Neuroscienza: cos’è, studio scientifico del sistema nervoso

La neuroscienza è lo studio scientifico del sistema nervoso ( cervello , midollo spinale e sistema nervoso periferico ), delle sue funzioni e dei suoi disturbi. È una scienza multidisciplinare che combina fisiologia , anatomia , biologia molecolare , biologia dello sviluppo , citologia , psicologia , fisica , informatica , chimica , medicina , statistica emodellazione matematica per comprendere le proprietà fondamentali ed emergenti di neuroni , glia e circuiti neurali La comprensione delle basi biologiche dell’apprendimento , della memoria , del comportamento , della percezione e della coscienza è stata descritta da Eric Kandel come la “sfida epica” delle scienze biologiche .

Disegno di Santiago Ramón y Cajal (1899) di neuroni nel cervelletto di piccione

L’ambito delle neuroscienze si è ampliato nel tempo per includere diversi approcci utilizzati per studiare il sistema nervoso su scale diverse. Le tecniche utilizzate dai neuroscienziati si sono espanse enormemente, dagli studi molecolari e cellulari dei singoli neuroni all’imaging dei compiti sensoriali , motori e cognitivi nelcervello .

Storia

Illustrazione da Gray’s Anatomy (1918) di una vista laterale del cervello umano , con l’ ippocampo tra le altre caratteristiche neuroanatomiche

Il primo studio del sistema nervoso risale all’antico Egitto . La trapanazione , la pratica chirurgica di perforare o raschiare un foro nel cranio allo scopo di curare ferite alla testa o disturbi mentali , o alleviare la pressione cranica, è stata registrata per la prima volta durante il periodo neolitico . Manoscritti risalenti al 1700 aC indicano che gli egiziani avevano una certa conoscenza dei sintomi del danno cerebrale .

Le prime opinioni sulla funzione del cervello lo consideravano una sorta di “riempimento cranico”. In Egitto , dal tardo Medio Regno in poi, il cervello veniva regolarmente rimosso in preparazione alla mummificazione . All’epoca si credeva che il cuore fosse la sede dell’intelligenza. Secondo Erodoto , il primo passo della mummificazione era “prendere un pezzo di ferro storto, e con esso estrarre il cervello attraverso le narici, liberandosi così di una parte, mentre il cranio viene ripulito dal resto mediante risciacquo con farmaci. “

L’idea che il cuore fosse la fonte della coscienza non fu contestata fino al tempo del medico greco Ippocrate . Credeva che il cervello non fosse solo coinvolto con la sensazione, poiché la maggior parte degli organi specializzati (ad esempio occhi, orecchie, lingua) si trova nella testa vicino al cervello, ma fosse anche la sede dell’intelligenza. Platone ipotizzò anche che il cervello fosse la sede della parte razionale dell’anima. Aristotele , tuttavia, credeva che il cuore fosse il centro dell’intelligenza e che il cervello regolasse la quantità di calore proveniente dal cuore. Questo punto di vista fu generalmente accettato fino a quando il medico romano Galeno , seguace di Ippocrate e medico dei gladiatori romani, osservò che i suoi pazienti perdevano le loro facoltà mentali quando avevano subito danni al cervello.

Abulcasis , Averroè , Avicenna , Avenzoar e Maimonide , attivi nel mondo musulmano medievale, descrissero una serie di problemi medici legati al cervello. Nell’Europa rinascimentale , anche Vesalius (1514–1564), René Descartes (1596–1650), Thomas Willis (1621–1675) e Jan Swammerdam (1637–1680) diedero diversi contributi alle neuroscienze.

La macchia di Golgi ha consentito per la prima volta la visualizzazione dei singoli neuroni.

Il lavoro pionieristico di Luigi Galvani alla fine del 1700 pose le basi per lo studio dell’eccitabilità elettrica di muscoli e neuroni. Nella prima metà del XIX secolo, Jean Pierre Flourens ha aperto la strada al metodo sperimentale per eseguire lesioni cerebrali localizzate in animali vivi descrivendone gli effetti sulla motricità, sensibilità e comportamento. Nel 1843 Emil du Bois-Reymond dimostrò la natura elettrica del segnale nervoso, di cui Hermann von Helmholtz procedette a misurare la velocità, e nel 1875 Richard Caton scoprì fenomeni elettrici negli emisferi cerebrali di conigli e scimmie. Adolf Beckpubblicato nel 1890 osservazioni simili sull’attività elettrica spontanea del cervello di conigli e cani. Gli studi sul cervello divennero più sofisticati dopo l’invenzione del microscopio e lo sviluppo di una procedura di colorazione da parte di Camillo Golgi alla fine degli anni ’90 dell’Ottocento. La procedura ha utilizzato un sale cromato d’argento per rivelare le intricate strutture dei singoli neuroni . La sua tecnica è stata utilizzata da Santiago Ramón y Cajal e ha portato alla formazione della dottrina del neurone , l’ipotesi che l’unità funzionale del cervello sia il neurone. Golgi e Ramón y Cajal hanno condiviso il premio Nobel per la fisiologia o la medicinanel 1906 per le loro ampie osservazioni, descrizioni e categorizzazioni dei neuroni in tutto il cervello.

Parallelamente a questa ricerca, il lavoro con pazienti cerebrolesi di Paul Broca ha suggerito 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 era localizzato e alcune funzioni psicologiche erano localizzate in aree specifiche della corteccia cerebrale . L’ ipotesi della localizzazione della funzione è stata supportata dalle osservazioni di pazienti epilettici condotte da John Hughlings Jackson , che ha dedotto correttamente l’organizzazione della corteccia motoria osservando la progressione delle crisi attraverso il corpo.Carl Wernicke sviluppò ulteriormente la teoria della specializzazione di specifiche strutture cerebrali nella comprensione e produzione del linguaggio. La ricerca moderna attraverso tecniche di neuroimaging , utilizza ancora le definizioni anatomiche della mappa citoarchitettonica cerebrale di Brodmann (riferendosi allo studio della struttura cellulare ) di quest’epoca per continuare a mostrare che aree distinte della corteccia sono attivate nell’esecuzione di compiti specifici.

Durante il 20° secolo, le neuroscienze iniziarono ad essere riconosciute come una disciplina accademica distinta a sé stante, piuttosto che come studi del sistema nervoso all’interno di altre discipline. Eric Kandel e collaboratori hanno citato David Rioch , Francis O. Schmitt e Stephen Kuffler per aver svolto un ruolo fondamentale nello stabilire il campo. Rioch ha dato origine all’integrazione della ricerca anatomica e fisiologica di base con la psichiatria clinica presso il Walter Reed Army Institute of Research , a partire dagli anni ’50. Nello stesso periodo, Schmitt istituì un programma di ricerca sulle neuroscienze all’interno del Dipartimento di Biologia del Massachusetts Institute of Technology, riunendo biologia, chimica, fisica e matematica. Il primo dipartimento di neuroscienze indipendente (allora chiamato Psicobiologia) è stato fondato nel 1964 presso l’Università della California, Irvine da James L. McGaugh . Questo è stato seguito dal Dipartimento di Neurobiologia della Harvard Medical School , fondato nel 1966 da Stephen Kuffler.

La comprensione dei neuroni e della funzione del sistema nervoso è diventata sempre più precisa e molecolare nel corso del XX secolo. Ad esempio, nel 1952, Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley presentarono un modello matematico per la trasmissione di segnali elettrici nei neuroni dell’assone gigante di un calamaro, che chiamarono ” potenziali d’azione “, e come vengono avviati e propagati, noto come Modello di Hodgkin-Huxley . Nel 1961-1962, Richard FitzHugh e J. Nagumo semplificarono Hodgkin-Huxley, in quello che viene chiamato il modello FitzHugh-Nagumo . Nel 1962, Bernard Katz ha modellato la neurotrasmissione attraverso lo spazio tra i neuroni noto come sinapsi. A partire dal 1966, Eric Kandel e collaboratori hanno esaminato i cambiamenti biochimici nei neuroni associati all’apprendimento e all’immagazzinamento della memoria in Aplysia . Nel 1981 Catherine Morris e Harold Lecar combinarono questi modelli nel modello Morris-Lecar . Tale lavoro sempre più quantitativo ha dato origine a numerosi modelli di neuroni biologici e modelli di calcolo neurale .

Come risultato del crescente interesse per il sistema nervoso, sono state formate diverse importanti organizzazioni di neuroscienze per fornire un forum a tutti i neuroscienziati durante il 20° secolo. Ad esempio, l’ International Brain Research Organization è stata fondata nel 1961, la International Society for Neurochemistry nel 1963, la European Brain and Behavior Society nel 1968 e la Society for Neuroscience nel 1969. a discipline applicate come la neuroeconomia , la neuroeducazione , la neuroetica e il neurodiritto .

Nel corso del tempo, la ricerca sul cervello ha attraversato fasi filosofiche, sperimentali e teoriche, con il lavoro sugli impianti neurali e la simulazione del cervello che si prevede saranno importanti in futuro.

Neuroscienze moderne

Sistema nervoso umano

Lo studio scientifico del sistema nervoso è aumentato notevolmente durante la seconda metà del ventesimo secolo, principalmente grazie ai progressi della 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, come funziona male e come può essere modificato.

Ad esempio, è diventato possibile comprendere, in modo molto dettagliato, i complessi processi che avvengono all’interno di un singolo neurone . I neuroni sono cellule specializzate per la comunicazione. Sono in grado di comunicare con i neuroni e altri tipi di cellule attraverso giunzioni specializzate chiamate sinapsi , in cui i segnali elettrici o elettrochimici possono essere trasmessi da una cellula all’altra. Molti neuroni estrudono un lungo e sottile filamento di assoplasma chiamato assone , che può estendersi a parti distanti del corpo e sono in grado di trasportare rapidamente segnali elettrici, influenzando l’attività di altri neuroni, muscoli o ghiandole nei loro punti terminali. Un sistema nervosoemerge dall’assemblaggio di neuroni collegati tra loro.

Il sistema nervoso dei vertebrati può essere suddiviso in due parti: il sistema nervoso centrale (definito come cervello e midollo spinale ) e il sistema nervoso periferico . In molte specie, inclusi tutti i vertebrati, il sistema nervoso è il sistema di organi più complesso del corpo, con la maggior parte della complessità che risiede nel cervello. Il cervello umanoda solo contiene circa cento miliardi di neuroni e cento trilioni di sinapsi; è costituito da migliaia di sottostrutture distinguibili, collegate tra loro in reti sinaptiche le cui complessità hanno appena iniziato a essere svelate. Almeno uno su tre dei circa 20.000 geni appartenenti al genoma umano è espresso principalmente nel cervello.

A causa dell’elevato grado di plasticità del cervello umano, la struttura delle sue sinapsi e le loro funzioni risultanti cambiano nel corso della vita.

Dare un senso alla complessità dinamica del sistema nervoso è una formidabile sfida di ricerca. In definitiva, i neuroscienziati vorrebbero comprendere ogni aspetto del sistema nervoso, incluso come funziona, come si sviluppa, come funziona male e come può essere alterato o riparato. L’analisi del sistema nervoso viene quindi eseguita a più livelli, che vanno dai livelli molecolari e cellulari ai sistemi e ai livelli cognitivi. Gli argomenti specifici che costituiscono il focus principale della ricerca cambiano nel tempo, spinti da una base di conoscenze in continua espansione e dalla disponibilità di metodi tecnici sempre più sofisticati. I miglioramenti nella tecnologia sono stati i motori principali del progresso. Sviluppi in microscopia elettronica , informatica , elettronica ,il neuroimaging funzionale , la genetica e la genomica sono stati tutti i principali motori del progresso.

Forse uno dei principali problemi irrisolti nelle moderne neuroscienze è il cosiddetto problema dei “tipi cellulari” che si riferisce alla categorizzazione, definizione e identificazione di tutti i tipi di cellule neuronali/astrocitiche in un organismo. Di solito, questo si riferisce al cervello del topo poiché la comprensione del cervello del topo è vista come un trampolino di lancio per comprendere l’umano. I moderni progressi nella classificazione delle cellule neuronali sono stati resi possibili dalla registrazione elettrofisiologica, dal sequenziamento genetico di una singola cellula e dalla microscopia di alta qualità, che sono stati recentemente combinati in un’unica pipeline di metodi chiamata Patch-seqin cui tutti e 3 i metodi vengono applicati simultaneamente utilizzando strumenti in miniatura. L’efficienza di questo metodo e la grande quantità di dati generati hanno permesso ai ricercatori di trarre alcune conclusioni generali sui tipi di cellule; per esempio che il cervello umano e quello del topo hanno versioni diverse di fondamentalmente gli stessi tipi di cellule.

Neuroscienze molecolari e cellulari

Fotografia di un neurone macchiato in un embrione di pollo

Le domande di base affrontate nelle neuroscienze molecolari includono i meccanismi mediante i quali i neuroni esprimono e rispondono ai segnali molecolari e come gli assoni formano schemi di connettività complessi. A questo livello, vengono utilizzati strumenti della biologia molecolare e della genetica per comprendere come si sviluppano i neuroni e come i cambiamenti genetici influenzano le funzioni biologiche. Anche la morfologia , l’identità molecolare e le caratteristiche fisiologiche dei neuroni e il modo in cui si relazionano a diversi tipi di comportamento sono di notevole interesse.

Le domande affrontate nelle neuroscienze cellulari includono i meccanismi di come i neuroni elaborano i segnali fisiologicamente ed elettrochimicamente. Queste domande includono come i segnali vengono elaborati da neuriti e somi e come i neurotrasmettitori e i segnali elettrici vengono utilizzati per elaborare le informazioni in un neurone. I neuriti sono estensioni sottili di un corpo cellulare neuronale , costituiti da dendriti (specializzati a ricevere input sinaptici da altri neuroni) e assoni (specializzati a condurre impulsi nervosi chiamati potenziali d’azione ). I somi sono i corpi cellulari dei neuroni e contengono il nucleo.

Un’altra importante area delle neuroscienze cellulari è l’indagine sullo sviluppo del sistema nervoso . Le domande includono il patterning e la regionalizzazione del sistema nervoso, lo sviluppo assonale e dendritico, le interazioni trofiche , la formazione di sinapsi e l’implicazione dei frattoni nelle cellule staminali neurali , la differenziazione dei neuroni e della glia ( neurogenesi e gliogenesi ) e la migrazione neuronale .

La modellazione neurogenetica computazionale si occupa dello sviluppo di modelli neuronali dinamici per la modellazione delle funzioni cerebrali rispetto ai geni e alle interazioni dinamiche tra i geni.

Circuiti e sistemi neurali

Organizzazione proposta di circuiti neurali semantico-motori per la comprensione del linguaggio dell’azione. Adattato da Shebani et al. (2013)

Le domande nelle neuroscienze dei sistemi includono come i circuiti neurali sono formati e usati anatomicamente e fisiologicamente per produrre funzioni come i riflessi , l’integrazione multisensoriale , la coordinazione motoria , i ritmi circadiani , le risposte emotive , l’ apprendimento e la memoria . In altre parole, affrontano il modo in cui questi circuiti neurali funzionano nelle reti cerebrali su larga scala e i meccanismi attraverso i quali vengono generati i comportamenti. Ad esempio, l’analisi a livello di sistema affronta questioni relative a specifiche modalità sensoriali e motorie: come funziona la visione ? Come facciogli uccelli canori imparano nuove canzoni ei pipistrelli si localizzano con gli ultrasuoni ? In che modo il sistema somatosensoriale elabora le informazioni tattili? I campi correlati della neuroetologia e della neuropsicologia affrontano la questione di come i substrati neurali siano alla base di specifici comportamenti animali e umani . La neuroendocrinologia e la psiconeuroimmunologia esaminano rispettivamente le interazioni tra il sistema nervoso e il sistema endocrino e immunitario . Nonostante molti progressi, il modo in cui le reti di neuroni eseguono processi cognitivi complessie comportamenti è ancora poco compreso.

Neuroscienze cognitive e comportamentali

Le neuroscienze cognitive affrontano le questioni di come le funzioni psicologiche sono prodotte dai circuiti neurali . L’emergere di nuove potenti tecniche di misurazione come la neuroimaging (ad es. fMRI , PET , SPECT ), EEG , MEG , elettrofisiologia , optogenetica e analisi genetica umana combinate con sofisticate tecniche sperimentali della psicologia cognitiva consente a neuroscienziati e psicologiper affrontare questioni astratte come il modo in cui la cognizione e l’emozione sono mappate su specifici substrati neurali. Sebbene molti studi mantengano ancora una posizione riduzionista alla ricerca delle basi neurobiologiche dei fenomeni cognitivi, ricerche recenti mostrano che esiste un’interessante interazione tra scoperte neuroscientifiche e ricerca concettuale, sollecitando e integrando entrambe le prospettive. Ad esempio, la ricerca neuroscientifica sull’empatia ha sollecitato un interessante dibattito interdisciplinare che coinvolge filosofia, psicologia e psicopatologia. Inoltre, l’identificazione neuroscientifica di molteplici sistemi di memoria relativi a diverse aree cerebrali ha messo in discussione l’idea della memoria come riproduzione letterale del passato, sostenendo una visione della memoria come processo generativo, costruttivo e dinamico.

La neuroscienza è anche alleata con le scienze sociali e comportamentali , così come con i nascenti campi interdisciplinari. Esempi di tali alleanze includono neuroeconomia , teoria delle decisioni , neuroscienze sociali e neuromarketing per affrontare domande complesse sulle interazioni del cervello con il suo ambiente. Uno studio sulle risposte dei consumatori, ad esempio, utilizza l’EEG per indagare i correlati neurali associati al trasporto narrativo in storie sull’efficienza energetica .

Neuroscienze computazionali

Le domande nelle neuroscienze computazionali possono abbracciare un’ampia gamma di livelli di analisi tradizionali, come lo sviluppo , la struttura e le funzioni cognitive del cervello. La ricerca in questo campo utilizza modelli matematici , analisi teoriche e simulazioni al computer per descrivere e verificare neuroni e sistemi nervosi biologicamente plausibili. Ad esempio, i modelli di neuroni biologici sono descrizioni matematiche di neuroni spiking che possono essere utilizzati per descrivere sia il comportamento dei singoli neuroni che la dinamica delle reti neurali . La neuroscienza computazionale viene spesso definita neuroscienza teorica.

Le nanoparticelle in medicina sono versatili nel trattamento dei disturbi neurologici mostrando risultati promettenti nella mediazione del trasporto di farmaci attraverso la barriera ematoencefalica. L’implementazione di nanoparticelle nei farmaci antiepilettici migliora la loro efficacia medica aumentando la biodisponibilità nel flusso sanguigno, oltre a offrire una misura di controllo nella concentrazione del tempo di rilascio. Sebbene le nanoparticelle possano aiutare i farmaci terapeutici regolando le proprietà fisiche per ottenere effetti desiderati, negli studi preliminari sui farmaci spesso si verificano aumenti involontari della tossicità. Inoltre, la produzione di nanomedicina per la sperimentazione di farmaci è economicamente impegnativa, ostacolando i progressi nella loro attuazione. I modelli computazionali nelle nanoneuroscienze forniscono alternative per studiare l’efficacia dei farmaci basati sulla nanotecnologia nei disturbi neurologici, mitigando al contempo i potenziali effetti collaterali ei costi di sviluppo.

I nanomateriali spesso operano su scale di lunghezza tra i regimi classici e quantistici . A causa delle incertezze associate alle scale di lunghezza in cui operano i nanomateriali, è difficile prevedere il loro comportamento prima degli studi in vivo. Classicamente, i processi fisici che avvengono nei neuroni sono analoghi ai circuiti elettrici. I progettisti si concentrano su tali analogie e modellano l’attività cerebrale come un circuito neurale. Il successo nella modellazione computazionale dei neuroni ha portato allo sviluppo di modelli stereochimici che prevedono con precisione le sinapsi basate sul recettore dell’acetilcolina operanti su scale temporali di microsecondi.

I nanoaghi ultrafini per manipolazioni cellulari sono più sottili dei più piccoli nanotubi di carbonio a parete singola . La chimica quantistica computazionale viene utilizzata per progettare nanomateriali ultrafini con strutture altamente simmetriche per ottimizzare geometria, reattività e stabilità.

Il comportamento dei nanomateriali è dominato da interazioni di non legame a lungo raggio. I processi elettrochimici che si verificano in tutto il cervello generano un campo elettrico che può inavvertitamente influenzare il comportamento di alcuni nanomateriali. Le simulazioni di dinamica molecolare possono mitigare la fase di sviluppo dei nanomateriali e prevenire la tossicità neurale dei nanomateriali a seguito di studi clinici in vivo. Testare i nanomateriali utilizzando la dinamica molecolare ottimizza le caratteristiche dei nanomateriali per scopi terapeutici testando diverse condizioni ambientali, fabbricazioni della forma dei nanomateriali, proprietà della superficie dei nanomateriali, ecc. senza la necessità di sperimentazione in vivo. La flessibilità nelle simulazioni dinamiche molecolari consente ai medici di personalizzare il trattamento. Dati relativi alle nanoparticelle da traslazionela nanoinformatica collega i dati neurologici specifici del paziente per prevedere la risposta al trattamento.

Neuroscienze e medicina

Neuroscienze cliniche

Neurologia , psichiatria , neurochirurgia , psicochirurgia , anestesiologia e medicina del dolore , neuropatologia , neuroradiologia , oftalmologia , otorinolaringoiatria , neurofisiologia clinica , medicina delle dipendenze e medicina del sonno sono alcune specialità mediche che affrontano specificamente le malattie del sistema nervoso. Questi termini si riferiscono anche a discipline cliniche che coinvolgono la diagnosi e il trattamento di queste malattie.

La neurologia lavora con le malattie del sistema nervoso centrale e periferico, come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA) e l’ ictus , e il loro trattamento medico. La psichiatria si concentra sui disturbi affettivi , comportamentali, cognitivi e percettivi . L’anestesiologia si concentra sulla percezione del dolore e sull’alterazione farmacologica della coscienza. La neuropatologia si concentra sulla classificazione e sui meccanismi patogenetici sottostanti del sistema nervoso centrale e periferico e sulle malattie muscolari, con particolare attenzione alle alterazioni morfologiche, microscopiche e chimicamente osservabili. Neurochirurgia ela psicochirurgia lavora principalmente con il trattamento chirurgico delle malattie del sistema nervoso centrale e periferico.

Ricerca traslazionale

Risonanza magnetica parasagittale della testa di un paziente con macrocefalia familiare benigna

Di recente, i confini tra le varie specialità si sono sfumati, poiché sono tutti influenzati dalla ricerca di base nelle neuroscienze. Ad esempio, l’imaging cerebrale consente una visione biologica obiettiva delle malattie mentali, che può portare a una diagnosi più rapida, una prognosi più accurata e un migliore monitoraggio dei progressi del paziente nel tempo.

Integrative neuroscience describes the effort to combine models and information from multiple levels of research to develop a coherent model of the nervous system. For example, brain imaging coupled with physiological numerical models and theories of fundamental mechanisms may shed light on psychiatric disorders.

Another important area of translational research is brain-computer interfaces, or machines that are able to communicate and influence the brain. brain-computer interfaces (BCIs) are currently being researched for their potential to repair neural systems and restore certain cognitive functions. However, some ethical considerations have to be dealt with before they are accepted.

Major branches

Modern neuroscience education and research activities can be very roughly categorized into the following major branches, based on the subject and scale of the system in examination as well as distinct experimental or curricular approaches. Individual neuroscientists, however, often work on questions that span several distinct subfields.

List of the major branches of neuroscience
Branch Description
Affective neuroscience Affective neuroscience is the study of the neural mechanisms involved in emotion, typically through experimentation on animal models.
Behavioral neuroscience Behavioral neuroscience (also known as biological psychology, physiological psychology, biopsychology, or psychobiology) is the application of the principles of biology to the study of genetic, physiological, and developmental mechanisms of behavior in humans and non-human animals.
Cellular neuroscience Cellular neuroscience is the study of neurons at a cellular level including morphology and physiological properties.
Clinical neuroscience The scientific study of the biological mechanisms that underlie the disorders and diseases of the nervous system.
Cognitive neuroscience Cognitive neuroscience is the study of the biological mechanisms underlying cognition.
Computational neuroscience Computational neuroscience is the theoretical study of the nervous system.
Cultural neuroscience Cultural neuroscience is the study of how cultural values, practices and beliefs shape and are shaped by the mind, brain and genes across multiple timescales.
Developmental neuroscience Developmental neuroscience studies the processes that generate, shape, and reshape the nervous system and seeks to describe the cellular basis of neural development to address underlying mechanisms.
Evolutionary neuroscience Evolutionary neuroscience studies the evolution of nervous systems.
Molecular neuroscience Molecular neuroscience studies the nervous system with molecular biology, molecular genetics, protein chemistry, and related methodologies.
Nanoneuroscience An interdisciplinary field that integrates nanotechnology and neuroscience.
Neural engineering Neural engineering uses engineering techniques to interact with, understand, repair, replace, or enhance neural systems.
Neuroanatomy Neuroanatomy is the study of the anatomy of nervous systems.
Neurochemistry Neurochemistry is the study of how neurochemicals interact and influence the function of neurons.
Neuroethology Neuroethology is the study of the neural basis of non-human animals behavior.
Neurogastronomy La neurogastronomia è lo studio del sapore e di come influenza la sensazione, la cognizione e la memoria.
Neurogenetica La neurogenetica è lo studio delle basi genetiche dello sviluppo e della funzione del sistema nervoso .
Neuroimaging Il neuroimaging include l’uso di varie tecniche per visualizzare direttamente o indirettamente l’immagine della struttura e della funzione del cervello.
Neuroimmunologia La neuroimmunologia si occupa delle interazioni tra il sistema nervoso e quello immunitario.
Neuroinformatica La neuroinformatica è una disciplina all’interno della bioinformatica che conduce l’organizzazione dei dati delle neuroscienze e l’applicazione di modelli computazionali e strumenti analitici.
Neurolinguistica La neurolinguistica è lo studio dei meccanismi neurali nel cervello umano che controllano la comprensione, la produzione e l’acquisizione del linguaggio.
Neuro-oftalmologia La neuro-oftalmologia è una sottospecialità di orientamento accademico che fonde i campi della neurologia e dell’oftalmologia, spesso occupandosi di malattie sistemiche complesse che hanno manifestazioni nel sistema visivo.
Neurofisica La neurofisica è la branca della biofisica che si occupa dello sviluppo e dell’uso di metodi fisici per ottenere informazioni sul sistema nervoso.
Neurofisiologia La neurofisiologia è lo studio della struttura e della funzione del sistema nervoso, generalmente utilizzando tecniche fisiologiche che includono la misurazione e la stimolazione con elettrodi o otticamente con coloranti sensibili agli ioni o alla tensione o canali sensibili alla luce.
Neuropsicologia La neuropsicologia è una disciplina che risiede sotto gli ombrelli sia della psicologia che delle neuroscienze ed è coinvolta in attività nelle arene sia della scienza di base che della scienza applicata. In psicologia, è più strettamente associato alla biopsicologia , alla psicologia clinica, alla psicologia cognitiva e alla psicologia dello sviluppo . Nelle neuroscienze, è più strettamente associato alle aree delle neuroscienze cognitive, comportamentali, sociali e affettive. Nel dominio applicato e medico, è correlato alla neurologia e alla psichiatria.
Neuropsicofarmacologia La neuropsicofarmacologia è una scienza interdisciplinare correlata alla psicofarmacologia e alla neuroscienza fondamentale, è lo studio dei meccanismi neurali su cui agiscono i farmaci per influenzare il comportamento.
Paleoneurobiologia La paleoneurobiologia è un campo che combina tecniche utilizzate in paleontologia e archeologia per studiare l’evoluzione del cervello, in particolare quella del cervello umano.
Neuroscienze sociali La neuroscienza sociale è un campo interdisciplinare dedicato alla comprensione di come i sistemi biologici implementano i processi e il comportamento sociale e all’utilizzo di concetti e metodi biologici per informare e perfezionare le teorie dei processi e del comportamento sociale.
Neuroscienze dei sistemi La neuroscienza dei sistemi è lo studio della funzione dei circuiti e dei sistemi neurali.

Organizzazioni di neuroscienze

La più grande organizzazione professionale di neuroscienze è la Society for Neuroscience (SFN), che ha sede negli Stati Uniti ma include molti membri provenienti da altri paesi. Dalla sua fondazione nel 1969 la SFN è cresciuta costantemente: nel 2010 ha registrato 40.290 membri provenienti da 83 paesi. Gli incontri annuali, che si tengono ogni anno in una diversa città americana, attirano la partecipazione di ricercatori, borsisti post-dottorato, studenti laureati e laureandi, nonché istituzioni educative, agenzie di finanziamento, editori e centinaia di aziende che forniscono prodotti utilizzati nella ricerca.

Altre importanti organizzazioni dedicate alle neuroscienze includono l’ Organizzazione internazionale per la ricerca sul cervello (IBRO), che tiene i suoi incontri in un paese di una parte diversa del mondo ogni anno, e la Federazione delle società europee di neuroscienze (FENS), che tiene un incontro in un diversa città europea ogni due anni. FENS comprende un insieme di 32 organizzazioni a livello nazionale, tra cui la British Neuroscience Association , la German Neuroscience Society ( Neurowissenschaftliche Gesellschaft ) e la French Société des Neurosciences . La prima National Honor Society in Neuroscience, Nu Rho Psi, è stata fondata nel 2006. Esistono anche numerose società di neuroscienze giovanili che supportano studenti universitari, laureati e ricercatori all’inizio della carriera, come Simply Neuroscience e Project Encephalon.

Nel 2013 è stata annunciata negli Stati Uniti la BRAIN Initiative . L’International Brain Initiative è stata creata nel 2017, attualmente integrata da più di sette iniziative di ricerca sul cervello a livello nazionale (Stati Uniti, Europa , Allen Institute , Giappone , Cina , Australia, Canada, Corea e Israele) che abbracciano quattro continenti.

Educazione pubblica e divulgazione

Oltre a condurre ricerche tradizionali in ambienti di laboratorio, i neuroscienziati sono stati anche coinvolti nella promozione della consapevolezza e della conoscenza del sistema nervoso tra il pubblico in generale e i funzionari governativi. Tali promozioni sono state fatte sia da singoli neuroscienziati che da grandi organizzazioni. Ad esempio, singoli neuroscienziati hanno promosso l’educazione alle neuroscienze tra i giovani studenti organizzando l’ International Brain Bee, che è una competizione accademica per studenti delle scuole superiori o secondarie di tutto il mondo. Negli Stati Uniti, grandi organizzazioni come la Society for Neuroscience hanno promosso l’educazione alle neuroscienze sviluppando un primer chiamato Brain Facts, collaborando con insegnanti delle scuole pubbliche per sviluppare Neuroscience Core Concepts per insegnanti e studenti K-12 e co-sponsorizzando una campagna con il Dana Fondazione ha chiamato Brain Awareness Week per aumentare la consapevolezza pubblica sui progressi e sui benefici della ricerca sul cervello. In Canada, il CIHR Canadian National Brain Bee si tiene ogni anno presso la McMaster University .

Gli educatori di neuroscienze hanno formato la Faculty for Undergraduate Neuroscience (FUN) nel 1992 per condividere le migliori pratiche e fornire premi di viaggio per gli studenti universitari che si presentano agli incontri della Society for Neuroscience.

I neuroscienziati hanno anche collaborato con altri esperti di educazione per studiare e perfezionare le tecniche educative per ottimizzare l’apprendimento tra gli studenti, un campo emergente chiamato neuroscienze educative . Anche le agenzie federali negli Stati Uniti, come il National Institute of Health (NIH) e la National Science Foundation (NSF), hanno finanziato la ricerca che riguarda le migliori pratiche nell’insegnamento e nell’apprendimento dei concetti di neuroscienza.

Applicazioni ingegneristiche delle neuroscienze

Chip di computer neuromorfici

L’ingegneria neuromorfica è una branca delle neuroscienze che si occupa della creazione di modelli fisici funzionali di neuroni ai fini del calcolo utile. Le proprietà computazionali emergenti dei computer neuromorfici sono fondamentalmente diverse dai computer convenzionali, nel senso che sono un sistema complesso e che i componenti computazionali sono interconnessi senza un processore centrale.

Un esempio di tale computer è il supercomputer SpiNNaker .

I sensori possono anche essere resi intelligenti con la tecnologia neuromorfica. Un esempio di ciò è BrainScaleS (Brain-inspired Multiscale Computation in Neuromorphic Hybrid Systems) di Event Camera , un supercomputer neuromorfo analogico ibrido situato presso l’Università di Heidelberg in Germania. È stato sviluppato come parte della piattaforma di calcolo neuromorfico dello Human Brain Project ed è il complemento del supercomputer SpiNNaker, che si basa sulla tecnologia digitale. L’architettura utilizzata in BrainScaleS imita i neuroni biologici e le loro connessioni a livello fisico; inoltre, poiché i componenti sono realizzati in silicio, questi neuroni modello operano in media 864 volte (24 ore di tempo reale sono 100 secondi nella simulazione della macchina) rispetto alle loro controparti biologiche.

I recenti progressi nella tecnologia dei microchip neuromorfici hanno portato un gruppo di scienziati a creare un neurone artificiale in grado di sostituire i neuroni reali nelle malattie.

Premi Nobel legati alle neuroscienze

Anno Campo premio Immagine Laureato Tutta la vita Paese Fondamento logico Rif.
1904 Fisiologia Ivan Pavlov nobel.jpg Ivan Petrovich Pavlov 1849-1936 Impero russo “in riconoscimento del suo lavoro sulla fisiologia della digestione, attraverso il quale la conoscenza sugli aspetti vitali della materia è stata trasformata e ampliata”
1906 Fisiologia Camillo Golgi nobel.jpg Camillo Golgi 1843-1926 Regno d’Italia “in riconoscimento del loro lavoro sulla struttura del sistema nervoso”
Cajal-Restored.jpg Santiago Ramón y Cajal 1852-1934 Restauro (Spagna)
1911 Fisiologia Allvar Gullstrand 02.jpg Allvar Gullstrand 1862-1930 Svezia “per il suo lavoro sulle diottrie dell’occhio”
1914 Fisiologia Robert Barany.jpg Roberto Barány 1876-1936 Austria-Ungheria “per il suo lavoro sulla fisiologia e patologia dell’apparato vestibolare”
1932 Fisiologia Prof. Charles Scott Sherrington.jpg Charles Scott Sherrington 1857–1952 Regno Unito “per le loro scoperte riguardanti le funzioni dei neuroni”
Edgar Douglas Adrian nobel.jpg Edgardo Douglas Adrian 1889–1977 Regno Unito
1936 Fisiologia Henry Dale nobel.jpg Henry Hallett Dale 1875–1968 Regno Unito “per le loro scoperte relative alla trasmissione chimica degli impulsi nervosi”
Otto Loewi nobel.jpg Otto Loewi 1873-1961 Austria
Germania
1938 Fisiologia Corneille Heymans nobel.jpg Corneille Jean-François Heymans 1892-1968 Belgio “per la scoperta del ruolo svolto dai meccanismi del seno e dell’aorta nella regolazione della respirazione “
1944 Fisiologia Joseph Erlanger nobel.jpg Giuseppe Erlanger 1874–1965 stati Uniti “per le loro scoperte relative alle funzioni altamente differenziate delle singole fibre nervose”
Herbert Spencer Gasser nobel.jpg Herbert Spencer Gasser 1888-1963 stati Uniti
1949 Fisiologia Walter Hess.jpg Walter Rudolf Hess 1881–1973 Svizzera “per la sua scoperta dell’organizzazione funzionale del intracervello come coordinatore delle attività degli organi interni”
Moniz.jpg António Caetano Egas Moniz 1874-1955 Portogallo “per la scoperta del valore terapeutico della leucotomia in certe psicosi”
1955 Chimica Vincent du Vigneaud.jpg Vincent du Vigneaud 1901–1978 stati Uniti “per il suo lavoro sui composti dello zolfo biochimicamente importanti, in particolare per la prima sintesi di un ormone polipeptidico ” (Ossitocina)
1957 Fisiologia Daniel Bovet nobel.jpg Daniele Bovet 1907–1992 Italia “per le sue scoperte relative a composti sintetici che inibiscono l’azione di alcune sostanze corporee, e in particolare la loro azione sul sistema vascolare e sui muscoli scheletrici”
1961 Fisiologia Georg von Békésy nobel.jpg Georg von Bekesy 1899–1972 stati Uniti “per le sue scoperte del meccanismo fisico di stimolazione all’interno della coclea”
1963 Fisiologia Sir John Eccles Benvenuti L0026812.jpg John Carew Eccles 1903–1997 Australia “per le loro scoperte riguardanti i meccanismi ionici coinvolti nell’eccitazione e nell’inibizione nelle porzioni periferiche e centrali della membrana delle cellule nervose”
Alan Lloyd Hodgkin nobel.jpg Alan Lloyd Hodgkin 1914–1998 Regno Unito
Andrew Fielding Huxley nobel.jpg Andrew Fielding Huxley 1917-2012 Regno Unito
1967 Fisiologia Ragnar Granit2.jpg Granito Ragnar 1900–1991 Finlandia
Svezia
“per le loro scoperte riguardanti i processi visivi fisiologici e chimici primari nell’occhio”
Haldan Keffer Hartline nobel.jpg Haldan Keffer Hartline 1903–1983 stati Uniti
George Wald nobel.jpg Giorgio Wald 1906–1997 stati Uniti
1970 Fisiologia Giulio Axelrod 1912-2004 stati Uniti “per le loro scoperte riguardanti i trasmettitori umorali nelle terminazioni nervose e il meccanismo per la loro conservazione, rilascio e inattivazione”
Ulf von Eulero.jpg Ulf von Eulero 1905–1983 Svezia
Bernard Katz 1911-2003 Regno Unito
1973 Fisiologia Karl von Frisch - Atelier Veritas, c.  1926.jpg Carlo von Frisch 1886–1982 Austria “per le loro scoperte riguardanti l’organizzazione e l’elicitazione di modelli di comportamento individuale e sociale”
Konrad Lorenz.JPG Konrad Lorenz 1903–1989 Austria
Nikolaas Tinbergen 1978.jpg Nikolaas Tinbergen 1907–1988 Olanda
1977 Fisiologia Roger Guillemin.jpg Ruggero Guillemin 1924– Francia “per le loro scoperte riguardanti la produzione di ormoni peptidici nel cervello “
Ritratto di Andrew Schally.jpg Andrea V. Schally 1926– Polonia
1981 Fisiologia Roger Wolcott Sperry.jpg Roger W. Sperry 1913–1994 stati Uniti “per le sue scoperte riguardanti la specializzazione funzionale degli emisferi cerebrali “
DHUBEL.jpg David H.Hubel 1926-2013 Canada “per le loro scoperte riguardanti l’elaborazione delle informazioni nel sistema visivo “
Torsten Wiesel-7Nov2006.jpg Torsten N. Wiesel 1924– Svezia
1986 Fisiologia Stanley Cohen-Biochemist.jpg Stanley Cohen 1922-2020 stati Uniti “per le loro scoperte di fattori di crescita “
Rita Levi Montalcini.jpg Rita Levi-Montalcini 1909–2012 Italia
1997 Fisiologia Prusiner 1.JPG Stanley B.Prusiner 1942– stati Uniti “per la sua scoperta dei prioni – un nuovo principio biologico di infezione”
1997 Chimica Skou2008crop.jpg Jens C.Skou 1918–2018 Danimarca “per la prima scoperta di un enzima trasportatore di ioni, Na + , K + -ATPase”
2000 Fisiologia Arvid Carlsson 2011a.jpg Arvid Carlsson 1923–2018 Svezia “per le loro scoperte riguardanti la trasduzione del segnale nel sistema nervoso “
Paul Greengard.jpg Paolo Greengard 1925–2019 stati Uniti
Eric Kandel di aquaris3.jpg Eric R. Kandel 1929– stati Uniti
2003 Chimica Roderick MacKinnon Roderick MacKinnon 1956– stati Uniti “per le scoperte riguardanti i canali nelle membrane cellulari […] per gli studi strutturali e meccanicistici dei canali ionici”
2004 Fisiologia Richard Axel.jpg Riccardo Axel 1946– stati Uniti “per le loro scoperte sui recettori olfattivi e sull’organizzazione del sistema olfattivo “
LindaBuck ritagliato 1.jpg Linda B. Buck 1947– stati Uniti
2012 Chimica Lefkowitz3.jpg Roberto Lefkowitz 1943– stati Uniti “per studi sui recettori accoppiati a proteine ​​G “”
Brian Kobilka (649437151).jpg Brian Kobilka 1955– stati Uniti
2014 Fisiologia John O'Keefe (neuroscienziato) 2014b.jpg John O’Keefe 1939– Stati Uniti
Regno Unito
“per le loro scoperte sul luogo e sulle celle della griglia che costituiscono un sistema di posizionamento nel cervello”
Maggio-Britt Moser 2014.jpg May-Britt Moser 1963– Norvegia
Edvard Moser.jpg Edvard I.Moser 1962– Norvegia
2017 Fisiologia Jeffrey C. Hall EM1B8737 (38162359274).jpg Jeffrey C. Hall 1939– stati Uniti “per le loro scoperte sui meccanismi molecolari che controllano il ritmo circadiano “
Michael Rosbash EM1B8756 (38847326642).jpg Michael Rosbash 1944– stati Uniti
Michael W. Young D81 4345 (38162439194).jpg Michael W. giovane 1949– stati Uniti
2021 Fisiologia Davidjuliusconserpente.jpg Davide Giulio 1955– stati Uniti “per le loro scoperte di recettori per la temperatura e il tatto”
Ardem Patapoutian allo Scripps nel 2022 03.jpg Ardem Patapoutian 1967– Libano

https://en.wikipedia.org/wiki/Neuroscience

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