L’esperienza sensoriale è particolarmente importante durante i cosiddetti periodi critici dello sviluppo, in cui il sistema visivo è più sensibile agli effetti degli stimoli ambientali. Il riconoscimento molecolare è un processo fondamentale per la guida degli assoni dei neuroni verso le loro destinazioni nel sistema nervoso centrale. Attraverso l’interazione di molecole di segnalazione presenti sulla superficie degli assoni e delle cellule bersaglio, i neuroni sono in grado di selezionare la via di crescita più appropriata e la regione bersaglio più idonea. Tuttavia, il riconoscimento molecolare non è sufficiente a garantire una connessione sinaptica specifica e funzionale tra i neuroni.
Un esempio di questo è dato dalle cellule gangliari della retina, che proiettano i loro assoni al nucleo genicolato laterale (NGL) del talamo. Una volta raggiunto il NGL, gli assoni devono ancora individuare i neuroni postsinaptici corretti tra i diversi gruppi cellulari presenti nel nucleo. Questa scelta finale dipende da meccanismi che richiedono l’attività neuronale spontanea o evocata da stimoli visivi. L’attività neuronale modula l’espressione e il rilascio di fattori trofici che influenzano la crescita e la stabilizzazione degli assoni. Inoltre, l’attività neuronale determina la formazione di una mappa topografica finale, in cui ogni punto della retina è rappresentato nella corteccia visiva primaria. Il corretto sviluppo del sistema visivo, quindi, inizialmente dipende dal riconoscimento molecolare e durante uno specifico periodo critico dall’interazione tra individuo e il suo ambiente.
I periodi critici
In particolari periodi critici dello sviluppo prenatale, e all’inizio dello sviluppo postnatale, l’azione integrativa del sistema nervoso centrale e quindi i fini dettagli delle sue connessioni dipendono dall’interazione specifica tra individuo e il suo ambiente.
Un esempio di dipendenza del sistema nervoso centrale dall’ambiente è lo studio di pazienti con cataratta congenita.
La cataratta è un opacità del cristallino che interferisce con i mezzi diottrici dell’occhio, ma non con il sistema nervoso. In passato la rimozione della cataratta congenità avveniva tardivamente, fra i 10 e i 20 anni di vita. E’ stato dimostrato che la rimozione tardiva provoca un’incapacità permanente nella percezione delle forme degli oggetti.
L’ipotesi che l’esperienza sensoriale è necessaria per il normale sviluppo del sistema visivo è stata accertata anche da ricerche condotte su scimmie neonate allevate al buio nei primi 3-6 mesi di vita. Quando in seguito, queste scimmie erano immesse in un mondo visivo, esse non erano più in grado di operare discriminazioni, perfino tra forme geometriche semplici. Erano necessarie settimane e mesi di addestramento per insegnare loro a distinguere un cerchio da un quadrato.
Il ruolo dell’esperienza sensoriale nella formazione dell’interazione binoculare
L’interazione binoculare (cioè la convergenza delle afferenze provenienti dai due occhi sulla medesima cellula bersaglio) compare, inizialmente, a livello delle cellule situate, al di sopra e al di sotto, dello strato IVC della corteccia visiva primaria (V1)
La convergenza delle afferenze provenienti dai due occhi, a livello di singole cellule di V1, è stata utilizzata per studiare gli effetti della privazione dell’esperienza visiva nello sviluppo delle connessioni corticali. Se una scimmia è allevata, dalla nascita fino a 6 mesi di età, con le palpebre di un occhio chiuso da una sutura, l’animale perde in modo permanente la visione dell’occhio.
Quando le suture vengono rimosse e l’occhio esposto alla luce, le cellule gangliari dell’occhio suturato e le cellule del nucleo genicolato laterale (NGL) rispondono efficacemente agli stimoli visivi. Tuttavia, nella corteccia visiva la maggior parte delle cellule non rispondono più agli stimoli presentati a quell’occhio. Le poche cellule che possono ancora essere attivate non sono sufficienti per la percezione visiva e le colonne di dominaza che ricevono afferenze dall’occhio normale sono notevolmente ingrandite a discapito di quelle che ricevono afferenze dall’occhio suturato.
Una privazione visiva equivalente nell’animale adulto, invece, non ha alcun effetto sulle risposte delle cellule corticali alla stimolazione dell’uno o l’altro occhio. In questo modo, è stato dimostrato che la privazione sensoriale nelle prime fasi della vita altera le strutture della corteccia cerebrale.
Sviluppo delle colonne di dominanza oculare
Le afferenze provenieneti dai due occhi terminano in colonne alternate di cellule stellate dello strato IVc, che, a loro volta proiettono a cellule disposte negli strati sovrastanti o sottostanti. Queste connessioni contribuiscono alla formazione dei campi recettivi binoculari. Le proiezioni provenienti da questo strato sono perciò essenziali per l’elaborazione delle informazioni convergenti che provengono dai due occhi.
Nella scimmia le colonne di dominanza oculare non diventano mature prima di 6 settimane dopo la nascita. E’ solo dopo questo periodo di tempo che si completa la segregazione delle afferenze provenienti dal NGL. Nel gatto la segregazione è ancora più tardiva.
Quando le fibre afferenti provenienti dal NGL raggiungono in corso di sviluppo del sistema visivo, lo strato IVc esse inizialmente sono ampiamente sovrapposte. Nel proseguio dello sviluppo queste afferenze finiscono col segregarsi in colonne di dominanza oculare attraverso un processo di retrazione.
Poiché le colonne non sono completamente formate alla nascita la riduzione proveniente da un occhio mette le terminazione di quest’occhio in svantaggio. Ne consegue che andranno incontro ad una retrazione maggiore di quella che si verifica in condizioni normali.
L’attività neurale determina la distribuzione delle fibre nervose
Con la maturazione del neurone afferente dal NGL, la sua terminazione che inizialmente aveva emesso numerose diramazioni, perde alcuni rami per retrazione, mentre altri si espandono e si consolidano. Alla fine di questo processo, il neurone risulta essere connesso in modo esclusivo con cellule che ricevono afferenze solo da un occhio. Gli assoni vicini che sono in rapporto con lo stesso occhio tendono a scaricare in maniera sincrona, e quindi cooperano tra di loro nella depolarizzazione e nell’eccitamento della cellula bersaglio.
L’associazione, la cooperazione e la competizione neurale
Questo processo di azione cooperativa su cellule bersaglio comuni, rafforza gli assoni che sono coinvolti nel processo di cooperazione, a svantaggio degli assoni con i quali competono. Perciò, se le afferenze che provengono da un occhio sono inzialmente più numerose in una data regione corticale, è probabile che abbiano un vantaggio. Infatti, la loro cooperazione fa sì che le fibre stabiliscono ulteriori connessioni sulle cellule della stessa regione corticale, ed emettano anche nuovi rami lungo le cellule di regioni adiacenti. Contemporaneamete, le fibre afferenti che provengono dai due occhi, competono tra di loro per la formazione di connessioni più forti sulle cellule bersaglio comuni. Le connessioni più forti che sono in rapporto con uno dei due occhi tendono ad inibire l’accrescimento degli assoni in rapporto con l’altro occhio.
L’associazione, la cooperazione e la competizione costituiscono i meccanismi attraverso i quali due popolazioni di fibre afferenti si distribuiscono senza sovrapporsi in uno spazio nervoso comune.
Se un animale è sottoposto a privazione monoculare durante le prime fasi del periodo critico di segregazione delle fibre, le terminazioni assoniche delle cellule del NGL che ricevono afferenze dall’occhio che era stato chiuso si trovano in svantaggio competitivo. In conseguenza di questo svantaggio, si retraggono in misura considerevole, mentre le terminazioni provenienti dall’occhio rimasto aperto continuano ad occupare aree che in condizioni normali avrebbero dovuto abbandonare.
Il fattore critico che regola sia la competizione che la cooperazione nervosa può essere costituito dall’attività nervosa. Nei gattini, le colonne di dominanza oculare non si formano se l’attività delle cellule gangliari della retina viene bloccata mediante iniezione di tetrodotossina (blocca i canali sodio voltaggio dipendenti).
Quando i due nervi sono stimolati in modo sincrono, non si formano colonne di dominanza oculare. Quando i due nervi sono stimolati in modo asincrono, le colonne di dominanza cominciavano a formarsi. Quindi l’instaurarsi e il matenimento della visione binoculare richiede non solo la presenza di un’attività elettrica sincrona a livello di fibre del nervo ottico di ciascun occhio, ma anche la presenza di un’attività asincrona tra le fibre che prendono origine dai due occhi.
Il processo di segregazione delle afferenze provenienti ai due occhi, può essere arrestato in modo irreversibile se durante la vita fetale viene applicata tetrodotossina a livello del chiasma ottico. In questo modo si blocca la propagazione dei potenziali di azione nel periodo in cui le proiezioni dei due occhi al NGL si sovrappongono in misura considerevole. Nella corteccia la segregazione avviene dopo la nascita e l’attività necessaria per la formazione delle connessioni è generata dall’esperienza visiva. Nel NGL la segregazione avviene prima della nascita, nel corso della vita intrauterina, per cui l’attività necessaria per le segregazioni delle proiezioni delle fibre del nervo ottico non può essere prodotta dall’esperienza visiva.
Inoltre, nella vita intrauterina le fibre del nervo ottico sono spontaneamente attive e questa attività è indipendente da qualsiasi informazione di natura visiva. Perciò, in questo periodo l’attività spontanea può avere grande importanza per lo sviluppo non solo per il sistema visivo, ma anche per altre regioni del sistema nervoso centrale.
Il connessionismo di Hebb
La regola di Hebb secondo cui:
«se un neurone A è abbastanza vicino ad un neurone B da contribuire ripetutamente e in maniera duratura alla sua eccitazione, allora ha luogo in entrambi i neuroni un processo di crescita o di cambiamento metabolico tale per cui l’efficacia di A nell’eccitare B viene accresciuta»
sembra costituire la caratteristica fondamentale dell’attività dei neuroni retinici, infatti è grazie al sincronismo della scarica delle fibre vicine che esse sono in grado connettersi tra loro.
Le fibre del nervo ottivo sono glutammatergiche e terminano su cellule bersaglio del tetto ottico che possiedono sia recettori NMDA che recettori non-NMDA. La sommazione temporale dei potenziali sinaptici assicurerebbe, un livello di depolarizzazione sinaptica sufficientemente ampio da attivare i recettori per il glutammato di tipo NMDA. La depolarizzazione rimuove il blocco del magnesio (Mg) e provoca quindi l’ingresso nella cellula postsinaptica di calcio (Ca). L’ingresso del Ca nella cellula attiva sistemi di secondo messaggero essenziali per la stabilizzazione delle sinapsi attive.
Ruolo dei fattori neurotrofici
Sembra inoltre che le cellule bersaglio dello strato IVC liberino un fattore neurotrofico o di accrescimento. Qualora la disponibilità di questo fattore fosse modesto, tutte le fibre afferenti, dovrebbero competere per questo fattore. Le fibre afferenti che scaricano in modo sincrono e che stabiliscono contatti con la stessa cellula bersaglio, potrebbero aumentare la secrezione del fattore di accrescimento, da parte della cellula postsinaptica.
Gli assoni provenienti da occhi diversi potrebbero non essere in grado d’indurre un aumento della liberazione di questo fattore perché la loro attività non è sincrona. Secondo questa ipotesi, il fattore di accrescimento viene liberato solo quando assoni che scaricano in modo sincrono riescono a depolarizzare la cellula postisinaptica fino ad un livello sufficiente da attivare il recettore canale NMDA, permettendo l’ingresso del Ca. In queso modo si attivano sistemi di secondo messaggero in grado di aumentare la liberazione del fattore di accrescimento.
Conclusioni
Dopo la nascita la percezione delle forme e della visione binoculare necessarie per la percezione della profondità attraversa una serie di fasi. In ogni fase sono necessarie particolari esperienze sensoriali per convalidare, modulare e adeguare i processi normali dello sviluppo del sistema visivo. Di conseguenza gli effetti della privazione sensoriale sono molto gravi durante un periodo delimitato e ben definito delle prime fasi della vita postnatale. I periodi critici dello sviluppo non hanno in generale limiti temporali netti. Strati diversi di una regione corticale possono avere nel corso dello sviluppo, periodi critici differenti, con possibili riarrangiamenti.
