Il cervello è la parte del sistema nervoso centrale che è contenuta nella cavità cranica del cranio. Comprende la corteccia cerebrale, il sistema limbico, i gangli della base, il talamo, l’ipotalamo e il cervelletto. Ci sono tre modi diversi in cui un cervello può essere sezionato per visualizzare le strutture interne: una sezione sagittale taglia il cervello da sinistra a destra, come mostrato in Figura 1b, una sezione coronale taglia il cervello da davanti a dietro, come mostrato in Figura 1a, e una sezione orizzontale taglia il cervello dall’alto verso il basso.

Corteccia cerebrale

La parte più esterna del cervello è uno spesso pezzo di tessuto del sistema nervoso chiamato corteccia cerebrale, che è piegato in colline chiamate gyri (singolare: giro) e valli chiamate sulci (singolare: solco). La corteccia è composta da due emisferi-destra e sinistra-che sono separati da un grande solco. Un fascio di fibre spesse chiamato corpo calloso (latino: ” corpo duro”) collega i due emisferi e consente di passare le informazioni da un lato all’altro. Sebbene ci siano alcune funzioni cerebrali localizzate più in un emisfero rispetto all’altro, le funzioni dei due emisferi sono in gran parte ridondanti. Infatti, a volte (molto raramente) un intero emisfero viene rimosso per trattare l’epilessia grave. Mentre i pazienti soffrono alcuni deficit dopo l’intervento chirurgico, possono avere sorprendentemente pochi problemi, soprattutto quando l’intervento viene eseguito su bambini che hanno un sistema nervoso molto immaturo.

Figura 1. Queste illustrazioni mostrano le sezioni (a) coronale e (b) sagittale del cervello umano.

In altri interventi chirurgici per trattare l’epilessia grave, il corpo calloso viene tagliato invece di rimuovere un intero emisfero. Ciò causa una condizione chiamata split-brain, che fornisce informazioni sulle funzioni uniche dei due emisferi. Ad esempio, quando un oggetto viene presentato al campo visivo sinistro dei pazienti, potrebbe non essere in grado di nominare verbalmente l’oggetto (e potrebbe affermare di non aver visto affatto un oggetto). Questo perché l’input visivo dal campo visivo sinistro attraversa ed entra nell’emisfero destro e non può quindi segnalare al centro del discorso, che generalmente si trova nella parte sinistra del cervello. Sorprendentemente, se a un paziente con cervello diviso viene chiesto di raccogliere un oggetto specifico da un gruppo di oggetti con la mano sinistra, il paziente sarà in grado di farlo ma non sarà ancora in grado di identificarlo vocalmente.

Figura 2. La corteccia cerebrale umana comprende i lobi frontali, parietali, temporali e occipitali.

Ogni emisfero corticale contiene regioni chiamate lobi che sono coinvolte in diverse funzioni. Gli scienziati usano varie tecniche per determinare quali aree cerebrali sono coinvolte in diverse funzioni: esaminano i pazienti che hanno avuto lesioni o malattie che colpiscono aree specifiche e vedono come quelle aree sono correlate a deficit funzionali. Conducono anche studi sugli animali in cui stimolano le aree del cervello e vedono se ci sono cambiamenti comportamentali. Usano una tecnica chiamata stimolazione transmagnetica (TMS) per disattivare temporaneamente parti specifiche della corteccia usando forti magneti posti all’esterno della testa; e usano la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per esaminare i cambiamenti nel flusso sanguigno ossigenato in particolari regioni del cervello che si correlano con specifici compiti comportamentali. Queste tecniche, e altre, hanno dato una grande comprensione delle funzioni delle diverse regioni del cervello, ma hanno anche dimostrato che una determinata area cerebrale può essere coinvolta in più di un comportamento o processo, e ogni dato comportamento o processo coinvolge generalmente i neuroni in più aree cerebrali. Detto questo, ogni emisfero della corteccia cerebrale dei mammiferi può essere suddiviso in quattro lobi definiti funzionalmente e spazialmente: frontale, parietale, temporale e occipitale. La figura 2 illustra questi quattro lobi della corteccia cerebrale umana.

Figura 3. Diverse parti della corteccia motoria controllano diversi gruppi muscolari. I gruppi muscolari che sono vicini nel corpo sono generalmente controllati anche dalle regioni limitrofe della corteccia motoria. Ad esempio, i neuroni che controllano il movimento delle dita sono vicini ai neuroni che controllano il movimento della mano.

Il lobo frontale si trova nella parte anteriore del cervello, sopra gli occhi. Questo lobo contiene il bulbo olfattivo, che elabora gli odori. Il lobo frontale contiene anche la corteccia motoria, che è importante per la pianificazione e l’implementazione del movimento. Aree all’interno della mappa corteccia motoria a diversi gruppi muscolari, e c’è qualche organizzazione a questa mappa, come mostrato in Figura 3. Ad esempio, i neuroni che controllano il movimento delle dita sono accanto ai neuroni che controllano il movimento della mano. I neuroni nel lobo frontale controllano anche le funzioni cognitive come mantenere l’attenzione, la parola e il processo decisionale. Studi su esseri umani che hanno danneggiato i loro lobi frontali mostrano che parti di quest’area sono coinvolte nella personalità, nella socializzazione e nella valutazione del rischio.

Il lobo parietale si trova nella parte superiore del cervello. I neuroni nel lobo parietale sono coinvolti nella parola e anche nella lettura. Due delle principali funzioni del lobo parietale sono l’elaborazione della somatosensazione-sensazioni tattili come pressione, dolore, calore, freddo—e l’elaborazione della propriocezione—il senso di come le parti del corpo sono orientate nello spazio. Il lobo parietale contiene una mappa somatosensoriale del corpo simile alla corteccia motoria.

Il lobo occipitale si trova nella parte posteriore del cervello. È principalmente coinvolto nella visione-vedere, riconoscere e identificare il mondo visivo.

Il lobo temporale si trova alla base del cervello vicino alle orecchie ed è principalmente coinvolto nell’elaborazione e nell’interpretazione dei suoni. Contiene anche l’ippocampo (greco per “cavalluccio marino”)—una struttura che elabora la formazione della memoria. L’ippocampo è illustrato nella Figura 5. Il ruolo dell’ippocampo nella memoria è stato parzialmente determinato studiando un famoso paziente epilettico, HM, che ha rimosso entrambi i lati del suo ippocampo nel tentativo di curare la sua epilessia. I suoi attacchi sono andati via, ma non poteva più formare nuovi ricordi (anche se poteva ricordare alcuni fatti da prima del suo intervento chirurgico e poteva imparare nuovi compiti motori).

Corteccia cerebrale

Rispetto ad altri vertebrati, i mammiferi hanno cervelli eccezionalmente grandi per le loro dimensioni corporee. Il cervello di un intero alligatore, ad esempio, riempirebbe circa un cucchiaino e mezzo. Questo aumento del rapporto tra cervello e corpo è particolarmente pronunciato nelle scimmie, nelle balene e nei delfini. Mentre questo aumento delle dimensioni complessive del cervello ha giocato senza dubbio un ruolo nell’evoluzione di comportamenti complessi unici per i mammiferi, non racconta tutta la storia. Gli scienziati hanno trovato una relazione tra la superficie relativamente alta della corteccia e l’intelligenza e comportamenti sociali complessi esibiti da alcuni mammiferi. Questo aumento della superficie è dovuto, in parte, ad una maggiore piegatura del foglio corticale (più sulci e gyri). Ad esempio, una corteccia di ratto è molto liscia con pochissimi sulci e gyri. Le cortecce di gatto e pecora hanno più sulci e gyri. Scimpanzé, umani e delfini ne hanno ancora di più.

Figura 4. I mammiferi hanno rapporti cervello-corpo più grandi rispetto ad altri vertebrati. All’interno dei mammiferi, l’aumento della piegatura corticale e della superficie è correlato con un comportamento complesso.

Gangli basali

Le aree cerebrali interconnesse chiamate gangli basali (o nuclei basali), mostrate nella Figura 1b, svolgono un ruolo importante nel controllo del movimento e nella postura. Il danno ai gangli della base, come nella malattia di Parkinson, porta a menomazioni motorie come un’andatura mescolata quando si cammina. I gangli della base regolano anche la motivazione. Ad esempio, quando una puntura di vespa ha portato a danni bilaterali dei gangli della base in un uomo d’affari di 25 anni, ha iniziato a passare tutti i suoi giorni a letto e non ha mostrato alcun interesse per niente o nessuno. Ma quando è stato stimolato esternamente—come quando qualcuno ha chiesto di giocare a carte con lui-è stato in grado di funzionare normalmente. È interessante notare che lui e altri pazienti simili non riferiscono di sentirsi annoiati o frustrati dal loro stato.

Thalamus

Figura 5. Il sistema limbico regola le emozioni e altri comportamenti. Comprende parti della corteccia cerebrale situate vicino al centro del cervello, tra cui il giro cingolato e l’ippocampo, nonché il talamo, l’ipotalamo e l’amigdala.

Il talamo (greco per “camera interna”), illustrato nella Figura 5, agisce come un gateway da e per la corteccia. Riceve input sensoriali e motori dal corpo e riceve anche feedback dalla corteccia. Questo meccanismo di feedback può modulare la consapevolezza cosciente degli input sensoriali e motori a seconda dello stato di attenzione e eccitazione dell’animale. Il talamo aiuta a regolare la coscienza, l’eccitazione e gli stati di sonno. Una rara malattia genetica chiamata insonnia familiare fatale causa la degenerazione dei neuroni talamici e della glia. Questo disturbo impedisce ai pazienti affetti di essere in grado di dormire, tra gli altri sintomi, ed è infine fatale.

Ipotalamo

Sotto il talamo c’è l’ipotalamo, mostrato in Figura 5. L’ipotalamo controlla il sistema endocrino inviando segnali alla ghiandola pituitaria, una ghiandola endocrina di dimensioni pisello che rilascia diversi ormoni diversi che colpiscono altre ghiandole e altre cellule. Questa relazione significa che l’ipotalamo regola comportamenti importanti controllati da questi ormoni. L’ipotalamo è il termostato del corpo – si assicura che le funzioni chiave come l’assunzione di cibo e acqua, il dispendio energetico e la temperatura corporea siano mantenute a livelli appropriati. I neuroni all’interno dell’ipotalamo regolano anche i ritmi circadiani, a volte chiamati cicli del sonno.

Sistema limbico

Il sistema limbico è un insieme connesso di strutture che regola l’emozione, così come i comportamenti legati alla paura e alla motivazione. Svolge un ruolo nella formazione della memoria e comprende parti del talamo e dell’ipotalamo e dell’ippocampo. Una struttura importante all’interno del sistema limbico è una struttura del lobo temporale chiamata amigdala (greco per “mandorla”), illustrata in Figura 5. Le due amigdala sono importanti sia per la sensazione di paura che per riconoscere i volti timorosi. Il giro cingolato aiuta a regolare le emozioni e il dolore.

Cervelletto

Il cervelletto (latino per “piccolo cervello”), mostrato in Figura 2, si trova alla base del cervello in cima al tronco cerebrale. Il cervelletto controlla l’equilibrio e aiuta a coordinare il movimento e l’apprendimento di nuovi compiti motori.

Tronco cerebrale

Il tronco cerebrale, illustrato nella Figura 2, collega il resto del cervello con il midollo spinale. Consiste del mesencefalo, del midollo allungato e del pons. I neuroni motori e sensoriali si estendono attraverso il tronco cerebrale consentendo il relè di segnali tra il cervello e il midollo spinale. I percorsi neurali ascendenti si incrociano in questa sezione del cervello permettendo all’emisfero sinistro del cervello di controllare il lato destro del corpo e viceversa. Il tronco cerebrale coordina i segnali di controllo motorio inviati dal cervello al corpo. Il tronco cerebrale controlla diverse importanti funzioni del corpo tra cui vigilanza, eccitazione, respirazione, pressione sanguigna, digestione, frequenza cardiaca, deglutizione, camminata e integrazione delle informazioni sensoriali e motorie.

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