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Il cervello nei primi due anni

Il cambiamento fisico più drammatico avviene durante i primi due anni di sviluppo del cervello. Nasciamo con la maggior parte delle cellule cerebrali che avremo mai, cioè circa 85 miliardi di neuroni la cui funzione è quella di immagazzinare e trasmettere informazioni (Huttenlocher & Dabholkar, 1997). Mentre la maggior parte dei neuroni del cervello sono presenti alla nascita, non sono completamente maturi.

Figura 3.4.1. La ricerca mostra che già a 4-6 mesi, i bambini utilizzano aree del cervello simili a quelle degli adulti per elaborare le informazioni. Immagine da Deen et al., 2017.

La comunicazione all’interno del sistema nervoso centrale (SNC), che consiste nel cervello e nel midollo spinale, inizia con cellule nervose chiamate neuroni. I neuroni si collegano ad altri neuroni tramite reti di fibre nervose chiamate assoni e dendriti. Ogni neurone ha tipicamente un singolo assone e numerosi dendriti che sono sparsi come i rami di un albero (alcuni diranno che sembra una mano con le dita). L’assone di ogni neurone raggiunge i dendriti di altri neuroni in intersezioni chiamate sinapsi, che sono collegamenti critici di comunicazione nel cervello. Gli assoni e i dendriti non si toccano, invece, gli impulsi elettrici negli assoni causano il rilascio di sostanze chimiche chiamate neurotrasmettitori che trasportano le informazioni dall’assone del neurone inviante ai dendriti del neurone ricevente.

Figura 3.4.2. Neurone.

Sinaptogenesi e potatura sinaptica

Mentre la maggior parte dei 100-200 miliardi di neuroni del cervello sono presenti alla nascita, non sono completamente maturi. Ogni percorso neurale forma migliaia di nuove connessioni durante l’infanzia e la prima infanzia. La sinaptogenesi, o la formazione di connessioni tra neuroni, continua dal periodo prenatale formando migliaia di nuove connessioni durante l’infanzia e la prima infanzia. Durante i prossimi anni, i dendriti, o le connessioni tra i neuroni, subiranno un periodo di esuberanza transitoria o di crescita drammatica temporanea (esuberante perché è così rapida e transitoria perché una parte di essa è temporanea). C’è una tale proliferazione di questi dendriti durante questi primi anni che all’età di 2 anni un singolo neurone potrebbe avere migliaia di dendriti.

Dopo questo drammatico aumento, i percorsi neurali che non sono utilizzati saranno eliminati attraverso un processo chiamato potatura sinaptica, dove le connessioni neurali sono ridotte, rendendo così quelle che sono utilizzate molto più forti. Si pensa che la potatura faccia funzionare il cervello in modo più efficiente, permettendo la padronanza di abilità più complesse (Hutchinson, 2011). L’esperienza modellerà quali di queste connessioni sono mantenute e quali sono perse. Alla fine, circa il 40% di queste connessioni saranno perse (Webb, Monk e Nelson, 2001). L’esuberanza transitoria si verifica durante i primi anni di vita, e la potatura continua durante l’infanzia e nell’adolescenza in varie aree del cervello. Questa attività si verifica principalmente nella corteccia o il sottile rivestimento esterno del cervello coinvolto nell’attività volontaria e nel pensiero.

Video 3.4.1. How Baby Brains Develop spiega alcuni dei cambiamenti del cervello previsti nei primi anni di vita.

Mielinizzazione

Un altro cambiamento significativo che si verifica nel sistema nervoso centrale è lo sviluppo della mielina, un rivestimento di tessuti grassi intorno all’assone del neurone (Carlson, 2014). la mielina aiuta a isolare la cellula nervosa e velocizzare la velocità di trasmissione degli impulsi da una cellula all’altra. Questo aumento favorisce la costruzione di percorsi neurali e migliora la coordinazione e il controllo dei processi di movimento e di pensiero. Durante l’infanzia, la mielinizzazione progredisce rapidamente, con un numero crescente di assoni che acquisiscono guaine di mielina. Questo corrisponde allo sviluppo delle abilità cognitive e motorie, tra cui la comprensione del linguaggio, l’acquisizione del linguaggio, l’elaborazione sensoriale, il gattonare e il camminare. La mielinizzazione nelle aree motorie del cervello durante la prima e media infanzia porta a grandi miglioramenti nelle abilità motorie fini e grossolane. La mielinizzazione continua durante l’adolescenza e l’inizio dell’età adulta e, sebbene sia in gran parte completa in questo periodo, le guaine di mielina possono essere aggiunte nelle regioni della materia grigia come la corteccia cerebrale, per tutta la vita.

Strutture del cervello

Alla nascita, il cervello è circa il 25% del suo peso da adulto, ed entro i due anni, è al 75% del suo peso da adulto. La maggior parte dell’attività neurale avviene nella corteccia o il sottile rivestimento esterno del cervello coinvolto nell’attività volontaria e nel pensiero. La corteccia è divisa in due emisferi, e ogni emisfero è diviso in quattro lobi, ognuno separato da pieghe note come fessure. Se guardiamo la corteccia partendo dalla parte anteriore del cervello e muovendoci sopra, vediamo prima il lobo frontale (dietro la fronte), che è responsabile principalmente del pensiero, della pianificazione, della memoria e del giudizio. Dopo il lobo frontale c’è il lobo parietale, che si estende dal centro alla parte posteriore del cranio e che è responsabile principalmente dell’elaborazione delle informazioni sul tatto. Poi c’è il lobo occipitale, nella parte posteriore del cranio, che elabora le informazioni visive. Infine, davanti al lobo occipitale, tra le orecchie, c’è il lobo temporale, che è responsabile dell’udito e del linguaggio.

Figura 3.4.3. Lobi del cervello.

Anche se il cervello cresce rapidamente durante l’infanzia, specifiche regioni del cervello non maturano allo stesso ritmo. Le aree motorie primarie si sviluppano prima delle aree sensoriali primarie, e la corteccia prefrontale, che si trova dietro la fronte, è la meno sviluppata. Man mano che la corteccia prefrontale matura, il bambino è sempre più in grado di regolare o controllare le emozioni, di pianificare le attività, di elaborare strategie e di avere una migliore capacità di giudizio. Questa maturazione non si compie completamente nell’infanzia e nella prima infanzia, ma continua durante l’infanzia, l’adolescenza e l’età adulta.

Lateralizzazione

La lateralizzazione è il processo in cui diverse funzioni si localizzano principalmente su un lato del cervello. Per esempio, nella maggior parte degli adulti, l’emisfero sinistro è più attivo del destro durante la produzione del linguaggio, mentre il modello inverso è osservato durante i compiti che coinvolgono le abilità visuospaziali (Springer & Deutsch, 1993). Questo processo si sviluppa nel tempo, tuttavia, asimmetrie strutturali tra gli emisferi sono state riportate anche nei feti (Chi, Dooling, & Gilles, 1997; Kasprian et al., 2011) e nei neonati (Dubois et al., 2009).

Neuroplasticità

Infine, la neuroplasticità si riferisce alla capacità del cervello di cambiare, sia fisicamente che chimicamente, per migliorare la sua adattabilità ai cambiamenti ambientali e compensare le lesioni. La neuroplasticità ci permette di imparare e ricordare cose nuove e di adattarci a nuove esperienze. Sia le esperienze ambientali, come la stimolazione, che gli eventi all’interno del corpo di una persona, come gli ormoni e i geni, influenzano la plasticità del cervello. Lo stesso vale per l’età. Il nostro cervello è il più “plastico” quando siamo bambini, perché è durante questo periodo che impariamo di più sul nostro ambiente. I cervelli adulti dimostrano la neuroplasticità, ma sono influenzati più lentamente e meno estesamente di quelli dei bambini (Kolb & Whishaw, 2011).

Video 3.4.2. Potenziamento a lungo termine e plasticità sinaptica spiega come l’apprendimento avviene attraverso le connessioni sinaptiche e la plasticità.

Il controllo di alcune specifiche funzioni corporee, come il movimento, la visione e l’udito, viene eseguito in aree specifiche della corteccia. Se queste aree vengono danneggiate, l’individuo perderà probabilmente la capacità di eseguire la funzione corrispondente. Per esempio, se un bambino subisce un danno alle aree di riconoscimento facciale nel lobo temporale, probabilmente non sarà mai in grado di riconoscere i volti (Farah, Rabinowitz, Quinn, & Liu, 2000). D’altra parte, il cervello non è diviso in modo completamente rigido. I neuroni del cervello hanno una notevole capacità di riorganizzarsi ed estendersi per svolgere particolari funzioni in risposta ai bisogni dell’organismo, e per riparare i danni. Di conseguenza, il cervello crea costantemente nuove vie di comunicazione neurale e ricabla quelle esistenti.

Maturazione del cervello durante l’infanzia

Il cervello è circa il 75% del suo peso da adulto entro i tre anni di età. All’età di 6 anni, è al 95 per cento del suo peso adulto (Lenroot & Giedd, 2006). La mielinizzazione e lo sviluppo dei dendriti continuano a verificarsi nella corteccia, e così facendo, vediamo un cambiamento corrispondente in ciò che il bambino è in grado di fare. Un maggiore sviluppo nella corteccia prefrontale, l’area del cervello dietro la fronte che ci aiuta a pensare, a fare strategie e a controllare l’attenzione e le emozioni, rende sempre più possibile inibire gli scoppi emotivi e capire come giocare.

Figura 3.4.4. Corpus Callosum.

Crescita negli emisferi e Corpus Callosum

Tra i 3 e i 6 anni, l’emisfero sinistro del cervello cresce drammaticamente. Questo lato del cervello o emisfero è tipicamente coinvolto nelle abilità linguistiche. L’emisfero destro continua a crescere durante la prima infanzia ed è coinvolto in compiti che richiedono abilità spaziali, come riconoscere forme e modelli. Il corpo calloso, una densa banda di fibre che collega i due emisferi del cervello, contiene circa 200 milioni di fibre nervose che collegano gli emisferi (Kolb & Whishaw, 2011).

Il corpo calloso si trova un paio di centimetri sotto la fessura longitudinale, che corre la lunghezza del cervello e separa i due emisferi cerebrali (Garrett, 2015). Poiché i due emisferi svolgono funzioni diverse, comunicano tra loro e integrano le loro attività attraverso il corpo calloso. Inoltre, poiché le informazioni in entrata sono dirette verso un emisfero, come le informazioni visive dall’occhio sinistro che sono dirette all’emisfero destro, il corpo calloso condivide queste informazioni con l’altro emisfero.

Il corpo calloso subisce uno scatto di crescita tra i 3 e i 6 anni, e questo comporta una migliore coordinazione tra i compiti dell’emisfero destro e sinistro. Per esempio, rispetto ad altri individui, i bambini più giovani di 6 anni dimostrano difficoltà a coordinare un giocattolo Etch A Sketch perché il loro corpo calloso non è abbastanza sviluppato per integrare i movimenti di entrambe le mani (Kalat, 2016).

Sviluppo cerebrale adolescenziale

Il cervello umano non è completamente sviluppato quando una persona raggiunge la pubertà. Tra i 10 e i 25 anni, il cervello subisce dei cambiamenti che hanno importanti implicazioni per il comportamento. Il cervello raggiunge il 90% delle sue dimensioni da adulto quando una persona ha sei o sette anni. Quindi, il cervello non cresce molto durante l’adolescenza. Tuttavia, le pieghe del cervello continuano a diventare più complesse fino alla tarda adolescenza. I cambiamenti più significativi nelle pieghe del cervello durante questo periodo si verificano nelle parti della corteccia che elaborano le informazioni cognitive ed emotive. I cambiamenti nel cervello influenzano direttamente i cambiamenti nel comportamento e nel processo mentale. Discuteremo alcuni di questi aspetti.

Figura 3.4.5. Il cervello raggiunge le sue maggiori dimensioni nei primi anni dell’adolescenza, ma continua a maturare fino ai 20 anni.

Cambiamenti del cervello

Fino alla pubertà, le cellule del cervello continuano a fiorire nella regione frontale. Alcuni dei cambiamenti più significativi per lo sviluppo del cervello si verificano nella corteccia prefrontale, che è coinvolta nel processo decisionale e nel controllo cognitivo, così come in altre funzioni cognitive superiori. Durante l’adolescenza, la mielinizzazione e la potatura sinaptica nella corteccia prefrontale aumentano, migliorando l’efficienza dell’elaborazione delle informazioni, e le connessioni neurali tra la corteccia prefrontale e altre regioni del cervello si rafforzano. Tuttavia, questa crescita richiede tempo, e la crescita non è uniforme.

Il sistema limbico

Il sistema limbico si sviluppa anni prima della corteccia prefrontale. Lo sviluppo del sistema limbico gioca un ruolo essenziale nel determinare ricompense e punizioni e nell’elaborazione dell’esperienza emotiva e delle informazioni sociali. Gli ormoni puberali si rivolgono direttamente all’amigdala, e le sensazioni potenti diventano irresistibili (Romeo, 2013). Le scansioni cerebrali confermano che il controllo cognitivo, rivelato da studi fMRI, non è pienamente sviluppato fino all’età adulta perché la corteccia prefrontale è limitata nelle connessioni e nell’impegno (Hartley & Somerville, 2015). Ricordiamo che quest’area è responsabile del giudizio, del controllo degli impulsi e della pianificazione, e sta ancora maturando nella prima età adulta (Casey, Tottenham, Liston, & Durston, 2005).

Figura 3.4.6. Il sistema limbico.

Inoltre, i cambiamenti nei livelli dei neurotrasmettitori dopamina e serotonina nel sistema limbico rendono gli adolescenti più emotivi e più reattivi alle ricompense e allo stress. La dopamina è un neurotrasmettitore del cervello associato al piacere e alla sintonizzazione con l’ambiente durante il processo decisionale. Durante l’adolescenza, i livelli di dopamina nel sistema limbico aumentano, e l’input di dopamina alla corteccia prefrontale aumenta. L’aumento dell’attività della dopamina nell’adolescenza può avere implicazioni per l’assunzione di rischi da parte degli adolescenti e la vulnerabilità alla noia. La serotonina è coinvolta nella regolazione dell’umore e del comportamento. Colpisce il cervello in modo diverso. Conosciuta come la “sostanza chimica calmante”, la serotonina allevia la tensione e lo stress. La serotonina mette anche un freno all’eccitazione e talvolta all’incoscienza che la dopamina può produrre. Se c’è un difetto nell’elaborazione della serotonina nel cervello, può risultare un comportamento impulsivo o violento.

La corteccia prefrontale

La corteccia prefrontale, la parte dei lobi frontali che si trova proprio dietro la fronte, è spesso chiamata il “CEO del cervello”, il centro di controllo cognitivo. Questa regione del cervello è responsabile dell’analisi cognitiva, del pensiero astratto, della moderazione del comportamento “corretto” in situazioni sociali, della capacità di esercitare un buon giudizio, dell’autoregolazione e dell’orientamento futuro. La corteccia prefrontale riceve informazioni da tutti i sensi e orchestra pensieri e azioni per raggiungere obiettivi specifici (Casey, Jones, & Hare, 2008; Walsh, 2004). Intorno agli 11 anni di età, questa regione del cervello inizia un esteso processo di potatura e mielinizzazione e non è completa fino a quasi i 25 anni. Questa regione del cervello è una delle ultime a raggiungere la maturità. Questo ritardo può aiutare a spiegare perché alcuni adolescenti si comportano in questo modo. Le cosiddette “funzioni esecutive” della corteccia prefrontale umana includono:

• Focalizzare l’attenzione
• Organizzare i pensieri e la risoluzione dei problemi
• Prevedere e soppesare le possibili conseguenze del comportamento
• Considerare il futuro e fare previsioni
• Formare strategie e pianificazione
• Capacità di bilanciare ricompense a brevea breve termine con obiettivi a lungo termine
• Mutare/adeguare il comportamento quando le situazioni cambiano
• Controllo degli impulsi e ritardare la gratificazione
• Modulazione di emozioni intense
• Inibire comportamento inappropriato e avviare un comportamento appropriato
• Considerare simultaneamente più flussi di informazioni di fronte a informazioni complesse e stimolanti

Figura 3.4.7. Lo sviluppo del cervello continua fino ai primi 20 anni. Lo sviluppo del lobo frontale, in particolare, è importante durante questa fase.

La differenza nei tempi dello sviluppo del sistema limbico e della corteccia prefrontale contribuisce a una maggiore assunzione di rischi durante l’adolescenza. Poiché gli adolescenti sono motivati a cercare emozioni che a volte provengono da comportamenti rischiosi, è più probabile che si impegnino nella guida spericolata, nel fumo o nel bere, e non hanno ancora sviluppato il controllo cognitivo per resistere agli impulsi o concentrarsi ugualmente sui potenziali rischi (Steinberg, 2008). Uno dei maggiori esperti mondiali sullo sviluppo degli adolescenti, Laurence Steinberg, paragona questo fatto all’accensione di un motore potente prima che il sistema frenante sia in funzione. Il risultato è che gli adolescenti sono più inclini a comportamenti rischiosi rispetto ai bambini o agli adulti.

Integrazione delle regioni del cervello

Gli studi di risonanza magnetica del cervello mostrano che i processi di sviluppo tendono a verificarsi nel cervello in un modello back-to-front, spiegando perché la corteccia prefrontale si sviluppa per ultima. Questi studi hanno anche scoperto che gli adolescenti hanno meno materia bianca (mielina) nei lobi frontali del loro cervello rispetto agli adulti, ma questa quantità aumenta con l’età. Con più mielina arriva la crescita di importanti connessioni cerebrali, permettendo un migliore flusso di informazioni tra le regioni del cervello. La ricerca MRI ha anche rivelato che durante l’adolescenza, la materia bianca aumenta nel corpo calloso, il fascio di fibre nervose che collega gli emisferi destro e sinistro del cervello. Questo sviluppo permette di migliorare la comunicazione tra gli emisferi, il che permette di utilizzare una serie completa di strategie analitiche e creative per rispondere ai complessi dilemmi che possono sorgere nella vita di un giovane (Giedd, 2004).

In sintesi, gli anni dell’adolescenza sono un periodo di profondi cambiamenti nel cervello. È interessante notare che due delle funzioni cerebrali primarie si sviluppano a ritmi diversi. La ricerca sul cervello indica che la parte del cervello che percepisce le ricompense dal rischio, il sistema limbico, si mette in moto all’inizio dell’adolescenza. La parte del cervello che controlla gli impulsi e si impegna in una prospettiva a lungo termine, i lobi frontali, matura più tardi. Questo ritardo può spiegare perché gli adolescenti di metà adolescenza prendono più rischi degli adolescenti più grandi.

Quando i lobi frontali diventano più sviluppati, accadono due cose. In primo luogo, l’autocontrollo si sviluppa in quanto gli adolescenti sono meglio in grado di valutare causa ed effetto. In secondo luogo, più aree del cervello vengono coinvolte nell’elaborazione delle emozioni, e gli adolescenti diventano più bravi a interpretare accuratamente le emozioni degli altri.

Video 3.4.4. Brain Changes in Adolescence descrive alcuni dei cambiamenti fisici che avvengono durante l’adolescenza.

Neuroscienze educative

Le neuroscienze educative (o neuroeducazione) sono un campo scientifico emergente che riunisce ricercatori in neuroscienze, psicologia, educazione e anche tecnologia, per esplorare le interazioni tra processi biologici e istruzione. I ricercatori in neuroscienze educative studiano i meccanismi neurali per processi come l’apprendimento, la memoria, l’attenzione, l’intelligenza e la motivazione. La loro ricerca si occupa anche delle difficoltà, tra cui la dislessia, la discalculia e l’ADHD, in relazione all’educazione. I ricercatori in quest’area possono collegare le scoperte di base delle neuroscienze cognitive con la tecnologia educativa per aiutare nell’implementazione del curriculum per specifiche aree accademiche, come la matematica e l’educazione alla lettura. Le neuroscienze educative mirano a generare una ricerca di base e applicata che fornirà un nuovo resoconto transdisciplinare dell’apprendimento e dell’insegnamento, in grado di informare l’educazione.

Video 3.4.5. Introduction to Educational Neuroscience discute come le neuroscienze possono informare l’educazione e sfata diversi miti comuni sul funzionamento del cervello detenuti da insegnanti e studenti.