Esiste radicato un pregiudizio sulla vita, e quindi anche sul mondo biologico in generale, secondo cui esso abbia regole molto differenti da quello inorganico per quanto riguarda i fenomeni che stanno alla base delle funzioni e i meccanismi che lo caratterizzano: in particolare si vorrà scardinare il preconcetto che le leggi dell’elettromagnetismo non abbiano nulla a che vedere con la sopravvivenza di un essere vivente e sul suo comportamento, evidenziando come invece siano alla base della vita.
Radicato perché, soprattutto nei tempi attuali in cui uomo e macchina sono sempre più a contatto e interagiscono tra loro, si considerano quasi l’uno l’antitesi dell’altro, il primo in possesso di un’anima che lo caratterizza, il secondo una semplice o complessa invenzione del primo. In questa concezione, i pensieri, i sentimenti, le emozioni sono il riflesso dell’anima, astratti, spirituali, immateriali e intangibili, scaturiti da una dimensione extrasensoriale, ma analizzando la macchine viventi fin nelle loro parti più elementari, è possibile notare come queste funzionino analogamente alle macchine create dell’uomo.
Livelli biologici
Le parti che compongono un organismo vivente possono essere considerate a diversi livelli. Il livello base è quello atomico, i quali si legano a formare molecole. A livello cellulare, un insieme di molecole di specie e complessità strutturale diverse, interagiscono per svolgere, su scala infinitesima, i processi vitali minimi svolti dall’intero organismo. Il livello tissutale considera insiemi di cellule strutturalmente simili che svolgono funzioni correlate, i quali a loro volta formano unità, strutturali e funzionali, definite organi. Insiemi di organi integrano la loro funzione per creare i sistemi, e l’insieme di diversi sistemi forma l’organismo.
Il concetto alla base del discorso è che la funzione di una molecola, di un organo o di un sistema dipende direttamente dalla sua struttura. D’altra parte, la struttura delle diverse componenti dell’organismo è il risultato dei processi evolutivi che hanno finito per dotarle delle basi fisiche adeguate a svolgere le loro funzioni. In questo senso è da ricordare che l’evoluzione non è da considerarsi come il mezzo o il fine della natura, ma trattasi di processi come mutazioni e derive genetiche e della selezione naturale, dall’interazione tra vari organismi, specie diverse e con l’ambiente esterno.
Vita ed elettricità
Il ruolo che rivestono i segnali elettrici nella fisiologia degli esseri viventi è di grande rilevanza per il corretto funzionamento dell’intero organismo, dai processi vitali di base della cellula e, per quanto riguarda il mondo animale, dalla corretta trasmissione delle informazioni tra le cellule nel sistema nervoso, all’attività cardiaca per il corretto funzionamento del sistema vascolare, al funzionamento degli organi di senso per l’interazione con il mondo esterno, fino ai complessi pensieri umani.
Le cellule dei vari tessuti comunicano tra loro scambiandosi informazioni attraverso sostanze chimiche dette messaggeri, tra le quali neurotrasmettitori, ormoni, aminoacidi. Soprattutto, avvengono costanti scambi di sostanze quali ioni, molecole e acqua tra l’ambiente intracellulare e quello extracellulare attraversando la membrana cellulare. Quest’ultima ha una struttura tale da impedire quasi del tutto la permeabilità all’acqua e ad altre sostanze idrosolubili, come ioni e glucosio, per via della porzione idrofoba e apolare della catena di fosfolipidi di cui è prevalentemente formata. La permeabilità agli ioni è garantita da apposite proteine interposte nel film di lipidi, che con le loro proprietà selettive condizionano la diffusione preferenziale di alcune sostanze piuttosto che di altre. Per tale motivo, la membrana può essere schematizzabile attraverso un circuito a conduttanze parallele.
Il flusso di ioni da dentro la cellula verso l’esterno, o viceversa, produrrà un flusso di cariche che depolarizzeranno (ioni positivi che entrano, ) o iperpolarizzeranno (ioni positivi che escono, ) la cellula. A questo flusso di ioni sarà associato dunque una densità di corrente e dei potenziali elettrici che varieranno nel tempo. Nelle cellule eccitabili, se una corrente di stimolazione esterna alla cellula viene fatta scorrere attraverso la membrana, essa tenderà a ripristinare il potenziale a un valore di riposo con l’apertura dei canali ionici. Ma se uno stimolo (depolarizzante) è sufficientemente ampio, oltre una data soglia, la cellula reagisce amplificando le modifiche di potenziale prima di ristabilire l’equilibrio: questo fenomeno è il potenziale d’azione.
Il sistema nervoso è composto da una fitta rete di neuroni, i quali sono formati da un corpo cellulare, o soma, dal quale si diramano alcuni prolungamenti citoplasmatici detti neuriti. Questi possono essere di due tipi: i dentriti, con i quali il neurone riceve i segnali da neuroni afferenti; l’assone dal quale usciranno i segnali verso altri neuroni. Dunque il potenziale d’azione che si genera in un determinato neurone, si propagherà attraverso l’assone verso i dentriti di un nuovo neurone, generando un potenziale post sinaptico all’interno di esso. Nel soma verranno sommati i segnali provenienti da tutti i dentriti e se il risultato supererà una data soglia, verrà generato a sua volta un nuovo potenziale d’azione.
Nasce spontaneo chiedersi come si sia innescato il primo potenziale d’azione. Le risposte sono più di una: dai recettori sensoriali, da campi elettromagnetici esterni o dall’eccitazione spontanea provocata dal rumore dovuto alle fluttuazioni delle sinapsi eccitatorie e inibitorie della rete, nei neuroni con soglia di sparo abbastanza bassa. Dunque, un organismo vivente è in grado di reagire a uno stimolo sensoriale esterno a partire da un recettore, un po’ come avviene con un computer utilizzando il mouse o la tastiera per dire alla macchina cosa fare.
I pensieri sono impulsi elettrici
I nocicettori sono recettori che rispondo a stimoli meccanici, termici o chimici in grado di produrre danno tissutale reale o potenziale. Situati sulla cute, ad esempio sulla mano, in caso venga toccata una spina, invieranno un segnale verso i nervi afferenti al midollo spinale che a loro volta invieranno, innanzitutto un segnale immediato al muscolo che risponderà con un riflesso flessorio di allontanamento dell’arto, secondariamente un segnale al cervello in modo tale che l’individuo diventi cosciente del pericolo attraverso la sensazione di dolore. A questo punto il cervello, attraverso il sistema nervoso autonomo, può intervenire sulla frequenza cardiaca del cuore: infatti, in base alle zone di encefalo alle quali afferiscono le informazioni, esse saranno elaborate e interpretate dalle reti neuroniche (e quindi nei corpi dei neuroni come descritto prima) per inviare ai sistemi di interesse la risposta più adeguata alla circostanza.
Il cervello è anche l’organo del pensiero e delle emozioni, entrambi scaturiti dall’interazione di natura elettrica dei neuroni. Il concetto di emozione comprende sentimenti e umori emozionali soggettivi, quali rabbia, senso di colpa, curiosità, felicità, timore, più le risposte fisiche associate. La stimolazione elettrica diretta del sistema limbico, una zona interna del cervello, produce emozioni che vengono descritte come gioia e piacere, o ansia e timore a seconda delle aree interessate dallo stimolo: ad esempio, la stimolazione dell’amigdala induce la sensazione di timore. Il sistema limbico è strettamente connesso all’ipotalamo, per regolare quei comportamenti fondamentali, legati allo stato emotivo, per la sopravvivenza del singolo e della specie. L’ipotalamo è il responsabile del controllo operato su parametri come la frequenza cardiaca, respiratoria e pressione sanguigna, che subiscono delle modificazioni in concomitanza di uno stato di ira. Inoltre, la connessione del sistema limbico con la corteccia, permette all’individuo di percepire come tali le emozioni. Questi meccanismi possono essere alterati dal coinvolgimento di alcuni neurotrasmettitori.
Negli animali complessi, anche l’apprendimento è un processo fondamentale per la sopravvivenza, ovvero il processo attraverso il quale nuove informazioni e competenze vengono acquisite, sistema indispensabile anche nei computer: memoria RAM e Hard Drive. La memoria è la capacità di conservare e recuperare le informazioni apprese attraverso la modifica delle connessioni presenti nella rete neuronale: nei neuroni postsinaptici si attivano geni e proteine, quest’ultime si muovono verso le connessioni presenti tra due neuroni, allo scopo di rinforzare o di costruire le sinapsi. L’ippocampo, le aree corticali, l’ipotalamo e il talamo sono essenziali per l’archiviazione delle informazioni grazie alla formazione di una specifica rete neuronale.
Stimolazione elettrica per diagnosi e terapia
Tutti questi processi possono essere osservati tramite apposite apparecchiature progettate in maniera tale da rilevare i potenziali che si propagano nei volumi conduttori quali il torace (elettrocardiografia) o la testa (elettroencefalografia). A livello teorico si parte dal modello semplificato del segnale come può essere un dipolo di corrente, a modelli sempre più complessi come una sorgente multicellulare immersa in un volume conduttore finito e omogeneo, fino a modelli per stime analitiche, per risultati immediati nei casi molto semplici e poco realistici, o per stime numeriche risolvibili con potenti calcolatori e software sofisticati.
La stimolazione magnetica del sistema nervoso è ormai considerata metodica di uso comune nella valutazione delle vie efferenti motorie cerebrali e dei nervi, come se fossero i cavi della macchina biologica, stimolando una zona del cervello e misurando la latenza della reazione muscolare: si generano delle correnti indotte circolanti nel mezzo conduttore attraverso una bobina in cui circola corrente variante nel tempo. Nelle applicazioni terapeutiche invece si ricordano, ad esempio, i pacemaker cardiaci che, nel caso di frequenza troppo bassa, stimola il tessuto cardiaco attraverso degli impulsi elettrici. In un cuore sano questi stimoli sono generati spontaneamente da un gruppo di cellule situate nel nodo senoatriale, il pacemaker naturale.
Lettura di riferimento:
PATRON EDITORE, “Principi di Bioelettricità e Bioelettromagnetismo” di L. Mainardi e P. Ravazzani, Bologna 2011
EdiSES, “Principi di Fisiologia”, L. Zocchi, Napoli 2012
Francesco Marsiglia
