, pp. 663-7 8 . e CROSSIN, K.
PRIETO, A., EDELMAN, G. M.
La nuova fisica statistica e la biologia, in «Sistemi Intelligenti», IV,
199 2
The trophic theory 01 neural connections, in «Trends in Neuro-
Il controllo della locomozione animale, in «Le Scienze», XVIII, n. 103, pp. 38-48. e BULLOCK, T. Neural coding, in «NRP bulletin 6», III, pp. 221-48.
sciences», IX, pp. 486 -89. 19 88
Body and Brain: A Trophic Theory olNeural Connections, Harvard University Press, Boston (Mass.).
1994
Neural Activity and the Growth 01 the Brain, Cambridge University Press, Cambridge (Mass.) - Accademia Nazionale dei Lincei, Roma.
PIATTELLI PALMARINI, M.
1989
Evolution, selection and cognition: From "learning" to parameter setting in biology and tbe study 01 language, in «Cognition », XXXI, pp. 1-44 (trad. it. Evoluzione, selezione e cognizione: dall'apprendimento al posizionamento di interrutori mentali, in «Sistemi Intelligenti», II (1990), n. 3, pp. 277-312).
PICTON, T.
1994
PURVES, D.
Specific connections between nerve cells, in «Annual Review of
Neurobiology 01 conscious experience, in «Current Opinion in
19 84
REEKE, G. JR
s. e PRINCE, A. 1988 On language and connectionism: An analysis 01 a parallel distributed processing model 01 language acquisition, in «Cognition», XXVIII, pp. 73- 1 93.
199°
La visione nell'uomo e nella macchina, in «Le Scienze», XXXII,
Illj 1 1// .11 1I
iIl Il 1
1993
Behaviorally based modeling and computational approaches to neuroscience, in «Annual Review of Neuroscience», XVI,
I~II
pp. 597-623.
I1111 I1
199 2
e WEINRICH,
I11 11
1
111
e MISHKIN,
M.
Massive cortical reorganization after sensory deafferentatidn in adult macaques, in «Science», CCLII, pp. 1857-60.
III
e EDELMAN, G.
1994
gy», CXI, n. 2, pp. 685-98. ANDERSSON-FISONE, C. e CROSSIN, K.
Characterization 01 multiple adhesive and counteradhesive domains
e PALMER, s. 199 1 L'eredità della psicologia della Gestalt, in «Le Scienze», XLVI,
~!
I ~I I
1I 11 1 1
ROCK, lo
n. 270, pp. 60-66.
I11111I11
11 1\ .1I1I1I11 lilllllili 1
I~I~·
\I~
ROLE,L.W.
199 2
ii
I~I
e CHAMBON, P.
A homeotic translormation is generated in the rostral branchial region 01 the head by disruption 0IHoxa-2, whichacts as a selector gene, in «Cell», LXXV, pp. 1333-49.
M.
Localization during development 01 alternatively splicedlorms 01 cytotactin mRNA by in situ hybridization, in «Joumal of Cell Biolo-
I
Ir~1 I I~I
A competitive distribution theory 01 neocortical dynamics, in «Neu-
RIJILI, F. M., MARK, M., LAKKARA]U, S., DIERICH, A. P. D.
1
1II I1 11
M.
ral Computation», IV, n. 3, pp. 287-317.
PONS, T., GARRAGHTY, P., OMMAYA, A., KAAS, J., TAUB, E.
1992
e SPORNS, o. Selectionist model 01 perceptual and motor systems and implications lor lunctionalist theories 01 brain lunction, in «Physica D», XLII, pp. 3 6 7-74.
n. 190, pp. 68-80.
PRIETO, A.,
t
REGGIA,J., D'AUTRECHY, L., SUTTON,!. G.
POGGIO, T.
1990
The ROCKS system 01 computer programs lor macromolecular crystallography, in «Journal of Applied Crystallography», XVII,
pp. 125-3 0 .
Chemorepulsion 01 axons in the developing mammalian centrai nervous system, in «Science», CCLXI, pp. 95-98.
PRIETO, A., JONES, F., CUNNINGHAM, B., CROSSIN, K.
l.11
IIil ~
Physiology», XLV, pp. 553-6 5.
PINKER,
1991
Il
REEKE, G. N. J.
e STUSS, D.
PINI, A.
1984
~I·
1
e LICHTMAN,].
19 83
Neurobiology», IV, pp. 256-65. 1993
47 1
Diversity in primary structure and lunction 01 neuronal nicotinic ace-
I1I
I~ 1
I
1
'-n
r Bibliografie
47 2
tylcholine receptor channels, in «Current Opinion in Neurobiology», II, pp. 254-62.
1961
Principles 01 Neurodynamics: Perceptrons and the Theory 01 Brain Mechanisms, Spartan Books, Washington (D.C.).
RUTISHAUSER, U.
1993
The Netrins define alamily 01 axon outgrowth-promoting proteins homologous to C. Elegans UNC-6, in «Celi», LXXVIII, pp. 409-24.
Natural Categories, in «Cognitive Psychology», IV, pp. 3 28 -5 0 .
ROSENBLATT, F.
Adhesion molecules in the nervous system, in «Current Opinion in
SHADLEN, M. e NEWSOME, W.
Noise, neural codes and cortical organization, in «Current Opinion
'1994
in Neurobiology», IV, pp. 569-79. SHENOY, K., KAUFMAN, J., MCGRANN, J. e SHAW, G.
Learning by selection in the trion model 01 cortical organization, in
1993
«Cerebral Cortex», III, pp. 239-48.
Neurobiology», III, pp. 709-15.
SHILLEN, T. e KOENIG, P.
SACHS, o.
19 84 198 9
A Leg to Stand on, Picador, London (trad. it. di R. Occhetti, Su una gamba sola, Adelphi, Milano 199 1). Seeing Voices, University of California Press, Berkeley - Los Angeles (trad. it. di C. Sborgi, Vedere voci, Adelphi, Milano 199 0 '.
SAGA, Y., YAGI, T., IKAWA, Y., SASASURA, T. e AIZAWA, S.
199 2
Mice develop normally without tenascin, in «Genes and Development», VI, pp. 1821-31.
SCHACHNER, M.
Neural recognition molecules in disease and regeneration, in «Cur-
1994
rent Opinion in Neurobiology», IV, pp. 7 26 -34. SCHELLER, R. H.
1995
Membrane trallicking in the presynaptic nerve terminai, in «Neu-
SCHIFF, S. J., JERGER, K., DUONG, D., CHANG, T., SPANO, M. eDITTO, W.
Controlling chaos in the brain, in «Nature», CCCLXX, pp. 61 5- 20 .
1994
Stimulus-dependent assembly lormation oloscillatory responses, II. desynchronization, in «Neural Computation», III, pp. 167-77. Binding by temporal structure in multipleleature domains 01an oscillatory neuronal network, in «Biological Cybernetics», LXX,
1991 1994
pp. 397-4 05. SHUMAN, E. e MADISON, D.
Locally distributed synaptic potentiation in the hippocampus, in
1994
«Science», CCLXIII, pp. 532-36. SIDMAN, R. L., GREEN, M. C. e APPEL, S. H.
Catalog 01 the Neurological Mutants 01 the Mouse, Harvard Univer-
1965
sity. Press, Boston (Mass.). SKARDA, c. e FREEMAN, W.
How brains make chaos on order to make sense 01 the world, in
1987
rOM, XIV, n. 5, pp. 893-97·
, «Behavioral and Brain Sciences», X, pp. 161-95. SOFTKY, W. R.
1995
(a cura di), ChemicalInlormation Processing in the Brain: Prospect
Irom Retrospect. In Fast and Slow Chemical Signaling in the Nervous System, Oxford University Press, Oxford.
SCHUCH, U., LOHSE, M. e SCHACHNER, M.
19 8 9
Neural cell adhesion molecules inlluence second messenger systems,
SPEMANN, H.
1938
SPORNS, o., GALLY, J., REEKE, G. JR e EDELMAN, G. M.
1989
Genetic analysis 01 neurotransmitter release at the synapse, in «Cur-
SCOTT, M. P.
199 2
SPORNS, o., TONONI, G. e EDELMAN, G. M.
1991
Vertebrate homeobox gene nomenclature, in «Celi», LXXI,
199 2
Pattern generation, in «Current Opinion in Neurobiology», II, pp. 77 6-80 .
Modeling perceptual grouping and figure-ground segregation by means 01 active reentrant connections, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXVIII, pp. 129-33.
pp. 55 1-53. SELVERSTON,A.I.
Reentrant signaling among simulated neuronal groups leads to coherency in their oscillatory activity, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXVI, pp. 7265-69.
SCHWARZ, T. L.
rent Opinion in Neurobiology», IV, pp. 633-39·
Embryonic Development and Induction, Yale University Press, NewHaven.
in «Neuron», III, pp. 13- 20 . 1994
Simple codes versus efficient codes, in «Current Opinion in Neurobiology», V, pp. 239-47.
SCHMITT, F. o.
19 86
473
SERAFINI, T., KENNEDY, T., GALKO, M., MIRZAYAN, C., JESSEL, T. e TESSIERLAVIGNE,M.
1994
ROSCH, E.
1973
Bibliografie
SQUIRE, L. R. e ZOLA-MORGAN, s.
1991
The mediai temporallobe memory system, in «Science», CCLIII, pp. 1380-86.
I 474
Bibliografie
Bibliografie
SQUIRE, L. R.,
o. e EDELMAN, G. M. The problem 01 neural integration: Induced theta rhythms and shortterm correlations, in E. Basar eT. Bullock (a cura di), Induced Rhythms in the Brain, Birkhauser, Boston (Mass.), pp. 3 6 5-93. Reentry and the problem 01 integrating multiple cortical areas: Simulation 01 dynamic integration in the visual system, in «Cerebral Cor-
TONONI, G., SPORNS,
Declarative and nondeclarative memory: Multiple brain systems supporting learning and memory, in «Journal of Cognitive N euroscien-
1992
199 2a
ce», IV, n. 3, pp. 232-43. STAPPERT, J.
1993
e KEMLER, R.
Intrace!!ular associations 01 adhesion molecules, in «Current Opi-
199 2b
nion in Neurobiology», III, pp. 60-66.
tex», II, n. 4, pp. 310-35.
STEELS, L.
1994 STEIN, B. E.
1993
The artiliciallile roots 01 artilicial inte!!igence, in «Artificiallife », I, pp. 75-1 IO. e MEREDITH, M.
Academy of Sciences of the United States of America», XCI, pp. 5 0 33-37.
The Merging olSenses, Mit Press, Boston (Mass.).
TOULOUSE, G., DEHAENE, S.
19 86
Cross-modal plasticity in cortical development: dillerentiation and specilication 01 sensory cortex, in «Trends in Neurosciences»,
National Academy of Sciences of the United States of America», LXXXIII, pp. 1695-98. TOVÉE, M.
e ROLLS,
199 2
1988
The lunctional nature 01 neuronal oscillations, in «Trends in Neu-
Experimenta!!y induced visual pro;ections into auditory thalamus and cortex, in «Science», CCXLII, pp. 1437-41.
SUTTON, G. G., III, REGGIA, J., ARMENTROUT, S., L.
1994
1993
C. L.
I,
Perinatallethality and delects in hindbrain development in mice homozygous lor a targeted mutation 01 the zinc finger gene Krox 20, in «Genes and Development», VII, n. Il, pp. 2071-84. u. e EDELMAN, G. M. Ce!! adhesion molecules in early chicken embryogenesis, in «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United State! of America», LXXIX, pp. 6737-41.
THIERY, J.-P., DUBAND, J. L., RUTISHAUSER,
1982
THOMPSON, R.
1994
n. 2, pp. 259-65.
1993
Genetic deletion 01 a neural ce!! adhesion molecule variant (NCAM-I80) produces distinct delects in the centrai nervous system, in «Neuron», XI, n. 6, pp. 1163-74.
l.
1993
The use 01 hierarchies lar action selection, in «Adaptive Behavior», I, n. 4, pp. 387-420. e SUnHOF, T.
C.
Cartography 01 neurexins: more than IOOO isolorms generated by alternative splicing and expressed in distinct subsets 01 neurons, in
1995
«Neuron», XIV, n. 3, pp. 497-507. e GALLANT, J.
VAN ESSEN, D.
Neural mechanisms ollorm and motion processing in the primate visual system, in «Neuron», XIII, pp. 1-13.
1994
VERMA, A., HIRSH, D. J., GLATT, C. E., RONNETT, G. V.
e SNYDER, S. H.
Carbon Monoxide: A putative neural messenger, in «Science»,
1993
CCLIX, pp. 381-84.
c. Am I thinking assemblies?, in P. Aersten (a cura di), Brain Theory,
VON DER MALSBURG,
1986
Behaviorism and Neuroscience, in «Psychological Review», CI,
TOMASIEWICZ, H., ONO, K., YEE, D., THOMPSON, C., GORIDIS, C., RUTISHAUSER, U. e MAGNUSON, T.
,
Brain Sciences», XII, pp. 121-79.
pp. 1-13.
e GRIDLEY, T.
p. 3 8 7.
TYRREL, T.
ULLRICH, B., USHKARYOV, Y. A.
e D'AUTRECHY,
Cortical map reorganization as a competitive process, in «Neural Computation», VI, n.
SWIATEK, P.
19 8 9
Trembler mouse carries a point mutation in a myelin gene, in «Nature», CCCLVI, pp. 241-44.
IO,
s. Classica l conditioning: The new hegemony, in «Behavioral and
TURKKAN, J.
e ROE, A. w.
SUTER, U., WELCHER, A., OZCELIK, T., SNIPES, J., KOSARAS, B., FRANCKE, U., BILLINGS-GAGLIARDI, S., SIDMAN, R. L. e SHOOTER, E.
1992
E.
rosciences», XV, n.
XIII, pp. 227-33. SUR, M., GARRAGHTY, P. E.
e CHANGEUX, J.-P.
Spin glass model ollearning by selection, in «Proceedings of the
Vetri di spin, in «Le Scienze», XLIII, n. 253, pp. 36-42.
SUR,M.
199 0
A measure lor brain complexity: Relatinglunctional segregation and integration in the nervous system, in «Proceedings of the National
1994
A.
STEIN, D.
19 8 9
475
WALTER, J.,
19 8 7
Springer-Verlag, Berlin, pp. 161-76 . KERN-VEITS, R., HUF, J., STOLZE, B. e BONHOEFFER, F.
Recognition 01 position-specific properties 01 tectal celi membranes by retinal axons in vitro, in «Development», CI, pp. 68 5-9 6 .
WEIBEL, E. R.
1979
Stereological Methods, I. Practical Methods lor Biological Morphometry, Academic Press, New York.
Bibliografie
47 6
WEISSKOPF, M., ZALUTSKY, R. e NICOLL, R.
The opioid peptide dynorphin mediates heterosynaptic depression of hippocampal mossy fibre synapses and modulates long-term potentiation, in «Nature», CCCLXIl, pp. 4 2 3- 2 7.
1993
WERNESS, S. A., DALE FAY, S., BLACKWELL, K. T., VOGL, T. P. e ALKON, D.
199
Associative learning in a network model of Hermissenda crassicornis, I. Theory, in «Biological Cybernetics», LXVIII, pp. 12 5-33. Associative learning in a network model of Hermissenda crassicornis, II. Experiments, ivi, LXIX, pp. 19- 28 .
2
1993
WESTBROOK, G. L.
Glutamate receptor update, in «Current Opinion in Neurobiolo-
1994
gy», IV, pp. 337-46 . WILLIAMS, c., NORDQUIST, D. e MCLOON, S.
Correlation of nitric oxide synthase expression with changing pattern5 ofaxonal projections in the developing visual system, in «Journal of
1994
Neuroscience», XIV, n. 3, pp. 174 6 -5 8 . WILLIAMS, E., DOHERTY, P., TURNER, G., REID, R., HEMPERLY,
199
J.
e WALSH, F.
Calcium influx into neurons can solely account for cel! contactdependent neurite outgrowth stimulated by transfected LI, in «Jour-
2
nal of Cell Biology», CXIX, pp. 883-9 2 . WISDEN, W. e SEEBURG, P. H.
GABAa receptors channels: From subunits to functional entities, in «Current Opinion in Neurobiology», Il, pp. 2 63- 69.
199
2
J., COHEN, K. e FALK, C. 1994 Neural activity duringdifferent behaviors in Aplysia: A distributed organization?, in «Science», CCLXIII, pp. 820- 2 3.
WU,
YIN,
J.
C. P., WALLACH, J. S., DEL VECCHIO, M., WILDER, E. L., ZHOU, H., QUINN,
W. G. e TULLY, T.
1994
Induction of a dominant negative CREB transgene specifically blocks 8 long-term memory in drosophila, in «Cell», LXXIX, pp. 49-5 .
ZACCARIA, R.
199
0
ZEKI, S.
1993 J., 1994
ZHENG,
Verso una rappresentazione della conoscenza motoria, in «Sistemi Intelligenti», II, n. I, pp. 95- 1 I7. A Vision of the Brain, Blackwell, Oxford.
FELDER, M., CONNOR,
J.
epOO, M.-M.
Tuming of nenJe growth cones induced by neurotransmitters, in «Nature», CCCLXVIII, pp. 14 0 -44.
ZHUO, M., SMALL, S., KANDEL, E. e HAWKINS, R.
1993
Nitric oxide and carbon monoxide produce activity-dependent longterm synaptic enhancement in hippocampus, in «Science», XXLX, pp. 1946 -5 0 .
Indice analitico
----l
"'T....
accoppiamento: - del segnale al gruppo in Darwin I, 59· definizione di -, 54· punteggio soglia, 59, 60. adattamento, selezione somatica dei gruppi neuronali, I2, 26, 79, 80, 366 . adesione cellulare, meccanismi modulatori nella, I37. afferenze talamiche nelle mappe, I5 6 , I9 2, I94· aggregazione cellulare selettiva, I3 I. anelli rientranti, 260, 265. anfiosso, 250, 25I. anticorpi anti-CAM ed effetti sull'organizzazione della mappa retinotettale, I44, I45· apparenza unitaria del mondo esterno, 48 . appartenenza all'insieme, e regola polimorfa, 36. apprendimento, 234, 33 2: - adattativo, 358, 37I. - comunicato, 352. - neotenico, 344-47· - rinforzato, 340. - selettivo, 34 2, 345-47· - vero, 33 2, 337, 344· aspettativa e -,336-38. categorizzazione percettiva nell'-, 335, 337,35 8 ,37I. categorizzazione percetto-motoria nel1'-,28r. condizionamento pavloviano e -,334, 337-39· coppie di classificazione e -, 346. correlazione del contesto e -,333· criteri per l' -,336. definizione di -, 336. esempi singoli, 287. fondamenti neurali dell'-, 332-34.
gerarchie selettive durante 1'-, 34 2345· interpretazione moderna degli esperimentinell'-, 333-)6. modello per l' -,346-50. modificazione del legame nel mappaggio globale nell' -,349· organizzazione delle coppie di classificazione nelle mappe, 348. reti dedicate all' -,350. ruolo della sorpresa nell' -, 336-38. scopi della teoria per 1'-,345· sottosistemi condizionabili nell' -, 349· teoria dell'-, 333,33 6 . teoria classica dell'-, 333· teoria della selezione dei gruppi neuronali e -, 345-5I. traduzione in prestazione, 335· apprendimento associativo e generalizzazione, 36. apprendimento neotenico, definizione di-,344· approccio funzionalista alla psicologia, 29· arborizzazioni, I53-57, I94, I95· arborizzazioni sovrapposte, dendritiche e assonali, 43, 58, I53-57, I68, 370: - e sinapsi multiple, 42. limiti anatomici delle -, I96. mappe rientranti e -, I88-99· variazione della sede sinaptica nelle -, 3 66 . aspettativa, ruolo nell'apprendimento, 33 6 -3 8 . assestamento centro-periferia nello sviluppo, I33. attività correlata nella selezione dei gruppi, I95. attività motoria, influsso sulle lamine sensoriali, 264-7°.
-~l
4 80
Indice analitico
Indice analitico
automi percettivi, regole di base del progetto, 31 I; vedi anche Darwin I, automa; Darwin II, automa; Darwin III, automa, e mappaggio globale. Baldwin,]ames M., 14. Bartlett, Frederic, 304, 37 2. Bernstein, Nicholas, 72, 24 2, 244, 253-59, 263, 267,295. bilateralità, 178. Brodal, Alf, 47,121. Bullock, Theodore, 169· cablaggio, 24: - punto a punto, 44,77· competizione tra gruppi, 200. CAM,39: cicli collegati di espressione, 114· cicli di regolazione, I II-I3· coppie, Il2, Il4. distribuzione nel SNC, 99· distribuzioni, 108, II L induzione secondaria, I 17. modalità di legame, 90. CAM, ciclo delle: - e controllo delle configurazioni neurali, 138. geni regolatori e -,185. modificazioni evolutive e -, 185. CAM, espressione delle: controllo della -,94. correlazione con il movimento cellulare, 117. ipotesi dei regolatori e -, I I I. modulazione della -, 108, 109. regolazione della -, 103. regole epigenetiche, 109. sequenze, 96-102. siti, 103. CAM, funzione delle, 86: - e scompaginazione, 103· formazione dei confini, 105, II L induzione embrionale, 105. morfogenesi, 84-96. perturbazione della -, 103. ruolo causale della -, 102-8. ruolo della -,84. CAM, geni regolatori delle, II2, Il8: ciclo delle CAM, 185. espressione dei -, 181. variazioni nei -, 184.
CAM, modulazione delle, 99, 129, 18 5, 360 : - differenziale, 138. legame nella -, 94· meccanismi di -, 94, 95, 115· modi di -, 108, 109. modificazione della -, 107. superficie cellulare e -, 136. campi a barile, sistema somatosensoriale dei roditori: periodo critico, 157, 158 .. sovrapposizione, 154-56. campionamento parallelo e classificazione, 245,27 0 . campi recettivi: mappa, 217, 219. sovrapposizione dei -, 196,370. campo motorio, 262. canali sensibili al voltaggio: frazione in stato stazionario dei 21 3. modificazione dei -, 2 II, 2 13. stati funzionali dei -, 2 I I. variazione nella corrente locale, 215. canali sensomotori, 360. canto degli uccelli e apprendimento, 34 1344· categoria, definizione iniziale, 279, 280. categorizzazione, 31, 32, 200, 280- 8 3: - concettuale, 282, 297,29 8 . - disgiuntiva, 282, 307. - e definizione degli oggetti, 265. apprendimento e -,338. apprendimento vero e -,358. basi per la - adattativa, 270. condizionamento classico e -, 340. coordinazione delle configurazioni di movimento e -,252. descrizioni veridiche, 29 8 . formazione delle categorie, 4 6 . funzione della -, 294· gesti e -,260,271. insieme polimorfo nella -,36. meccanismi, 79-80. organizzazione parallela delle differenti modalità, 163, 164. problemi legati alla -,29, 30, 78 . restrizioni e definizioni della -, 27 8-80 . riassunto critico della -, 294-97· ricerche sulla -,281,282. ruolo del mappaggio globale nella -, 26 4, 26 5.
suoni linguistici della -,29 1-93. Vedi anche categorizzazione percettiva. categorizzazione concettuale, 282, 297, 298. categorizzazione percettiva, 29-38, 80, 281-94,33 2,35 1: - addattativa, 240. - e generalizzazione nei piccioni, 284-88 . - e interazione tra mappe sensoriali e motorie, 240, 241. - quale precondizione per l'apprendimento convenzionale, 79, 80, 334, 335,35 8 . capacità per la -,345· carattere guidato dal contesto della-, 35· definizione di -, 358. fondamenti neurali della -,273-74· gesti e -, 267. importanza per l'apprendimento della-, 337, 371. natura relativa e dipendente dal contesto della -,32,33. substrato neurale e -,305,306,350. teoria della selezione dei gruppi neuronali e -, IO, II. categorizzazione percetto-motoria, 281. cefalizzazione, 168, I 69. cellule della cresta neurale, posizione delle, 132. cellule ectopiche nello sviluppo, 129, 131. cellule di Mauthner, 169, 17 0 . cellule di Mueller, 169, 170. cellule di Rohde, 169, 17 0 . cellule di Rohon-Beard, 17 0 . cellule di Schwann, 107. cellule piramidali, 19 2. cellule postsinaptiche, modificazioni nelle, 206,207· cellule presinaptiche, modificazioni nelle, 206, 207. centri edonici e valori nell'apprendimento, 340, 345, 35 0 . centri neurali specializzati, 344· cervelletto: funzione del -,260,262. organizzazione locale del-, 170. sequenza delle sinergie nel-, 307. cervello: adattamento somatico al cambiamento muscoloscheletrico e -,247·
4 81
funzionalità del-: teorie selezioniste del-, 78. Changeux,]ean-Pierre, 18, 19, 206, 20 7, 246,364. Chomsky, Noam, 44,297· circuiti neurali: - sovrapposti e degenerati, 12 3. configurazione e -, 79· circuiti paralleli, evoluzione dei, 175-80 . circuiti rientranti, 370. citoarchitettonica, 147· citodifferenziamento, 185, 186. citotactina, 87, 102: - nei nodi di Ranvier, 107. _ nel movimento dei neuroni, 116. anticitotactina, 103. espressione nelle cellule di Schwann, 107. modulazione della -, II6, 131. classificazione: - da parte degli automi (Darwin II), 3 2 1. - della memoria, 276. ambiguità della -,298. coarticolazione nel linguaggio, 295· codificazione neurale, 43-4 6 . colonne di dominanza oculare, 116, 157159· complessi funzionali, 252, 253, 27 2, 273; vedi anche sinergie. complesso amigdaloideo, 306., complesso motorio, definizione di, 27 2, 276. componenti sensomotorie, ruolo nel mappaggio globale, 350. comportamento: - e condizionamento, 33 8 -41. - ed embriologIa comportamentale, 253-59· - globale, 349. ruolo della variabilità e della selezione nel-, 33 8 , 339· concezioni concettualiste, 16, I7. concezioni riduzionistiche, 28, 29· condizionamento: - classico, 334, 337-39· - e comportamento, 338-41. - involontario, 348. - operante, 334, 33 8 , 339· condizionamento classico e apprendimento, 334, 337-39·
\ I
Il
I Il . I
I
I.
I
I \
~ 482
I I,
Indice analitico
condizionamento operante e apprendimento, 334, 33 8 , 339· . condizionamento pavloviano e apprendimento, 334, 337-39· configurazione spaziale, topologia, 257, 25 8. configurazioni di movimento, vedi gesti. configurazioni rientranti anatomiche, IO. connessioni, anatomiche e funzionali: - aberranti, 179. - associative di ordine superiore, 302. - orizzontali, 190-92. classi tra gruppi, 225-27. coerenza locale delle -,201,202. formazione delle -, 132, 133. non-univocità funzionale delle -, 254. ridistribuzione delle -, 175. sottosoglia, 219. connettività: - funzionale, 359. dogma a senso unico, 314. Vedi anche connettività rientrante. connettività rientrante, 264: - della corteccia ai gangli basali, 251. - e dinamica verticale e orizzontale, 19 8 , 199· - negli automi percettivi, 317, 3 I 8. evoluzione della -, 170, 171. significato adattativo della -, 171. sistemi sensoriali e -, 262, 263. cono di crescita, guida del, 138. contesto nella percezione, 3 2, 33. continuità, 262, 272, 273. controllo a cascata della espressione genica, II4, II5. coppie di classificazione, 70, 169: - e memoria a breve termine, 308, 3 0 9. - e ricategorizzazione, 304, 305. - in Darwin II, 322. - nell'apprendimento, 346. - nel mappaggio globale, 334. - rientrante, 235, 302 , 346. continuità tra -,308. formazione delle -,200,201. funzione delle -,305,306. legame nelle -, 17 I, 308, 346-48. organizzazione nelle mappe e -,347. successione e legame, 305, 306. variazioni corticali sinaptiche nelle -, 3 0 7. copresentazione, 293.
Indice analitico
'I
correlazione dei caratteri: - e automi percettivi, 316. - globale, 297. - nella percezione, 262-70, 272, 273. corteccia: afferenze sovrapposte nella -, 193-95. connessioni rientranti ai gangli basali dalla -,251-60. effetti patologici previsti dalle alterazioni nella -,371. funzioni della -,260-62. corteccia somatosensoriale: mappe variabili nella -,48. sovrapposizione dei campi recettivi nella-, 151, 152. variazioni nei campi recettivi dopo lesioni periferiche nella -, 15 I, 152. Cowan, Maxwell, 52, 58, II5, 122, 127129, 131-33, 139, 140, 18 5. Darwin, Charles, 13, 23,30,373. Darwin I, automa, 59: comparazione delle funzioni di riconoscimento teoriche e sperimentali, 59, 60. riconoscimento degenerato da parte di-,59· riconoscimento incrociato di stimoli correlati, 59, 62. I statistica del riconoscimento selettivo in -, 59, 62 Darwin II, automa, 64, 310-30: caratteristiche di base di -,328,329. classificazione da parte di -, 321. concezioni schematiche di -, 323. connessioni inctociate in -,323. coppie di classificazione in -, 322. criteri di successo per -, 319. funzione di amplificazione in -,314. funzione di risposta in -,312-13. limiti delle prestazioni e prospettive di -,3 28 -3 0 . numero di gruppi per repertorio, 314. piano semplificato di costruzione, 314, 3 1 5. progetto del sistema -,311-19. regole di base del progetto -, 3 I 2. repertorio riconoscitore in -,3 I 7,318. rete Darwin in -,315,316. rete Wallace in -, 315, 316. riconoscitore dei riconoscitori, 316, 3 17,3 22 .
risposta in -,319-28. risposte dei singoli repertori in -,317, 3 18 . struttura dei gruppi in -,312,313. test di richiamo associativo in -,3 2 53 2 7. Darwin III, automa, e mappaggio globale, 3 2 9. deafferenziazione, effetti di parziale, 189. decussazione dei tratti nell' evoluzione, 166, 169, 170. degenerazione, 8,9,78,79,123,205: - come proprietà popolazionistica, 58. - dei meccanismi comportamentali, 34 0 . - del modello di innervazione, 253· - del repertorio secondario, 59. - negli automi percettivi, 60, 317. - nel mappaggio locale, 124. assunti della -,65. conservazione evolutiva nei sistemi distribuiti della -,186,187, disgiunzioni e -, 299. gesti e -,259. necessità della -, 57, 58. origine anatomica della -, 67. origini della -, 186. depressione sinaptica, 220-24,307. differenziamento, 131, 13 2, 177, 178 . differenziamento neuronale, 13 I, 132. distribuzione popolazionistica dei canali nella regola postsinaptica, 2 I I. distribuzione postsinaptica, 134, 135, dogma a senso unico, 24· Ebbesson, Sven, 166, 168, 170, 175-80. Eccles, John, 48,205,206,358. efficacia postsinaptica, 229-32. efficacia presinaptica, 220. elaborazione di informazione, vera, 35 2 , 359,3 6 3: reti rientranti e -,351-54. embriogenesi, sequenza di espressione delle CAM nella, 96-102. equivalenti neocorticali nella evoluzione, 177· espressione afferente nei campi recettivi, 19 8. espressione delle SAM, 101, 103-6: - e ipotesi del regolatore, I I I. espressione genica, controllo a cascata della, II4, II5·
483
estrazione dei caratteri, 270. eterocronia, 179, 180,34 8 : funzione delle mappe e -, 199-203. relazione con l'ipotesi del regolatore, . 180-86. etologia, 16. evoluzione, 17: struttura e temi, 162, 275· facilitazione sinaptica, 220, 222. fattore di crescita della cellula nervosa, 101. fibre postgangliari, 134· Finkel, Leif, 6,19,23,38,39,51,52,67, 124,154,188,206, 20 7,224,227. forma del movimento e topologia secondo la definizione di Bernstein, 257· formazione dei caratteri, 298. formazione della mappa: aggregazione cellulare selettiva nella -, 13 1 assestamento centro-periferia nello sviluppodella-, 134. citodifferenziamento neuronale e 13 2 , 133· componenti della -, 191. o formazione delle connessioni durante la -,132-34. migrazione cellulare e -, 129-3 I. morte cellulare nella -, 132. proliferazione cellulare nella -, 128. vincoli di sviluppo nella -,127-35. formazione delle spine sui dendriti, 13 l. forza presinaptica, 193, 22 l, 222. forza sinaptica, variazioni nella, 314; vedi anche regola postsinaptica; regola presinaptica. funzione: - e campi recettivi corticali, 172. - e legame delle coppie di classificazione, 171. - fenotipica, 165. localizzazione della -,164,165. modifica nella struttura, 131. scomposizione della - globale, 165. funzione di accoppiamento, definizione in Darwin l,58, 60. funzione motoria e teoria della selezione dei gruppi neuronali, 255-57· funzioni di riconoscimento: comparazione teorica e sperimentale, 60,61.
1[1
:11
Ilf I
l'I
'
I 1II1I
'I Iii I I
Il
Il
It
Il !II Il
Il I 11
I
II1 1
11I
11I
I
III III ,I
I
I
484
Indice analitico
definizione di -, 54,55. dipendenza dalla variabilità del repertorio, 54, 55· valore critico di N,56, 57. funzioni globali, definizione di, 239. gangli basali: aspetti funzionali, 260, 262. connessioni rientranti con la corteccia, 25 1,260. ganglio cervicale superiore, 134. ganglio metatoracico nella cavalletta migratoria, 40. gemmazione neurale, 139,368: - dopo la resezione e la sutura del nervo,154· connessioni aberranti e -,178,179. generalizzazione, 32-36, 43, 78: - negli automi percettivi, 322. - nei piccioni, 283-88. - nella categorizzazione, 28 I. - percettiva, 33-35, 37· apprendimento associativo e -, 35. organizzazione neurale e -,297-3°3. requisiti strutturali essenziali per la-, 266, 267. selezione somatica e -,359. stimolo e -, 296. generatore centrale di modelli e movimento ritmico, 25 I, 257, 258. generatori di modelli centrali, 251, 257, 25 8 . gene regolativo, variazioni nel, 180. geni istoregolatori, II2, II9, 180, 181. geni istoregolatori e ruolo nei cicli delle CAM e nello sviluppo, 112, II9, 180, 181. geni morforegolatori, 180, 181. geni morforegolatori e ruolo nei cicli delle CAM e nello sviluppo, 180, 181. gesti: - come fonte della correlazione dei caratteri, 262, 263. - e mappaggio globale, 260, 262. - prototipici, 262, 263. categorizzazione e -, 260. classi di -, 241. complessi funzionali dei -,272,273. definizione di -, 260. fondamenti funzionali dei -,253-59. selezione dei gruppi neuronali e 259- 64.
Indice analitico Gibson,]ames, 38, 268,269,289. glia radiale, 102, 103, 129, 130. «grande anello» dell'evoluzione, 353; vedi anche «piccolo anello» dell'evoluzione. grande dominio polipeptidico della NCAM, 94, 101. gruppi neuronali: - multipli con differenti strutture, 57. classi di connessioni nei -,225-27. competizione da parte dei -, 190, 195- 200 . confinamentodei-, 190, 192. definizione di -, 53, 54. definizione funzionale di -, 190. dinamica dei -, 190. formazione dei -, 217. proprietà funzionali dei -, 2 17. selezione non isomorfica e -, 300. struttura per la rottura della degenerazione, 219, 220. suddivisioni dei -,3°°. variabilità dei repertori e -, 54. gruppo, vedi gruppi neuronali. Hamburger, Viktor, 240, 246, 338, 344, 34 8 . Hayek, Friedrich, 16,33,39,2°5,2°7. Head, Henry, 240, 295, 303. Hebb, Donald, 16, 205-7, 229, 273. Herrnstein, Richard, 33-35,283-88,295. Holtfreter, ]ohannes, II7. homunculus, 48. Hubel, David, II5, 125, 157, 158,264, 344· idee selezioniste: declino e rinascita delle -, 14-18. distinzioni critiche tra le -,22-25. requisiti generali delle -, 22. ignoranza neuronale, dottrina della, 78, 366. illusioni visive, 33. imitazione nell'apprendimento, 342. impronte uditive, 342. inattendibilità, azione neutralizzante nei sistemi distribuiti, 123. induzione della penna, 105-8, II4, II5. induzione embrionale, 105-8, II4, II5. induzione neurale, modulazione della superficie nella, 116. inputeterosinaptici, 2II, 215, 216. input omosinaptici, 2 II -I 3.
insieme polimorfo, 359, 360: definizione di -,299. mappaggio globale e -,3°1. integrazione nei livelli superiori, 45, 46. interazioni eterosinaptiche, 366, 367. interneurone e decussazione, 170. interrogativo biologico nelle neuroscienze, 35 8 . ipotesi della connessione per scivolamento nelle mappe retinotettali, 142, 143. ipotesi del regolatore, 9, 10,84, 108-15, II7, 360, 364, 365: - applicata allo sviluppo del sistema nervoso, 185. - e regolazione della morfogenesi, II4, II5· - e relazione con l'eterocronia, 180, 18 5. - e ruolo dell'espressione delle SAM, I I I.
- e teoria della selezione dei gruppi neuronali, 181-84. - nei sistemi induttivi, 185. ciclo regolativo delle CAM, III, II2. ipotesi della parcellizzazione e -, 183186. Vedi anche CAM, espressione delle. ippocampo, 305-8. istruzione nelle teorie globali del cervello, 25- 2 7. ]ackson, ]ohn HughIings, 16. ]ames, William, XVIII. lamine, evoluzione nel SNC, 162-64, 174180. lamine recettoriali, eccitazione simultanea delle, 269. lamine sensoriali, influsso dell' attività motoria sulle, 264-69. Lashley, Karl, 123,163,164,309. L-CAM: anticorpi anti -, 103, 105-7, 114, 115. distribuzione della -,98, 109. distribuzione sovrapposta della -, 109. legame della -,88. presenza prima della gastrulazione della-,97· struttura della catena lineare della -, 87· legge dell'effetto (Thorndike), 16, 17.
485
Liberman, Alvin, 241, 257, 273, 293, 294,297' locomozione: funzione delle spalle nella -, 249. sensi specializzati e -,250. logica del trasmettitore: definizione di -, 232,233. relazione con le regole sinaptiche, 232, 233,3 68 ,3 6 9. Lorente de No, Rafael, 192. lunghezze dendritiche, 131. mappa cerebrale primaria, 125: variazioni nella -,42. mappa: - e astrazione di ljvello inferiore, 125. - motoria, 270. - punto-area, 124. - punto a punto, 124. - retinotettale, 144, 145, 160, 172. anatomia degenerata della -, 219. aspetti funzionali della -, 123. campo recettivo e -,217,219. conservazione dinamica della struttura della -, 154. continuità topografica della -, 189. definizione dei confini e -, 196, 36837 0 .
definizione di -, 123. dinamica cellulare della -,121-23. dominio della -, 125. importanza della funzione della 13 2 . input multimodale alla -, 360. organizzazione della -,123,140-46. organizzazione delle coppie di classificazione nella -, 348. perfezionamento della -, 144. proiezione retinotettale nella -, 14°14 6. riorganizzazione della -, 147-54. simmetria fondamentale nella -,270. sviluppo della -, 38, 39. tipi specifici di mappe e traduzione di primo ordine del segnale, 125. Vedi anche rappresentazione. mappa dell' adulto: competizione stabilizzata in circuiti fissi, 146-60. variazioni legate a periodi critici, 157160.
I
I
I
I
I
Il
i I
---,-
486
Indice analitico
Indice analitico
mappa funzionale, 187, 188, 198, 199: eterocronia e -,199,2°3. variabilità della -, 149-54· mappaggio, 78, 122: - degenerato,254, 255,294, 295· - in successione, 127. canali paralleli nel -, 36 I, 362. inpute-,24I. modellodel-, 187, 188. neotenia e -, 200, 201. organizzazioni e rientro nel-, 368-7°' rappresentazione nel-, 123-27. ruolo della regola postsinaptica nel -, 211-20. strutture fenotipiche periferiche e -, 202. variazione sinaptica nel -, 139· mappaggio globale, 71,72, 12 5, 233-35, 239,27°,361,362: - come base per le risposte dipendenti dall'insieme, 271. - in Darwin III, 329. anelli rientranti e -, 266. categorizzazione e -,264,265. combinazione e -, 267. componenti sensomotorie e insieInÌ nel -,34°,35°. coppie di classificazione nel -, 334, 335· costruzione e formazione del -, 262, 26 3. funzione del-, 27 1, 339· gesti e -,260,262. insiemi polimorfi e -,3°1. legame nel-, 349. mappe locali e -, 240. modelli circuitali per il-, 363. parallelismo nel -, 276. ruolo del sistema motorio nel-, 295· ruolo nella memoria ricategoriale nel-, 27 6. selezione differenziale e -,27 2 ,273. mappa locale, 124, 125: mappaggio globale e -,240' proprietà di continuità della -, 127. significato funzionale della -, 125. mappa motoria, costruzione della, 270. mappa presuntiva, 108, IlO. mappa retinotettale: continuità topologica della -, 17 2. effetti degli anticorpi anti-CAM sull' organizzazione della -,144,145' formazione della -,16o.
mappa sensoriale, costruzione della, 270. mappa somatosensoriale: aree silenti dopo le lesioni nella -, 149154· lesioni nella -, 147-50 modello della -,218. movimenti dei confini nella -, 147-51. riorganizzazione della -, 149-52. variazioni nella -, 147-49· variazioni temporali dopo lesioni nella -,147-5°. mappe corticali, variabilità, 45, 4 6 , 67, 147-54· mappe rientranti, 187-99. Marler, Peter, 17,29,31,38,138,282, 283,296,3°2,332-34,341-44,348. Marr, David, 43, 44, 206, 26 7, 26 9. mascelle faringee, sviluppo nei pesci, 247· memoria, 303-9: - a breve termine, 305-8. - a lungo termine, 3°7, 308. - categoriale, 235, 236. - come ricategorizzazione, 277, 279, 280,3°3,3°8,3°9,361,362. - dichiarativa, 308. - e informazione e archiviazione, 3°3-5· - e variazione sinaptica, 233-36. - ricategoriale, 276. classificazione della -,276. continuità dinamica della -, 305, 306 . definizione di -,276,299· fondamenti della -, 277· fondamenti percettivi della -, 303-5· legame con la percezione, la categorizzazione, e la generalizzazione della -, 303. natura distribuita della -, 308. memoria categoriale, 335, 33 6 . memoria ricategoriale, ruolo del mappaggio globale nella, 276. memorizzazione, 342. Merzenich, Michael, 67, 12 3, 147-54, 187-89,191,219,371. metamerismo nella evoluzione, 166, 167· migrazione cellulare, 129-3 I. MilIs, Wesley, 13· modellazione neurale, I I 6, I 17: controllo modulatorio da parte del ciclo delle CAM, 138. criteri esplicativi della -, 135·
fasi nello sviluppo della -, 128. fondamenti epigenetici della -,122. fondamenti evolutivi della conservazionedella-, Il7. modelli selettivi e competitivi per la-, 13 2 . ruolo della selettività nella -, 128. modelli, classi di, 259. modelli a elaborazione di informazione, 28,29,43-49: - e informazione definita a priori, 50. - e mancanza di un cablaggio punto a punto,44· descrizione composita dei -, 44. principali difficoltà nei -, 50. questioni strutturali e funzionali irrisolte nei -, 45-47. sinapsi silenti e -,48. modelli di andatura a età differenti, 256. modelli istruzionisti, 46-49: questioni funzionali e strutturali irrisolte dei -,45-47. ruolo della complessità allivello superiore successivo dei -, 48. modello confinamento-selezione-competizione, 368-70: competizione tra gruppi, 19°-92, 195201. confinamento dei gruppi, 190-93. selezione dei gruppi, 190, 193-95. modello della cheInÌoaffinità, vedi teoria della chemiospecificità. modello delle due regole, IO, 224-27,3663 6 9: logica dei trasmettitori e -, 232-34. modello del mnemòne, 17-19. modello sinaptico popolazionistico, 205-
4 87
modulazione della superficie cellulare, ' 101,136: - nella morfogenesi, 84-95. molecola di adesione cellulare neurale, vediN-CAM. molecola di adesione cellulare neuroneglia, vedi Ng-CAM. molecola di adesione della cellula epatica, vediL-CAM. molecola di adesione del substrato, vedi SAM. molecole di adesione oellulare, vedi CAM. morfogenesi: modulazione delle CAM e della supercie cellulare nella -, 84-95. regolazione della -, 114, I I 5. variazioni nello sviluppo influenti sulla -,201.
Morgan, Lloyd, 13. morte cellulare, 132, 138: - ed eterocronia,-200, 201. connessioni, competizione e -, 161. Mountcastle, Vernon, 76, 124, 125, 163167,185,186,19°-92,241,260,262, 263,267,27°. movimenti che determinano la forma nello sviluppo, 1°3. movimento: - definito dalle sinergie, 262, 263. analisi del-, 243,244. ruolo della selezione nel -, 241, 262, 26 3,27 1,3 63. movimento degli arti, biomeccanica del, 255· muscolo mascellare, attività elettromiografica nel pesce percoide e ciclide, 247,24 8 .
2 l I:
- che segue le due regole, 227-32. regola postsinaptica, 215, 216. regola presinaptica, 220-22. modificazione postsinaptica, 366, 367: - a breve termine, 224, 235. vincoli temporali sulla -,214. modificazione presinaptica, 366, 367= - a lungo termine, 224, 225, 235. modificazioni eterosinaptiche in alternativa alle modificazioni omosinaptiche, 2°7· modificazioni omosinaptiche in alternativa alle modificazioni eterosinaptiche, 2°7·
N-caderina, 88. N-CAM: - nei nodi di Ranvier, 107. - nella piastra motoria, 1°4. - nelle cellule di Schwann, 1°7. anticorpi anti -,1°3, 144, 145. catena dp della -, I I 7. controllo dell' espressione nello sviluppo della -,94. conversione dalla forma E alla forma A della -,92,93, 101,1°7. distribuzione della -,98,99, 109, l IO. distribuzione sovrapposta della -, 109, IlO.
T 488
Indice analitico
espressione della -,101, II 1,185. forme A della -,91-93. forme E della -,90-93. gene per la -, 9 2, 93· meccanismi di legame della -,9 0-93. mediazione della fascicolazione da parte della -,13 2-34. modulazione chimica della -, 90, 9 I. modulazione della -,90-93, II6, I3I. presenza prima della gastrulazione della-, 97. prevalenza della -, 103, 104, 107, 185· struttura lineare della catena della -, 87· neonati, riconoscimento di oggetti e uditivo da parte dei, 288-94· neotenia, 200, 20r. neuriti: crescita dei -, 138. scel ta del percorso da parte dei 136-38. neuroanatomia: conservazione della -, 12 I. variazione della -, 365-67. neurobiologia, concetti selezionisti in, 12, 13· neurofisiologia, concezione popolazionistica della, 26, 27· neurogenesi, sequenza di espressione delle CAM durante la, 96-102. neuroni: forme varianti di -, 185, 186. schema degli input sinaptici, 209. variabilità dei -, 65· neuroni corticali come rilevatori di caratteri,264· neuroni pregangliari, 134· neuroni talamici come rilevatori di caratteri,264· Ng-CAM: - nei nodi di Ranvier, 105-7. anticorpi anti -, 103. distribuzione della -, 109, I IO, 185. espressione della -, I I 2, 185. espressione nelle cellule di Schwann della-, 107. legame della -, 90, 91. mediazione della fascicolazione da parte della -, 132-34. microsequenza di comparsa durante lo sviluppo della -,98-100.
Indice analitico modulazione della -, II6-3 r. struttura lineare della catena della -, 87· nicchia ecologica: - nel comportamento, 359· ambiguità della -, 5,6. nuclei, evoluzione dei, 162-64, 174- 80 . nucleo della colonna dorsale, evoluzione dei lunghi tratti rientranti, 17 I. organizzazione neurale e generalizzazione, 297-3 03. paradigma S-R (paradigma situazione-risposta o stimolo-risposta), 14- 17. parallelismo, 166, 167. parcellizzazione: - ed evoluzione, 174, 175· - orizzontale, 178. - verticale, 178. confronto con l'ipotesi dei regolatori, 185, 186. grado di -, 175. eventi durante lo sviluppo e -, 17 8 , 179· ipotesi di Ebbesson, 172. meccanismo di -, 175. proiezioni retinotettali e -, 178, 179· Pavlov, Ivan, 333· P-caderina, 90, 9I. pensiero popolazionistico, II-13, 29, 30 , 51: - in neurofisiologia, 25· relazioni con il comportamento, 26, 27· requisiti del-, 79,80. percezione, 332: - come tassonomia interna, 3 I . contributo al complesso motorio, 27 2, 273· definizione di -, 3 I. meccanismi plurimi della -,45,46. periodo critico nella -,344· percezione diretta, 268. piccioni, generalizzazione da parte dei, 283-88 . «piccolo anello» dell'evoluzione, 146, 353· piccolo dominio polipeptidico della NCAM,9 2-94· piccolo dominio polipeptidico superficiale della N-CAM, 92, 93· plasticità delle mappe nell'adulto, 146-49,
potenziamento a lungo termine, 307. potenziamento neurale, 257, 272, 273. processi preattentivi, 48. processi primari: - e selezione, 135-39. - nello sviluppo, 85. prodotti genici, espressione regolata dei, 182-84. programma motorio fisso, 342. programmi motori centrali, 342. proiezione retinotettale: - e mappa, 140-46. parcellizzazione e -, 178, 179. proiezioni, organizzazione funzionale delle, 76. proiezioni corticotettali, 172. proliferazione cellulare, 128; 129. proprietà dei segnali, 293. proprietà di stabilità, 221-23. proprietà topologiche definite da Bernstein, 267. prototipicità nella categorizzazione, 296, 297· Pseudemys, rete visiva dello, 171-74. questione etologica nelle neuroscienze, 35 8 . questione psicologica nelle neuroscienze, 35 8 . ramificazione dendritica, 138. Ram6n y Cajal, Santiago, 4°-42, 84, 139, 2°5· rappresentazione: mappaggio e -,123-27. relazione con la mappa spaziale ° topografica, 124. Vedi anche mappa. rappresentazione corticale, competizione darwiniana per la, 196. recettori muscolotendinei, 244, 245. Reeke, George, 6, 51, 59, 69, 78, 310, 3 II ,3 28 . regioni temporomediali, 305, 306. regola di Hebb, 229, 366, 367. regola polimorfa e appartenenza all'insieme, 36. regola postsinaptica, 2II-20, 366, 367, 37°,37 1 : effetti eterosinaptici e -,230. effetti popolazionistici nella rete e -, 224-27.
489
forma piti generale della -, 2 II, 2 I 2. indipendenza della -,36o. logica dei trasmettitori e -, 344. meccanismi della -,2 I 1-13. modello a due stati per la -,214,215. modello al computer della -,217-19. proprietà eterosinaptiche della -, 217. versione formale semplificata della -, 224· regola presinaptica, 220,366,367,37°, 37 1 : - e variazioni a lungo termine, 230. - indipendente, 36o. effetti popolazionistici nella rete della -,224-27. equazione della -,222,223. esposizione della -, 2 I I. presupposto della -,221,222. regola sinaptica indipendente, definizione di, 20 7· regole epigenetiche, 108- I 5. regole sinaptiche, 10,52, 2II; vedi anche regola postsinaptica; regola presinaptica. regole sinaptiche dipendenti, 207. repertori, 359: ampiezza dei -, 59-64 basi per le risposte funzionali dei -, 163-65. comparazione dei - non degenerati e dei - completamente degenerati, 57,5 8 . composizione, 58. Vedi anche Darwin I, automa; repertorio primario; repertorio secondario. repertorio primario, 7, 8, 73: - degenerato, 139, 189-92. anatomia locale del-, 52. definizione di -,54. formazione del-, 363. funzione del-, 165. gruppi cellulari funzionalmente equivalenti nel-, 123. processi di variazione nel-, I I I. ruolo delle molecole di adesione nel-, 84· selezione somatica e -,202. variazione somatica nel-, II9, 120. repertorio secondario, 7, 10,53,373: basi per la selezione del-, 204-6. degenerazione del-, 59. formazione del-, 146,360.
I
I I I
I
49 0
Indice analitico
meccanismi selettivi e -,53. regole sinaptiche e -, 2 I I. selezione e -,76,123,139,360. selezionesomaticadel-, 201, 202. reti neurali: organizzazione delle -, 29, 30, 45, 46. potere generalizzante delle -, 32. variazione evolutiva delle -, 166-71. reti neuronali: apprendimento e -,235. effetti popolazionistici originati dalle due regole nelle -, 224-27. reti rientranti ed elaborazione d'informazione, 271, 351-54. retina, cellule X, Y e W, 264. ricategorizzazione, 233-35: - associativa, 370. condizionamento classieo e -, 340. memoria come -,277,279,280,303, 308,309,319,361,362. ruolo degli inputparalleli nella -,270. richiamo associativo, prova in Darwin II, 3 2 4- 2 7. riconoscimento dei singoli caratteri, 295: - in un automa selettivo, 64. sistemi di commutazione per il-, 63, 64· riconoscimento incrociato, 60, 62, 63. riconoscimento uditivo da parte dei neonati, 293, 294·, ridondanza, 20, 21,58,123. rientro: - negli archi riflessi, 171. - nei sistemi degenerati, 127. - nei sistemi sensoriali, 7 l, 72. canali paralleli e -, 361, 362. connessioni e -, 76. connessioni incrociate e -,71,72. coppie di classificazione e -, 70, 301. correlazione dei segnali rientrati con i caratteri mappati, 68, 69. mappaggio successivo e -, 127. mediatore del legame nelle rappresentazioni neurali, 69. necessità della struttura e funzione, 68-73organizzazione anatomica del -, 75, 76. organizzazioni del mappaggio e 368 -7 0 . reti,7 1-73·
Indice analitico rinforzo con l'attività motoria, 71, 72. sviluppo della struttura dorsale talamica, 171. rientro fasico, IO, I l; vedi anche rientro. rilascio del trasmettitore, regolazione del, 220. rilevazione dei caratteri: - locale, 297. - nella percezione, 262, 264-69, 272, 273· specificità e variabilità, 302. rilevazione dell' oggetto nei neonati, 288293· rimappaggio, 147-54. riorganizzazione delle strutture sottocorticali, 189. Romanes, GeorgeJohn, 13. Rosh, Eleanor, 37,279,281,287,288. SAM, 90, 91: espressione genica delle -, 181. modulazione sulla superficie cellulare e-,13 6. ruolo nella morfogenesi delle -, 182184· scompaginamento della funzione, 103. specificità delle -, 365. segmentazione nel linguaggio, 294, 295. segnalazione rientrante, 275. segnale in input, funzione di riconoscimento e dipendenza dalla variabilità del repertorio, 54-55. selezione: - e processi primari e di sviluppo, 135"3 8 . - e teorie globali del cervello, 25-27. informazione a posteriori e -, 50. selezione dei gruppi neuronali, 190-95, 268,269: - adattativa, 77-80, 338. - e informazione, 288. - e modificazione dell' efficacia sinaptica, 8,9. - e scelta della sinergia, 260. - nell'apprendimento, 344-51. - nel mappaggio retinotettale, 144. aspetti principali della -,52. autoconsistenza della -, I I. cablaggio e -, 24. categorizzazione percettiva e -, IO, II.
competizione e -, 52,53.
compiti sperimentali principali legati alla-, 24. configurazioni nella -, IO. coordinazione e rinforzo nella -, IO. correlazione e -, 260. correlazioni temporali coerenti della risposta durante la -, 7. diversificazione da parte della -, 7, 24. forza di connessione sinaptica e -, 7. gesti e -, 259-64. implicazioni generali della -, 372. ipotesi del regolatore e -,8-10. modello delle due regole per la -, IO. pensiero popolazionistico e -, II-I3. regole sinaptiche per la -,52. rivendicazioni della teoria per la -, 7. selezione positiva e negativa, 24. selezione sinaptica nella -, 23, 24. sovrapposizione dei campi recettivi, 15 1 ,15 2 .
sviluppo epigenetico della variazione e della individualità nella -,5 l. vantaggi della -,51,52. variabilità funzionale della -,53. varianza durante l'ontogenesi, 26, 27. ' vincoli sulla -,26,27. Vedi anche teoria della selezione dei gruppi neuronali. selezione esperienziale, 75, 76. selezione intergruppo, 202. selezione naturale, relazione al comportamento, 13-15,331-33, selezione sinaptica, 23, 24. selezione somatica, 187, 188. Sherrington, Charles, 16, 146, 205, 240. simmetria bilaterale, 166, 167, 169. sinapsi: - come popolazioni, 205, 207. alterazione delle -, 193, 194. distribuzione spazi aIe delle -, 215, 216. meccanismi operanti nelle -,205. modificazione funzionale delle -,205. modificazioni delle -, 75-77. plasticità delle -, 160. riduzione della connessione, 134. variabilità delle -, 5 l. variazione legata alla memoria, 233-3 6 . variazioni nei vincoli temporali delle-, 233· sinapsi silenti, 77-78.
49 1
sindromi amnesiche, 371. sinergie, 252-53: - come fonte di correlazione dei caratteri, 262, 263. componenti sensomotorie delle -,262. scelta e selezione dei gruppi neuronali, 260. Vedi anche gesti. sistema di attivazione, funzioni del, 70 . sistema limbico, 346. sistema motorio, 240, 243-45: accoppiamento coi sistemi sensoriali, 24 0 . compitidel-, 71, 72. mappaggio globale e -, 295, sistema nervoso: sinergia dei muscoli e adattamento del -,254· temi strutturali evolutivi del-, 166-68. sistema nervoso centrale, vedi SNC. sistema neurale, parallelo diadico, 169. sistema ridistribuito, 186. sistema somatico selettivo, 22. sistema somatosensoriale e riorganizzazione sottocorticale, 189. sistemi degenerati, limiti di efficienza in ampiezza, 64. sistemi di coordinate, 267, 268. sistemi distribuiti, 163-65. sistemi rientranti: - multipli, 270. - paralleli, 174, 175. connessioni rientranti, 264 origine dei -, 169. selezione tra gesti e -,241. sistemi sensoriali: accoppiamento con i sistemi motori, 240. parallelismo e -, 267. Skinner, Burrhus Frederic, 15,333,339. SNC: distribuzione delle CAM nel-, 101. sviluppo durante la fase induttiva, 185. variazioni funzionali nel -, 241. somatotopia, 168. sorpresa, ruolo nell'apprendimento, 33 6 , 337,37 2. sovrapposizione dei campi recettivi, 19 6, 37 0 . spalla, evoluzione e funzione nella locomozione, 249. Sperry, Roger, 47, 96, 115, 140, 141, 24 0 ,358,
492
Indice analitico
Staddon,]ohn, 15,279,332-36.
staggerer (mutazione) nel topo, 132. struttura neurale, 29, 30: - e funzione fenotipica, 165. comparsa evolutiva nella -,202,246. variabilità e conservazione della configurazione nella -,52,53, II5-20. struttura neuronale: sovrapposizione nella -,42,43. variabilità nella -, 38-42. strutture muscoloscheletriche: adattamenti separati delle -, 243, 244· coordinazione delle -, 251. covarianza dell'attività nelle -,253. evoluzione delle -,244-53. variazioni durante l'ontogenesi nelle -, 247· vincoli di sviluppo sulle -, 250. strutture ripetitive, 170. substrato neurale, ruolo nella categorizzazione percettiva, 350. sviluppo: mappaggio neurale nello -, 38-46. ruolo dei processi primari nello -,85. telencefaliche forme, evoluzione delle, 177· teoria della cherniospecificità, II5, II9, 12 7,14 0 -43. teoria della selezione clonale, 19-21. teoria della selezione dei gruppi neuronali, 6-II: - e repertorio secondario, 154. - nell'apprendimento, 344-51. adeguatezza della -, 364. apprendimento vero e -,352. complessi funzionali nella -, 266. componenti essenziali della -,364. connessioni rientranti e-, 166, 167. derivazione della -, 193-95, 268, 26 9. estensione a varie questioni della -, 37 2,373. funzione motoria e -,255,257,258. generalizzazione e -, 299, 300. importanza dell'organizzazione di mappaggio e rientro nella -, 368-70. ipotesi del regolatore e -,181-84. meccanismi selettivi e -,365-69. previsioni della -,365-72. requisiti della -,360-62. requisiti principali della -,52. teoria dell' associazione cellulare, 25-27. teoria dell'associazione cellulare di Hebb, 25- 2 7.
teoria dello stampo per la categorizzazione, 286, 287. teoria modulatoria, 119. teorie globali del cervello, esempi di selezione e istruzione, 25-27. teorie morfogenetiche, 115, II6. teorie regolative nella morfogenesi, II 5, II6. tetrodotossina, 144. textoretica, campo della, 329, 330. Thorndike, Edward, 14-16, 25,333· variabilità, 73, 74: - anatomica, 40. - dei neurotrasmettitori centrali, 326, 368 ,3 6 9. - dei repertori primari, 118. - dei trasmettitori e dei recettori, 232. - interspecifica, 174-80. - nella anatomia, 84. - nella configurazione neurale, 117. - nelle mappe corticali, 67. capacità apparente per la -, 249. distribuzione popolazionistica della -, 67· fondamento dello sviluppo, 83. livelli di -, 66. processi di variazione che favoriscono la-, III. relazioni con la funzione, 67. siti neurali della -, 65-67. Vedi anche parcellizzazione. variabilità anatomica, 41, 45, 46 . variabilità interspecifica, 174-80. varianza: - in strutture ripetute, 42. - locale, 45, 46. fonti di -, 38, 39. vie ipsilaterali, 169. Wiesel, Torsten, 40, 67, II5, 12 5, 154, 157-59, 26 4,34 8. Wittgenstein, Ludwig, 28, 36, 279, 299· Woolsey, Clinton, 147, 157, 159· Wright, Sewall, 203. Wundt-Hering, illusione di, 33.
Xenopus, mappa retinotettale dello, 143. Young,]ohn, 17-20,29,364. Zeki, Semir,
IO,
43, 76,125,267.