Cervello e psiche: modelli animali e alternative

Critica ai modelli animali

Nonostante vi siano somiglianze tra le specie di primati nella struttura e nelle funzioni del cervello, è altrettanto chiaro che esistono anche molte differenze, che rendono i modelli animali in questo campo ben poco predittivi.

Alcuni esempi includono:
differenze nell’espressione genica [1]
dimensioni del cervelletto in relazione alle dimensioni del cervello [2]
elaborazione visiva nei solchi interparietali [3]
controllo esecutivo (la flessibilità di adattarsi a diverse situazioni o compiti) [4]

Inoltre:
Studiando i neuroni specchio con tecniche non-invasive sull’uomo, si sono scoperte altre aree coinvolte, non rilevate negli esperimenti sulle scimmie [5]
● Esperimenti di tipo cognitivo su scimmie identificavano la localizzazione e la funzione di una regione specializzata che però non si ritrovava nell’uomo. Susan Courtney e i suoi colleghi usarono la fMRI per indagare sulla localizzazione dell’attività di memorizzazione spaziale nell’uomo. Un’area specializzata per questa funzione venne identificata, ma in una zona situata più superiormente e posteriormente che nelle scimmie [6]
I fattori epigenetici giocano un ruolo importante nell’emergenza di espressioni geniche specifiche per l’uomo nelle reti neuronali del cervello che contribuiscono a creare differenze tra primati e umani per le funzioni cognitive e nella suscettibilità a disturbi neurologici [7]
● Gli scimpanzè hanno sì approssimativamente la stessa capacità di memoria a breve termine (possono infatti ricordare un massimo di circa 5-7 elementi o unità), ma negli umani queste unità possono consistere in lettere, parole, frasi o intere storie e possono dunque differire considerevolmente dall’abilità degli scimpanzè di ricordarsi 5-7 elementi [8]
Gli altri animali generalmente non soffrono dei disturbi psichici umani e quindi non sono appropriati surrogati [9], mentre le tecniche di imaging permettono lo studio diretto ed etico di questi gruppi di pazienti vulnerabili.
Vi è anche una variazione interna alle singole specie che rende difficile generalizzare riguardo ai disturbi e alle cure, in particolare nell’area delle ricerche in psicopatologia dove le differenze individuali sono enormi.
Una revisione sistematica pubblicata nel 2008 su Reviews in the Neurosciences ha rigettato la predittività della ricerca sulle lesioni al midollo spinale sui modelli animali [10]

Metodi alternativi

Tecniche di Neuroimaging Funzionale, che permettono di analizzare le funzioni di determinate aree cerebrali, tra cui: PET (Tomografia ad emissione di positroni), fMRI (Risonanza magnetica funzionale), EEG (Elettroencefalogramma multicanale), SPECT (Tomografia a emissione di fotone singolo), MEG (Magnetoencefalografia), NIRSI (spettroscopia ad infrarossi), DSI (diffusion spectrum imaging), DTI (diffusion tensor imaging), DWI (diffusion weighted imaging) e DfMRI (diffusion functional MRI).
TMS (Stimolazione Magnetica Transcranica): crea lesioni cerebrali momentanee e pienamente reversibili e può quindi rimpiazzare gli studi sulle lesioni nei primati dove la regione cerebrale di interesse è vicina alla superficie. Considerato che la TMS crea lesioni di breve durata e reversibili, ha i vantaggi aggiunti che il cervello non si rimodella per compensare la lesione, come invece accade negli studi su animali, e quindi lo stesso individuo può essere studiato ripetutamente prima e dopo la “lesione” cerebrale.
► Attraverso l’uso integrato di EEG e TMS, alcuni ricercatori dell’Università di Washington sono riusciti a mettere in comunicazione diretta due cervelli umani, permettendo a un soggetto di giocare a un videogame con le dita di un altro soggetto [11].
Registrazione da singoli neuroni: pazienti con epilessia intrattabile o altri disturbi gravi talvolta si sottopongono a chirurgia selettiva per rimuovere le aree cerebrali colpite. Durante questo intervento il paziente è cosciente perché possa guidare il chirurgo, e molti volontariamente partecipano in studi che richiedono la registrazione di potenziali d’azione dal cervello. Grazie a questa tecnica si è scoperto che certi neuroni dell’ippocampo sono collegati alla memoria visiva [12]. Studi di Brain-Computer Interface (che hanno come obiettivo principalmente il controllo neurale di protesi artificiali, di sedie a rotelle, ecc.) hanno usato l’elettrocorticografia intracranica (ECoG o iEEG) sempre sullo stesso tipo di pazienti [13].
Microstimolazione elettrica: mentre con la TMS si può inibire o stimolare la corteccia cerebrale in modo non invasivo, per le aree sottocorticali è possibile utilizzare microstimolazioni elettriche di durata limitata e reversibili. Spesso lo si richiede a volontari che devono subire interventi di neurochirurgia come, ad esempio, nel caso di pazienti affetti da Parkinson [14].
Disease-in-a-dish: le cellule della pelle di pazienti affetti da malattie neurodegenerative e psichiatriche vengono riprogrammate ad uno stato embrionale per divenire neuroni, che riproducono la malattia e su cui è possibile studiare i processi molecolari della stessa [15].
Brain on Chip: l’uso di colture cellulari 3D unito alla microfluidica nello studio delle malattie neurodegenerative e per testare la neurotossicità dei farmaci [16].
Organoidi Cerebrali: mini-cervelli creati partendo da cellule staminali umane grazie a cui è effettuare per ricerche su malattie neurologiche [17].

Riferimenti:

1. [Cáceres et al. Elevated gene expression levels distinguish human from non-human primate brains. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003 Oct 28;100(22):13030-5.]
2. [Rilling JK, Insel TR (1998) Evolution of the cerebellum in primates: differences in relative volume among monkeys, apes and humans. Brain Behav Evol 52, 308-314.]
3. [Orban GA, Van Essen D, Vanduffel W (2004) Comparative mapping of higher visual areas in monkeys and humans. Trends Cogn Sci 8, 315-324.]
4. [Stoet G, Snyder LH (2003) Executive control and task-switching in monkeys. Neuropsych 41, 357-364.]
5. [Buccino et al. Action observation activates premotor and parietal areas in a somatotopic manner: an fMRI study. Eur J Neurosci. 2001 Jan;13(2):400-4.]
6. [Courtney, S.M, Petit, L., Maisog, J.M., Ungcrleider, LG. & Haxby, JV (19981. An area specialized for spatial working memory in human frontal cortex. Science, New Yorh 279, 1347-1351.]
7. [Shulha et al. Human-specific histone methylation signatures at transcription start sites in prefrontal neurons. PLoS Biol. 2012 Nov;10(11):e1001427.]
8. [Premack D. (2007). Human and animal cognition: Continuity and discontinuity. Proc Natl Acad Sci USA 104, 13861-13867]
9. [Hyman SE. Revolution stalled. Sci Transl Med. 2012 Oct 10;4(155):155cm11.]
10.
[Akhtar AZ, Pippin JJ, Sandusky CB. Animal models in spinal cord injury: a review. Rev Neurosci. 2008;19(1):47-60.]
11. [Rao RPN, Stocco A, Bryan M, Sarma D, Youngquist TM, et al. (2014) A Direct Brain-to-Brain Interface in Humans. PLoS ONE 9(11): e111332.]
12. [Vannucci et al. Hippocampal response to visual objects is related to visual memory functioning. Neuroreport. 2008 Jun 11;19(9):965-8.]
13. [Shenoy P, Miller KJ, Ojemann JG, Rao RP. Generalized features for electrocorticographic BCIs. IEEE Trans Biomed Eng. 2008 Jan;55(1):273-80.]
14. [Prescott et al. Reduced paired pulse depression in the basal ganglia of dystonia patients. Neurobiol Dis. 2013 Mar;51:214-21.]
15. [Brennand et al. Modelling schizophrenia using human induced pluripotent stem cells. Nature 473, 221–225 (12 May 2011)]
16. [Bianco et al. Overflow microfluidic networks: application to the biochemical analysis of brain cell interactions in complex neuroinflammatory scenarios. Anal Chem. 2012 Nov 20;84(22):9833-40.]
17. [Lancaster et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature, doi: 10.1038/nature12517, 2013.]

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