Neuroscienze

Le neuroscienze sono l’insieme degli studi scientificamente condotti sul sistema nervoso. Tradizionalmente, le neuroscienze sono state viste come un ramo della biologia, tuttavia è attualmente una scienza interdisciplinare che collabora con altri campi come ad esempio chimica, informatica, ingegneria, linguistica, psicologia, matematica, medicina e discipline collegate, filosofia, fisica. Il termine neurobiologia di solito è usato in modo intercambiabile con il termine neuroscienze, anche se il primo si riferisce specificamente alla biologia del sistema nervoso, mentre il secondo si riferisce a tutta la scienza del sistema nervoso.L’ambito delle neuroscienze si è ampliato per includere diversi approcci utilizzati per studiare gli aspetti molecolari, cellulari, dello sviluppo, strutturali, funzionali, evoluzionistici, computazionali e medici del sistema nervoso. Si sono ampliate enormemente anche le tecniche utilizzate dai neuroscienziati, che sono attualmente in grado di studiare dagli aspetti molecolari delle singole cellule nervose, fino al funzionamento complessivo del cervello tramite l’utilizzo di tecniche di imaging cerebrale. Le neuroscienze sono avanzate e progrediscono tuttora anche grazie allo studio delle reti neurali.

NEUROSCIENZE MOLECOLARI E CELLULARI

Lo studio del sistema nervoso può essere fatto a più livelli, che vanno dal livello molecolare e cellulare ai sistemi e livelli cognitivi. A livello molecolare, le questioni fondamentali affrontate nelle neuroscienze molecolari comprendono i meccanismi con cui i neuroni si esprimono rispondendo ai segnali molecolari e come gli assoni formino configurazioni complesse di connettività. A questo livello, vengono utilizzati gli strumenti della biologia molecolare e della genetica per capire come i neuroni si sviluppano e come i cambiamenti genetici influenzino le funzioni biologiche. La morfologia, l’identità molecolare e le caratteristiche fisiologiche dei neuroni, e come queste siano connesse a diversi tipi di comportamento, sono inoltre argomenti di notevole interesse.Le domande fondamentali affrontate nelle neuroscienze cellulari comprendono i meccanismi di come i neuroni processino i segnali fisiologicamente ed elettro chimicamente. Queste questioni includono come i segnali vengano elaborati dalle neuriti – estensioni sottili del corpo cellulare neuronale, composte da dendriti (specializzate nel ricevere gli ingressi sinaptici da altri neuroni) e assoni (specializzati nel condurre gli impulsi nervosi chiamati potenziali d’azione) – e dai soma (i corpi cellulari dei neuroni contenenti il nucleo), e come segnali da neurotrasmettitori e elettrici vengano utilizzati per elaborare le informazioni in un neurone. Un altro importante settore delle neuroscienze è rivolto alle indagini sullo sviluppo del sistema nervoso. Tali questioni comprendono la regionalizzazione del sistema nervoso, le cellule staminali neurali, la differenziazione di neuroni e glia, la migrazione neurale, lo sviluppo assonale e dendritico, le interazioni trofiche e la formazione di sinapsi.

NEURO-INFORMATICA

La neuro informatica è un campo di ricerca concernente l’organizzazione dei dati delle ricerche nel campo delle neuroscienze tramite l’applicazione di modelli computazionali e strumenti analitici. Quest’area di ricerca è importante per l’integrazione e l’analisi di volumi di dati sempre più grandi. I neuro informatici forniscono gli strumenti di calcolo, i modelli matematici e creano banche dati intero per abili per i medici e ricercatori. Il campo di ricerca delle neuroscienze è un campo eterogeneo, composto da molte e diverse sotto-discipline (ad esempio, psicologia cognitiva, neuroscienze comportamentali, genetica del comportamento, ecc.). Al fine di approfondire la nostra comprensione del cervello, è necessario che queste sotto-discipline siano in grado di condividere dati e risultati delle ricerche in modo significativo.

La neuro informatica si trova all’incrocio tra le neuroscienze e la scienza dell’informazione. Altri campi, come la genomica, hanno dimostrato l’efficacia dei database liberamente distribuiti e l’applicazione di modelli teorici e computazionali per la soluzione di problemi complessi. In neuro informatica, queste strutture permettono ai ricercatori di confermare più facilmente le loro teorie di lavoro tramite la modellazione computazionale. Inoltre, la neuro informatica promuove la ricerca collaborativa, un fatto importante che facilita l’interesse del campo nello studio della complessità multi-livello del cervello.Ci sono tre principali direzioni in cui la neuro informatica può essere applicata:lo sviluppo di strumenti e database per la gestione e la condivisione dei dati neuroscientifici a tutti i livelli di analisi,lo sviluppo di strumenti per l’analisi e la modellazione dei dati neuroscientifici, lo sviluppo di modelli computazionali del sistema nervoso e dei processi neurali.Negli ultimi anni, dato che sono state raccolte da molti gruppi di ricerca grandi quantità di dati diversi sul cervello, è stato sollevato il problema di come integrare i dati provenienti da migliaia di pubblicazioni al fine di consentire ulteriori efficienti ricerche. I dati biologici e neuroscientifici sono altamente interconnessi e complessi, e di per sé rappresentano una grande sfida per gli scienziati.La combinazione dell’informatica con la ricerca sul cervello offre vantaggi per entrambi i campi della scienza. Da un lato, l’informatica facilita l’elaborazione e la gestione dei dati delle ricerche neuroscientifiche, fornendo nuove tecnologie elettroniche ed il software necessario per la gestione dei database, dei modelli e della comunicazione nella ricerca sul cervello. Dall’altro, le nuove scoperte nel campo delle neuroscienze invocheranno lo sviluppo di nuove tecnologie dell’informazione (IT).

NEUROSCIENZE-MODERNE

Lo studio scientifico del sistema nervoso è aumentato significativamente nel corso della seconda metà del XX secolo, principalmente grazie ai progressi nella biologia molecolare, dell’elettrofisiologia e delle neuroscienze computazionali. Questo ha permesso ai neuroscienziati di studiare il sistema nervoso in tutti i suoi aspetti: come è strutturato, come funziona, come si sviluppa, il suo cattivo funzionamento, e come quest’ultimo possa essere cambiato. Per esempio, è diventato possibile comprendere, in molti dettagli, i complessi processi che si verificano all’interno del singolo neurone.I neuroni sono cellule specializzate per la comunicazione. Essi sono in grado di contattare altri neuroni e altri tipi di cellule attraverso le giunzioni specializzate chiamate sinapsi, mediante le quali segnali elettrochimici o elettrici possono essere trasmessi da una cellula all’altra. Molti neuroni estrudono lunghi filamenti sottili di protoplasma chiamati assoni, che possono giungere a parti distanti del corpo e sono in grado di portare rapidamente segnali elettrici, influenzando l’attività di altri neuroni, muscoli o ghiandole presso i loro punti terminali. Un sistema nervoso emerge dall’assemblaggio di neuroni che sono collegati tra loro.Nei vertebrati, il sistema nervoso può essere suddiviso in due parti, il sistema nervoso centrale (cervello e midollo spinale), e il sistema nervoso periferico. In molte specie – compresi tutti i vertebrati – il sistema nervoso è il sistema organico più complesso del corpo, con la maggior parte della complessità che risiede nel cervello. Il cervello da solo contiene circa cento miliardi di neuroni e 100.000 miliardi di sinapsi, si compone di migliaia di sotto strutture distinguibili, collegate tra loro in reti sinaptiche i cui meandri hanno cominciato solo adesso ad essere svelati. La maggioranza dei circa 20-25.000 geni appartenenti al genoma umano sono espressi specificatamente nel cervello. A causa della plasticità del cervello umano, la struttura delle sue sinapsi e le funzioni risultanti cambiano durante la vita. Così, la sfida di dare un senso a tutta questa complessità è formidabile.

NEUROSCIENZE COGNITIVO – COMPORTAMENTALI

A livello cognitivo, le neuroscienze cognitive affrontano la questione di come le funzioni psicologiche sono prodotte dai circuiti neurali. L’emergere di nuove e potenti tecniche di misurazione, come quelle della neuroimaging (es. fMRI, PET, SPECT), dell’elettrofisiologia e dell’analisi genetica umana combinate con sofisticate tecniche sperimentali della psicologia cognitiva, permette a neuroscienziati e psicologi di affrontare questioni astratte come ad esempio il modo in cui la cognizione umana e l’emozione sono mappate da substrati neurali specifici. Le Neuroscienze sono alleate anche con le scienze sociali e comportamentali, nonché con campi interdisciplinari nascenti come la neuroeconomia, la teoria della decisione e le neuroscienze sociali per affrontare questioni complesse sulle interazioni del cervello con il suo ambiente.In ultima analisi i neuroscienziati vorrebbero comprendere ogni aspetto del sistema nervoso, compreso come funziona, come si sviluppa, il suo cattivo funzionamento, e come può essere modificato o riparato. Gli argomenti specifici che costituiscono i principali focolai di ricerca cambiano nel tempo, guidati da una base in continua espansione di conoscenze e dalla disponibilità di mezzi tecnici sempre più sofisticati. Nel lungo termine, i miglioramenti nella tecnologia sono stati i volani principali del progresso. Sviluppi in microscopia elettronica, computer, elettronica, nell’ imaging funzionale del cervello, e più recentemente nella genetica e nella genomica, sono stati tutti fattori determinanti per il progresso.

www.neuroscience.psice.unibo.it/

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