Structura creierului

Creierul este un organ cu totul exceptional. In plus de a controla functiunile autonome ale corpului (ritmul cardiac, respiratia si digestia), creierul interpreteaza semnalele exterioare captate de simturi, este centrul emotiilor si al sentimentelor, si controleaza deasemeni activitati cerebrale mai « inalte » ca gandirea, ratiunea, imaginatia etc.).  Descrierea capacitatilor acestui organ este un subiect vast din care nu voi alege decat trei aspecte: anatomia creierului, functionarea celulelor nervoase si diferentele intre creierul animalelor si cel al oamenilor.

 Elemente de anatomie (Figura 1)

Intregul sistem central nervos este continut in craniu si in coloana vertebrala. In craniu  se gaseste encefalul, in coloana ver-tebrala, maduva spinarii. Ence-falul, popular numit creier, este compus din doua emisfere cere-brale - separate in partea supe-riora printr-o fisura adanca dar unite, in partea inferiora, in corpul calos -, din cerebel si din trunchiul cerebral care reuneste « creierul » cu maduva spinarii. Sub trunchiul cerebral se gasesc talamusul - prin care trec marile cai senzoriale - si hipotalamusul care este centrul principalelor pulsiuni (foamea, setea si dorinta sexuala).

In medie, encefalul cantareste 1330 g si ocupa un volum de cca 1600 cm3. Cortexul cerebral masoara cca 3 mm de grosime si cca 2000 cm2 de suprafata cand este intins pe un plan. Ca aspect, cortextul este compus din patru loburi principale: lobul frontal (catre fata), lobul occipital (catre spate), lobul temporal (catre tample) si lobul parietal (partea superiora). Fiecare lob se imparte in zone numite circumvolutiuni. Ca exemplu, lobul parietal contine trei mari circumvolutiuni.

1

Mesajele primite din exterior si transmise de simturile noastre ajung in zone precise ale creierului. Astfel, imaginile, sunetele si senzatiile tactile ajung, respectiv, in lobul occi-pital, in partea superioara a lobului temporal si in partea anterioara a lobului parietal. Deasemeni, actiunile asupra lumii exterioare se exercita prin muschi care sunt coman-dati dintr-o zona precisa din partea posterioara a lobului frontal. Asa cum am indicat mai sus, zonele creierului direct implicate in perceptia simturilor si zona motrice sunt numite «zone primare». Alaturi de zonele primare se gasesec «zonele secundare» in care are loc «decodajul» informatilor primite in zonele primare. Restul creierului este compus din «zone asociative». Cortexul asociativ este organizatorul mintii.

Elementul constitutiv al creierului este celula nervoasa sau neuronul (Figura 2).

Creierul contine un numar impre-sionant de neuroni, cca 100 de miliarde. Ca toate celelalte celule (vezi articolul «Structura celulei vii», in Tribuna Noastra, no 53), neuronul are componentele obisnuite ale unei celule dar membrana lui are o configuratie particulara, foarte complicata : din corpul celular pleaca nenumarate ramificatii arborescente numite dendrite precum si un ele-ment extrem de lung, numit axon.

Ca dimensiuni, corpul celular are un diametru de cca 10-50 miimi de milimetru, lungimea unei dendrite este de cca 1 mm, pe cand un axon poate atinge 1000 mm. Diametrul unui axon este practic constant pana la extremitate unde axonul se

2

imparte intr-un mare numar de  ramificatii care se fixeaza pe dendritele altor celule nervoase sau pe celule musculare.

Zona de contact intre un axon si o dendrita se numeste sinapsa si masoara numai 2 milionimi de cm de latime. In medie, un neuron are 10 000 de sinapse ceea ce inseamna ca in creier pot exista cca 1000 de trilioane (1015) de zone de contact intre neuroni, o cifra fabuloasa (desi omul pierde cu timpul o buna parte din sinapse, vom vedea de ce,  ii raman totusi in viata adulta intre 100 si 500 de trilioane de sinapse). Prin aceste sinapse se transmit semnalele electrice care constitue activitatea fizica (si psihica) a creierului.

Fiecare neuron poate fi considerat ca o unitate de tratare de informatii, ca o mica cen-trala telefonica si ca un mic microprocesor, iar axonul ca un fel de cablu telefonic.  Sinapsele pot fi comparate cu mici telefoane individuale prin care se transmit infor-matile. Aceste Informatii provin de la dendrite. In functie de aceste informatii, celula trimite – sau nu – «decizia» ei (sub forma de impuls electric asa cum vom vedea mai jos) la neuronii de care este legata prin axonul ei.

Un mare numar de axioni sunt inconjurati de o teaca  formata din «mansoane» de 1 mm de lungime fiecare, si compusa dintr-o substanta alba numita mielina care da creierului unul din aspectele sale caracteristice (celalalt este dat de corpul celular, cenusiu). Aceasta structura particulara mareste cu mult conductanta fluxului nervos.

In ceeace priveste nervii, acestia sunt fibre compuse din celule nervoase. Exista doua feluri de fibre: motrice si senzitive. Primele sunt compuse din celule nervoase situate in maduva spinarii si a caror axioane ajung in muschi. Se numesc moto-neuroni.  Celelalte, sunt compuse tot din neuroni dar acestia au o forma particulara, in forma de T: din corpul celular pleaca un sigur « brat » care se desface foarte repede in doua prelungiri, axonul ducand la maduva spinarii si o dendrita ducand la periferie (piele, retina, etc.). Astfel, informatiile exterioare ajung de la periferie la creier, via maduva osoasa, pe cand ordinele trimise muschilor parcurg drumul invers.

Functionarea celulelor nervoase

Celule nervoase, asemanatoare la toate fiintele, functioneaza, toate, dupa acelasi principiu, simplu de rezumat dar extrem de complicat de explicat in detaliu: cand o celula este “excitata”, ea produce un impuls electric (Figura 3) care se propaga de-a lungul ei, apoi, de la o celula la alta.

3

In  repaus, exista o diferenta de potential electric de -70 milivolti (-70 mV) intre interiorul si exteriorul celulei (prin definitie, diferenta de potential este luata intre interior si membrana exteriora). Aceasta, de o grosime de cca o miime de milimetru, este patrunsa de un mare numar de «canale» sau «vane» dealungul corpului celular, axonului si dendritelor. Exista doua tipuri de canale: canale pasive, in permanent deschise, si canale active sau electroreceptoare, care se deschid numai cand trece un impuls electric. Vanele pasive nu lasa sa treaca catre membrana decat atomi ionizati pozitiv de potasium (K+) care se gasesc in concentratie mai mare in interiorul neuronului decat in exteriorul lui.

Vanele active sunt de de doua feluri: cele care lasa sa treaca numai ioni pozitivi de potasium (K+) - din interior catre exterior - sau numai ioni pozitivi de sodium (Na+), din exterior catre interior. Cand celula este excitata, se deschid in mod rapid si consecutiv intai vanele Na+ apoi vanele K+, pentru a se inchide imediat, in aceeasi ordine. Dezechilibrul chimic induce un dezechilibru electric care se manifesta sub forma unui impuls de exact 100 mV, pozitiv, independent de neuron. Ceea ce inseamna ca diferenta de potential trece de la -70 mV la + 30 mV pentru a reveni la -70 mV cca 2 milisecunde (2ms) mai tarziu atunci cand vanele se inchid din nou. Acest fenomen se propaga de-alungul neuronului cu o viteza ce poate varia intre 1m/s si 100 m/s, depinzand de tipul de axon. Excesul de Na+ indus de impulsul electric este “pompat” inapoi, din interior catre exterior, pe cand excesul de K+ se echilibreaza prin vanele pasive.

Cand un impuls electric ajunge la extremitatea unui axon, acest impuls «activeaza» cateva saculete minuscule, numite vezicule sinaptice. Acestea libereaza o infima cantitate (cateva mii de molecule) de o substanta chimica numita neuromediator, asa cum ar face un «spray». Neuromediatorii traverseaza sinapsa, patrund membrana celulei din fata - prin niste «vane»  numite chimioreceptori situate in membrana si care nu se deschid decat atunci cand sunt expuse la un neuromediator - si «excita» astfel neuronul vecin (Figura 4).

4

Exista doua feluri de sinapse: excitatoare si inhibitoare. Sinapsele excitatoare (inhibitoare) declanseaza o diferenta de potential pozitiva (negativa) de 1 mV de amplitudine si de 15 ms de durata. Pentru ca un impuls sa poata fi declansat intr-un neuron, acesta  trebuie sa fie supus la o diferenta de potential de minimum 40 mV, adica membrana trebuie sa se gaseasca la -30 mV (in loc de -70mV). Ori, membrana este supusa in permanenta la diferente de potential pozitive sau negative provenind de la dendritele celorlalti neuroni. Este deci indispensabil ca cel putin 40 de sinapse excitatoare sa actioneze in acelasi timp membrana. Mai exact, diferenta intre numarul de sinapse excitatoare si inhibitoare care functioneaza concomitent trebuie sa fie de cel putin 40.

Se cunosc azi cel putin o suta de neuromediatori, fiecare mediator neputand intra decat prin chimioreceptorii care-l recunosc in mod specific, ca o cheie in broasca pentru care a fost fabricata. Printre acesti neuromediatori, cei mai raspanditi sunt  glutamatul si acidul gamma-aminobutiric. Primul, cand se fixeaza pe chimioreceptorul lui, acesta nu lasa sa treaca decat ioni de sodium pozitivi (Na+) ; el este deci excitator. Al doilea, nu lasa sa treaca decat ioni de clor negativi (Cl -) : el este deci inhibitor.

Daca axonul unui neuron excita un muschi, el o face prin intermediul unei sinapse speciale numita junctiune neuromuschiulara, dar principiul este asemanator. In acest ultim caz, neuromediatorii sunt toti excitatori.

Diferentele intre creierul animalelor si cel al oamenilor

Ca orice alt organ, creierul omului este produsul evolutiei. Comparatiile anatomice intre creierul omului si cel al animalelor arata o perfecta similitudine in ceeace

5

priveste elementele de baza (compozitia si functionarea neuronilor), o mare asemanare in ceeace priveste morfologia creierului (constructia in emisfere, loburi si circumvolutiuni) dar o diferenta sensibila in importanta acestor componente. Astfel, pe masura ce ne ridicam pe scara animalelor vertebrate - pesti, reptile, pasari si mamifere - importanta relativa a encefalului creste si, in encefal, cortexul cerebral se dezvolta in mod spectacular ajungand la om.

Pentru ca comparatile sa aibe un sens pentru animale de masa diferita (soarece, om sau  elefant), se masoara masa encefalului relativ la masa organismului in intregime.  Daca consideram ca acest raport - numit indice de encefalizare - este egal cu 1 pentru un animal insectivor primitiv (apropiat de soricel), el este egal cu 11,3 pentru cimpanzeu si cu 28,7 pentru om. Mai important insa este indicele de dezvoltare al cortexului cerebral, definit in termeni analogi. Acest indice, egal cu 8-25 pentru maimutele obisnuite, cu 58 pentru cimpanzee si atinge 156 la om.  Diferenta este semnificativa.  Dar si mai important este numarul relativ de sinapse. Daca numarul de neuroni creste de la un animal la altul in mod aritmetic (1, 2, 3, 4, 5, etc.), numarul de sinapse creste cu o viteza prodigioasa (la inceput 1, 3, 12, 60, 360, 2520 etc.) Acest numar este deci cu mult mai mare la om. In sfarsit, majoritatea acestor sinapse se gasesc in zonele asociative, cele mai «nobile» ale creierului.

Ce se poate deduce din aceste observatii? Ca omul are o mai mare capacitate de a trata informatiile primite din simturi, de a face comparatii intre aceste informatii, de a crea concepte, de a stabili corelatii intre evenimente ce se petrec in acelas timp, de a gasi o cauzalitate intre evenimente succesive si de a le ordona. El poate deci exercita o gandire logica si rationala, aplica aceste cunostiinte la activitati de prima necesitate, folosi fortele naturii pentru a produce energie, metale sau materiale noi, crea forme artistice si a-si pune intrebari filozofice. In plus, omul poate comunica si impartasi sentimentele si ideeile lui cu semenii sai.

In fine, creierul se bucura de plasticitatea sistemului neuronal. Daca omul se naste cu un numar de neuroni bine determinati si cu un numar impresionant de sinapse disponibile  

 - determinate de genele mostenite - conectiile intre celule se pot intari sau pierde cu timpul. Ca dovada, in Figura 5 se poate observa dez-voltarea dendritelor la un copil

6

de 3, 15 si 24 de luni. O repetitie de experiente senzoriale intareste aceste conectii, pe cand o lipsa de repetitie duce la o atrofiere de conectii. Conse-cintele acestui fenomen au o deosebita importanta in educatie. Cel mai bun exemple este faptul ca orice tanar copil este capabil sa produca fara accent strain toate sunetele limbilor vorbite. Daca aceasta capacitate nu este folosita, el o pierde si nu mai ramane decat cu sunetele limbii pe care o aude sau vorbeste acasa! 

O alta consecinta pentru un tanar este invatamantul prin socializare. Obiceiurile, valorile si eventual prejudecatile familiei, apoi cele ale societatii in care s-a format, intaresc conectile nervoase asociate.

Rezumat

Viziunea moderna a creierului este aceea a unui sistem auto-adaptativ, guvernat de legi cibernetice care controleaza si optimizeaza functionarea intregului organism. El functioneaza pe baza informatilor primite din exterior, tratate in interior si organizate intre sutele de miliarde de celule nervoase ce-l compun. Astfel, creierul omului are, intre altele, capacitatea de a se intelege pe el insusi!

________________________________

Material intrebuintat din « Le cerveau » de Émile Godaux, 63 pages, Éditions Milan, 2004 si din Enciclopedia Wikipedia.  Ca lectura avansata, propun “L’homme neuronal” de Jean-Pierre Changeux, 379 pagini, Editura Pluriel, 1982.

=============================================================

Legende la figuri : Fig.1: Aspectul creierului; Fig.2 :Primul neuron fotografiat (1865); Fig.3: Impulsul electric;           Fig.4: Functionarea unei sinapse; Fig.5 : Dezvoltarea celulelor la om dupa nastere

7