Viaggio alla scoperta dei lobi frontali

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I lobi frontali, oltre a essere la parte del cervello piú estesa negli esseri umani, sono anche quella ontogeneticamente e filogeneticamente piú giovane. Molte delle aree cerebrali piú posteriori o subcorticali hanno dei ruoli specifici. Ad esempio, il lobo occipitale é dedicato quasi interamente alla visione, quello temporale alla memoria e alla percezione uditiva e così via. Una volta i lobi frontali, e la parte prefrontale in particolare, erano denominati dai neurologi la regione “silente” del cervello, perché un danno in queste aree non creava deficit immediatamente rilevabili dal punto di vista clinico, in contrasto con quello che succede invece in altre aree (ad es. una lesione a livello occipitale causa spesso cecitá). Tuttavia, osservazioni piú attente delle sindromi da deficit frontale hanno portato a comprendere che i lobi frontali possiedono funzioni di supervisione e controllo – le cosiddette funzioni esecutive.

É solo negli ultimi 50 anni che questa regione del cervello é stata ampiamente studiata. Una capacitá tipica frontale é per esempio quella di inibire comportamenti abitudinari ed automatizzati quando un nuovo compito deve essere appreso e messo in atto. Il comportamento di pazienti con lesioni frontali viene dunque spesso guidato dagli stimoli esterni invece che da regole endogene. Famoso é il caso dei pazienti frontali di Lhermitte (1983), i quali non riuscivano a frenare l’istinto di utilizzare gli oggetti dell’ambiente, anche quando questo era inappropriato. Alla vista di un bicchiere pieno d’acqua sulla scrivania del loro medico, essi afferravano il bicchiere e cominciavano a bere, anche dopo che gli era stato esplicitamente chiesto di non farlo.

Mentre tuttavia inizialmente si pensava alle strutture frontali come un blocco monolitico, recenti studi hanno mostrato come sia possibile frazionare funzionalmente le loro sub-aree, grazie anche all’avvento di tecniche di neuroimmagine con una risoluzione spaziale molto piú precisa quali la risonanza magnetica. Un modo per studiare la capacitá di attivare schemi nuovi ed inibire quelli acquisiti ma inappropriati in laboratorio é il cosiddetto paradigma Stroop, dal nome di chi lo ha introdotto nel 1935. In tale compito, si chiede a degli individui di nominare il colore in cui é scritta una parola, la quale a sua volta indica un colore (ad esempio ROSSO scritto in blu). Poiché la lettura é una operazione che facciamo automaticamente quando vediamo una parola, bisogna inibirla per poter attivare l’operazione di denominazione di colore, piú debole ma rilevante per il compito. Questo non é un problema quando la parola e il colore coincidono, ma lo diventa qualora invece siano incongruenti: anche individui sani commettono solitamente piú errori e sono piú lenti nella risposta a causa dell’interferenza causata dall’informazione irrilevante ma robusta proveniente dalla lettura involontaria della parola. In un esperimento con risonanza magnetica funzionale (Floden, Vallesi & Stuss, 2011), abbiamo sottoposto dei volontari a 3 compiti: il compito Stroop e due compiti di baseline, uno di lettura di parole scritte in nero e l’altro di denominazione di un colore di una stringa senza significato (XXXX). I volontari potevano prepararsi al compito da svolgere grazie ad un’istruzione che appariva due secondi prima, oppure dovevano capire che compito svolgere solo alla comparsa della stringa. La corteccia dorsolaterale prefrontale di sinistra si attivava soprattutto in quest’ultimo caso, nelle condizioni incongruenti, quando era necessario sopprimere la lettura della parola e attivare la denominazione del colore senza possibilitá di preparazione anticipata. Inoltre, i partecipanti piú bravi in tale compito erano quelli che attivavano maggiormente la corteccia prefrontale di sinistra. Abbiamo quindi pensato che questa regione fosse importante per stabilire associazioni tra stimoli e risposte non routinarie.

In un altro studio di tipo elettroencefalografico, chiedavamo ad altri individui di imparare ad associare coppie di parole da ricordare successivamente (Kim, Vallesi et al., 2001). Andando a comparare i dati della fase di apprendimento a seconda che le coppie di parole erano poi state ricordate o meno, si sono trovate attivazioni in regioni prefrontali di sinistra simili a quelle del compito precedente per le coppie ricordate rispetto a quelle poi dimenticate, dimostrando che anche la capacitá di stabilire nuove relazioni tra due stimoli é lateralizzata a sinistra nei lobi frontali. Infine, in un’altro studio (Vallesi, McIntosh, Alexander, Stuss, 2009), i soggetti dovevano rispondere a certe lettere colorate (O blu, o X rossa) e non rispondere ad altre lettere (O rossa, X blu). In tal caso, una regione prefrontale sinistra era tra le regioni massimamente attivate quando bisognava sopprimere la risposta agli stimoli distrattori, soprattutto nelle fasi precoci di apprendimento del compito. Quindi tale regione é anche implicata nell’apprendimento di assicazioni tra stimoli e non-risposte. Si é quindi concluso che la corteccia prefrontale sinistra abbia un ruolo critico nell’apprendimento di nuove regole, associazioni e strategie, una funzione chiamata  con l’espressione inglese “criterion-setting”.

Se é ovviamente importante stabilire nuove regole per adattarci a situazioni nuove, é altrettanto critica la capacitá di controllare continuamente che poi tali regole vengano applicate in modo appropriato per ottimizzare il comportamento in base alle richieste ambientali. Tale capacitá, detta monitoring, sembra essere maggiormente svolta da regioni prefrontali di destra. Vari studi hanno mostrato che la corteccia dorsolaterale prefrontale destra é importante ad esempio per prepararsi ad un evento atteso nel tempo, monitorando continuamente la probabilitá che questo accada (Vallesi, McIntosh, Shallice & Stuss, 2009; Coull, Frith, Buchel, & Nobre, 2000), come quando aspettiamo che il semaforo da rosso diventi verde, o seguiamo la traiettoria regolare di un oggetto nello spazio in attesa di un evento critico (Vallesi & Crescentini, 2011). Infine, si é trovato che quando occorre recuperare informazioni dalla memoria, soprattutto quando il ricordo non é vivido e si basa su un fievole senso di familiaritá, la corteccia dorsolaterale di destra gioca un ruolo chiave nel monitorare la veridicitá dell’informazione recuperata (Henson, Rugg, Shallice, & Dolan, 2000) ed evitare confabulazioni. Coltheart (2010) ha suggerito che un deficit in questa funzione di monitoraggio e controllo della corteccia prefrontale destra possa essere uno degli elementi responsabili dei deliri tipici di molte sindromi  psichiatriche.

Oltre a quello sinistra-destra, altri gradienti di organizzazione nei lobi prefrontali lungo altri assi vanno via via emergendo. Ad esempio, vari lavori (Badre & D’Esposito 2009; Koechlin & Summerfield, 2007) mostrano come il livello di rappresentazione cambi da semplici associazioni stimolo-risposta nelle aree motorie a rappresentazioni in memoria episodica di procedure sempre piú complesse man mano che ci si sposta rostralmente verso il polo frontale. Lungo la parete mediale dei lobi frontali (cingolato anteriore), la capacitá di gestire informazioni cognitive soprattutto se conflittuali e bisognose di risorse sembra richiedere maggiormente aree superiori mentre quella di gestire emozioni richieda il coinvolgimento di regioni inferiori, benché ovviamente le due regioni interaggiscano tra di loro. Altro aspetto importante é il fatto che i lobi frontali non lavorano isolatamente dal resto del cervello ma sono funzionalmente connessi ad altre regioni come la corteccia parietale e i gangli basali che li coadiuvano nell’esercizio delle loro funzioni di controllo. Infine non va dimenticato che i modelli di frazionamento funzionale dei lobi frontali sono statistici e non del tipo tutto-o-nulla, data la straordinaria flessibilitá e capacitá di adattamento dei neuroni che ne compongono la corteccia (Duncan, 2000).

Un quesito importante é cosa succede a questa zona molto vulnerabile del cervello con l’avanzare dell’etá. Varie ricerche hanno mostrato infatti che le regioni frontali perdono funzionalitá ed efficienza, probabilmente perché diminuisce la quantitá di sostanza grigia (atrofia)  e la connettivitá della sostanza bianca tra i lobi frontali e il resto del cervello (West, 1996; Madden et al., 2009). Di fronte a compiti complessi, soprattutto nella fase iniziale di acquisizione, gli anziani spesso reclutano molto piú estesamente le stesse aree usate dai giovani, o in altri casi attivano altre aree complementari. Anche se la letteratura su questo punto é ancora controversa, molti di tali studi mostrano che il reclutamento addizionale é spesso compensatorio rispetto al deficit sottostante, perché é presente maggiormente in quegli anziani con prestazioni migliori (ad es. Vallesi et al., 2011). Tale capacitá di reclutare risorse addizionali viene denominate “riserva neurale”. Ancora piú interessante é il concetto complementare di “riserva cognitiva” proposto da Stern (2002) ed altri. La riserva cognitiva rappresenta quel bagaglio di conoscenze e strategie accumulate nel corso della vita che consentono di poter contrastare efficacemente i danni neurali legati all’etá. Fattori come una migliore qualitá di vita, un piú alto livello di istruzione, una migliore rete sociale, una pratica costante di sport benefici per il benessere dell’organismo, sembrano influenzare positivamente la riserva cognitiva. Dunque, a paritá di danno cerebrale dovuto all’invecchiamento, l’individuo anziano con maggiore riserva cognitiva avrá molti meno problemi nel gestire situazioni mentalmente difficili rispetto a un individuo della stessa etá ma con minore riserva cognitiva.

Un obiettivo importante per il futuro sará quello di integrare questi vari filoni di ricerca tra di loro, col fine di capire quali tra le varie funzioni esecutive si deteriorano maggiormente con l’avanzare dell’etá, e quali fattori legati all’esperienza possano fornire maggiori risorse cognitive per contrastare gli effetti deleteri della senescenza.

1. Badre, D. & D'Esposito, M. (2009). Is the rostro-caudal axis of the frontal lobe hierarchical? Nat.Rev.Neurosci., 10, 659-669.
2. Coltheart, M. (2010). The neuropsychology of delusions. Ann.N.Y.Acad.Sci., 1191, 16-26.
3. Coull, J.T., Frith, C.D., Buchel, C., & Nobre, A.C. (2000). Orienting attention in time: behavioural and neuroanatomical distinction between exogenous and endogenous shifts. Neuropsychologia, 38, 808-819.
4. Duncan, J., Seitz, R. J., Kolodny, J., Bor, D., Herzog, H., Ahmed, A., et al. (2000). A neural basis for general intelligence. Science, 289 (5478), 457−460.
5. Floden, D., Vallesi, A., & Stuss, D. T. (2011). Task Context and Frontal Lobe Activation in the Stroop 6. Task. Journal of Cognitive Neuroscience, 23, 867-879.
7. Henson, R. N., Rugg, M. D., Shallice, T., & Dolan, R. J. (2000). Confidence in recognition memory for words: dissociating right prefrontal roles in episodic retrieval. J Cogn Neurosci., 12, 913-923.
8. Kim, A. S., Vallesi, A., Picton, T. W., & Tulving, E. (2009). Cognitive association formation in episodic memory: evidence from event-related potentials. Neuropsychologia, 47, 3162-3173.
9. Koechlin, E. & Summerfield, C. (2007). An information theoretical approach to prefrontal executive function. Trends Cogn Sci., 11, 229-235.
10. Lhermitte, F. (1983). Utilization behavior and its relation to lesions of the frontal lobes. Brain 106: 237–255.

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