Le neuroscienze sono un approccio multidisciplinare allo studio del sistema nervoso, e delle sue ricadute sul comportamento umano e animale. Esse richiedono conoscenze di psicologia, medicina, fisiologia, biologia molecolare, biologia cellulare, biologia dello sviluppo, biochimica, anatomia, genetica, infermieristica, biologia evoluzionistica, chimica, fisica, matematica, statistica, pedagogia e linguistica, sebbene ognuna di queste discipline sia sviluppata e approfondita in maniera diversa a seconda della branca di studi scelta.
Le neuroscienze, come indica il nome stesso, non sono una scienza unitaria e monolitica ma un insieme di approcci e dunque di campi di studio e ricerca; il più vasto è quello della neurobiologia. La "neurobiologia" è un termine-ombrello che indica lo studio scientifico e interdisciplinare del sistema nervoso a livello anatomico, strutturale, di sviluppo (sia regolare che patologico), di funzionamento e biochimico-fisiologico.
L'ambito delle neuroscienze si è ampliato, diversificato e specializzato per includere diversi approcci utilizzati per studiare gli aspetti molecolari, cellulari, dello sviluppo, strutturali, funzionali, evoluzionistici, cognitivi, computazionali e patologici 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 dei fenomeni emergenti del cervello, tramite l'utilizzo di tecniche di neuroimaging funzionale, il tutto mediante la collaborazione di modellizzazioni teoriche, simulazioni computazionali ed approcci sperimentali.
Storia
Lo studio del sistema nervoso risale all'Antico Egitto. Prove della trapanazione, delle pratiche chirurgiche della foratura o della raschiatura di un foro nel cranio per curare il mal di testa o i disturbi mentali risalgono al neolitico e sono state ritrovate in varie culture in tutto il mondo. Manoscritti risalenti al 1700 a.C. indicano che gli egiziani avevano qualche conoscenza circa i sintomi del danno cerebrale.
Le prime opinioni sulla funzione del cervello lo consideravano come un "ripieno cranico" di qualche sorta. In Egitto, dalla fine del Medio Regno in poi, il cervello veniva regolarmente rimosso in preparazione della mummificazione. Al tempo si riteneva che la sede dell'intelligenza fosse il cuore. Secondo Erodoto, il primo passo della mummificazione era "prendere un pezzo storto di ferro, e con esso estrarre il cervello attraverso le narici, eliminandone così una porzione, mentre il resto veniva ripulito dal teschio tramite risciacquo con droghe".
L'opinione che il cuore fosse la fonte della coscienza non fu contestata fino all'epoca del medico greco Ippocrate. Egli credeva che il cervello non solo fosse coinvolto con la sensazione - in quanto organi specializzati per ciò (ad esempio, occhi, orecchie, lingua) si trovano nella testa, vicino al cervello - ma che fosse anche la sede dell'intelligenza. Anche Platone ipotizzò che il cervello fosse la sede della parte razionale dell'anima. Aristotele, tuttavia, riteneva che il centro di intelligenza fosse il cuore e che il cervello regolasse la quantità di calore proveniente dal cuore. Tale opinione fu generalmente accettata fino al medico romano Galeno, seguace di Ippocrate e medico di gladiatori, il quale osservò che i suoi pazienti perdevano le loro facoltà mentali quando subivano danni al cervello.
Abulcasis, Averroè, Avenzoar e Maimonide, attivi nel mondo islamico medievale, descrissero una serie di problemi medici correlati al cervello. Nell'Europa del Rinascimento, Vesalio (1514-1564) e René Descartes (1596-1650) diedero anch'essi diversi contributi alle neuroscienze.
Gli studi sul cervello diventarono più sofisticati dopo l'invenzione del microscopio e lo sviluppo di una procedura di colorazione da parte di Camillo Golgi, verso la fine degli anni 1890. La procedura utilizzava un sale cromato d'argento per rivelare le strutture complesse del singolo neurone. La sua tecnica venne utilizzata da Santiago Ramón y Cajal e portò alla formazione della dottrina del neurone, l'ipotesi che l'unità funzionale del cervello fosse il neurone. Golgi e Ramón y Cajal condivisero il Premio Nobel per la medicina nel 1906 per le loro ampie osservazioni, descrizioni e categorizzazioni dei neuroni in tutto il cervello. Mentre il lavoro pionieristico di Luigi Galvani alla fine del 1700 aveva posto le basi per lo studio dell'eccitabilità elettrica dei muscoli e dei neuroni, è stato alla fine del XIX secolo che Emil du Bois-Reymond, Johannes Peter Müller e Hermann von Helmholtz dimostrarono che l'eccitazione elettrica dei neuroni influenza prevedibilmente gli stati elettrici dei neuroni adiacenti.
Parallelamente a queste ricerche, il lavoro con i pazienti cerebrolesi di Paul Broca suggeriva che alcune regioni del cervello fossero responsabili di determinate funzioni. A quel tempo, le scoperte di Broca furono viste come una conferma della teoria di Franz Joseph Gall, secondo cui il linguaggio è localizzato e che certe funzioni psicologiche sono localizzate in aree specifiche della corteccia cerebrale. L'ipotesi di localizzazione delle funzioni è supportata dalle osservazioni su pazienti epilettici condotte da John Hughlings Jackson, che ha correttamente dedotto l'organizzazione della corteccia motoria osservando la progressione delle convulsioni attraverso il corpo. Carl Wernicke sviluppò ulteriormente la teoria della specializzazione di specifiche strutture cerebrali nella comprensione del linguaggio e nella produzione. La ricerca moderna utilizza ancora la mappa cerebrale citoarchitettonica di Brodmann (in riferimento allo studio della struttura cellulare) nel dimostrare che l'esecuzione di compiti specifici viene attivata in aree specifiche della corteccia.
Nel 1952, Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley presentarono un modello matematico per la trasmissione dei segnali elettrici nei neuroni dell'assone gigante di calamaro, per i potenziali d'azione, e per come essi vengono avviati e propagati, conosciuto come modello di Hodgkin-Huxley. Nel 1961-2, Richard FitzHugh e J. Nagumo semplificarono il modello di Hodgkin-Huxley, in quello che viene chiamato il modello di FitzHugh-Nagumo. Nel 1962, Bernard Katz modellò la neurotrasmissione attraverso gli spazi tra i neuroni conosciuti come sinapsi. Nel 1981 Catherine Morris e Harold Lecar combinarono questi modelli nel modello di Morris-Lecar. Nel 1984, J. L. Hindmarsh e R.M. Rose hanno ulteriormente modellizzato la neurotrasmissione.
A partire dal 1966, Eric Kandel e collaboratori hanno esaminato i cambiamenti biochimici nei neuroni connessi con l'apprendimento e la memoria.
Le 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 sottostrutture 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 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 elettrochimicamente. 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.
Circuiti neurali e sistemi
Le neuroscienze sistemiche si propongono di studiare l'architettura funzionale e strutturale del cervello umano in via di sviluppo. Lo studio di circuiti e reti su larga scala è reso possibile da discipline emergenti quali la connettomica.