Il cervello umano rappresenta uno degli organi più complessi e affascinanti del corpo, la cui formazione durante le fasi embrionali e fetali è un processo incredibilmente orchestrato e finemente regolato. Per comprendere lo sviluppo del cervello nell’infanzia e le basi della sua maturazione, è necessario partire dall’unità fondamentale: il neurone. Il primo è la parte centrale del neurone, sede del nucleo e di altri organelli deputati alle principali funzioni cellulari; i dendriti sono invece delle ramificazioni che svolgono una funzione di input, consentendo la ricezione dei segnali elettrici nervosi da parte di altri neuroni afferenti. Gli assoni, infine, sono dei lunghi filamenti che propagano l’informazione nervosa lontano dal corpo della cellula e all’estremità distale presentano il cosiddetto bottone sinaptico, incaricato del rilascio di importanti sostanze chimiche dette neurotrasmettitori all’interno delle vescicole sinaptiche. In altre parole, è come se i messaggi nel cervello venissero “imbarcati” attraverso le sinapsi per mezzo dei neurotrasmettitori, i quali espletano la loro funzione di trasmissione di un segnale eccitatorio o inibitorio su un altro neurone o organo effettore.
Studiare lo sviluppo del cervello nell’infanzia, tuttavia, non è così facile e scontato come si potrebbe pensare. Spesso, purtroppo, alcune nuove tecnologie di brain-imaging non possono essere utilizzate con i bambini, dal momento che esse non riescono a mettere in luce nemmeno piccoli dettagli nel cervello di un adulto. Le scansioni effettuate per mezzo della tomografia ad emissione di positroni (PET), invece, espongono i bambini al rischio di radiazioni, poiché si servono di tracce radioattive per catturare un’immagine cerebrale e analizzare il flusso sanguigno o l’attività metabolica di alcuni organi del corpo.
Le basi dell’embriogenesi umana
Come eravamo dentro la pancia della nostra mamma? Come si sviluppa il feto? Come avviene lo sviluppo degli organi? Queste sono alcune domande a cui vuole rispondere l’embriologia ossia quella scienza che studia i processi con i quali gli organismi viventi nascono, crescono e si sviluppano. Nel caso della specie umana tutto parte dalla fecondazione, quel processo in cui la cellula uovo della donna riceve al suo interno uno spermatozoo dell’uomo. La fusione di questi due gameti genera una cellula chiamata zigote. Dalla nascita dello zigote fino al parto ci saranno innumerevoli cambiamenti per arrivare a svilupparci completamente:
- Primo processo: la fecondazione della cellula uovo insieme ad uno spermatozoo formano lo zigote.
- Secondo processo: dopo circa 24 ore dalla fecondazione, lo zigote inizia a dividersi ripetutamente grazie ad un processo chiamato mitosi e dà, così, origine a cellule sempre più piccole chiamate blastomeri.
- Terzo processo: dopo tre giorni dalla fecondazione si forma la morula che è costituita da 8-16 blastomeri.
- Quarto processo: dalla morula si passa poi alla blastula che è costituita da numerosi blastomeri. Il processo di differenziazione delle cellule avviene proprio in questo momento quando, all’interno della blastula, le cellule si riuniscono a seconda del loro scopo finale formando dei veri e propri ammassi di cellule che definiscono tre foglietti embrionali sovrapposti (dall’esterno all’interno: ectoderma, mesoderma, endoderma). Questo processo si chiama gastrulazione.
- Quinto processo: grazie alla nascita dei tre foglietti embrionali, si iniziano a formare gli organi e i tessuti che arriveranno a completamento, in genere, poco prima che il bambino nasca.
Il periodo embrionale (3-8 settimane) è quello in cui la differenziazione cellulare dà origine a varie parti del corpo e a vari tessuti come testa, cervello, midollo spinale, occhi, orecchie, naso, sistema nervoso, reni e polmoni. Alla fine dell'ottava settimana, l'embrione arriva a misurare circa 2,5cm. Successivamente, nel periodo fetale (9 settimane - nascita), si conclude lo sviluppo fisico. A partire dal terzo mese, gli organi si sono formati e iniziano a funzionare tranne i polmoni, che durante la gestazione sono pieni di liquido amniotico.
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Lo sviluppo del sistema nervoso centrale
Nell’uomo, il sistema nervoso inizia il suo sviluppo intorno alla 3a settimana dal concepimento, quando l’ectoderma della placca neurale comincia a differenziarsi in tessuto nervoso. L’origine del cervello inizia con la formazione del tubo neurale, un processo che si verifica circa nella quarta settimana di sviluppo embrionale. Nei primi mesi, si verifica la proliferazione massiva di queste cellule progenitrici, seguita dalla loro migrazione verso le aree specifiche del cervello in via di sviluppo. A partire dal secondo trimestre, i neuroni migrano verso le loro destinazioni definitive, formando le prime strutture funzionali. Durante questa fase, avviene anche la formazione delle sinapsi e delle reti neurali, che consentiranno al cervello di acquisire le sue capacità cognitive, sensoriali e motorie.
Il periodo critico per lo sviluppo del cervello si colloca tra la 12ª e la 16ª settimana di gravidanza, in cui ha inizio una grande proliferazione e migrazione dei neuroni, che dà origine alle diverse aree del cervello. È importante notare che, in generale, meno differenziato è il tessuto nervoso, minore quantità di ossigeno viene consumata e, conseguentemente, il cervello è meno vulnerabile all’ipossia.
Mielinizzazione e potatura sinaptica
Si parla di mielinizzazione per riferirsi al processo di rivestimento degli assoni con la guaina mielinica, che permette alle informazioni e agli impulsi nervosi di essere veicolate più velocemente ed efficacemente. Si tratta di un processo che inizia nel periodo prenatale e prosegue anche dopo la nascita: per esempio, i fasci nervosi delle vie visive si ricoprono di mielina nei primi 6 mesi di vita e quelli delle vie uditive tra i 4 e i 5 anni. La mielinizzazione delle fibre si realizza con ritmo lento a partire dalla 12a settimana di gestazione.
Parallelamente, esiste un secondo importante momento di sinaptogenesi che avviene durante i primi anni di vita del bambino, quando si verifica un incremento delle ramificazioni dendritiche e delle sinapsi: i collegamenti tra neuroni si infittiscono, ciascuno formando decine di sinapsi con altri neuroni e dando vita a nuove vie per gli impulsi nervosi. Successivamente - al fine di migliorare l’efficienza della conduttività neurale - avviene poi anche un secondo momento di sfoltimento selettivo chiamato potatura sinaptica (o pruning sinaptico), quel fenomeno per cui le connessioni generate e usate vengono mantenute e rinforzate, mentre quelle non usate vengono sostituite o addirittura eliminate. Il risultato della combinazione del processo di sfoltimento cerebrale selettivo con quello della mielinizzazione è che alla fine dell’adolescenza gli individui hanno minori connessioni neurali rispetto all’infanzia, ma esse sono più ordinate, selettive, efficaci e veloci.
Fattori di influenza nello sviluppo fetale
Molte evidenze e ricerche, anche recenti, hanno dimostrato come le prime 9 settimane di gravidanza rappresentino una fase delicatissima dello sviluppo embrionale. L’ambiente uterino diventa responsabile del corretto differenziamento e sviluppo dei tessuti e degli organi. Una corretta nutrizione materna è una delle leve più potenti per sostenere lo sviluppo cerebrale fetale. Alcuni nutrienti hanno un ruolo diretto nella neurogenesi e nella formazione delle membrane neuronali:
- Acido folico: essenziale nelle prime fasi di sviluppo del sistema nervoso perché contribuisce alla crescita dei tessuti materni e riduce il rischio di difetti del tubo neurale.
- DHA: è l’acido grasso più abbondante nel cervello e nella retina, partecipa alla formazione delle membrane neuronali e contribuisce al normale sviluppo cerebrale e visivo del feto.
- Omega 3: supportano la plasticità neuronale e la comunicazione tra cellule nervose.
Oltre ai nutrienti, esistono altri fattori nutrizionali meno discussi ma altrettanto importanti, come la colina, coinvolta nella sintesi dei fosfolipidi di membrana e del neurotrasmettitore acetilcolina, e le proteine di alta qualità che forniscono gli aminoacidi necessari alla costruzione dei tessuti fetali. Anche l’equilibrio del microbiota materno influenza infiammazione, metabolismo e segnali immunitari che raggiungono il feto.
La prospettiva della ricerca neuroscientifica
Quello che accade durante il primissimo periodo di formazione della corteccia cerebrale nel feto può offrire risposte sull’insorgenza di malattie nell’età adulta. I neuroni, che costituiscono gli elementi di base della corteccia cerebrale di un individuo adulto, sono quasi esclusivamente generati durante la vita fetale. Esiste un legame tra tutto quello che può succedere durante le prime fasi dello sviluppo della corteccia cerebrale e la possibile insorgenza di malattie neurologiche non soltanto caratteristiche dell’infanzia ma anche dell’età adulta.
La cosiddetta connettomica è uno dei campi di futura esplorazione: si cerca di capire come i neuroni si definiscano e come stabiliscano connessioni tra di loro. Uno sbilanciamento in questi circuiti rappresenta il substrato cellulare di alcune malattie come epilessia, schizofrenia e autismo. Gli studi attuali mirano a identificare biomarcatori che guidino nella prevenzione e nell’implementazione di strategie terapeutiche precoci di numerose malattie dell’infanzia e non solo, lavorando in ambiti di ricerca di base e applicata nel campo delle neuroscienze. L'obiettivo finale resta quello di comprendere come l'interazione tra fattori genetici, nutrizionali e ambientali modelli l'architettura finale del cervello umano, garantendo il corretto funzionamento di ogni singola sinapsi nel corso dell'intera vita dell'individuo.
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