O perspectivă istorică despre neuroștiințele cognitive

Conspect al articolului ”A historical perspective on cognitive neuroscience”, de Feinberg și Farah, publicat în ”Patient-based approaches to cognitive neuroscience”, în 2006.

Din antichitate până în secolul al 18-lea

Neuroștiințele cognitive ca noțiune fundamentală au apărut din perioada antichității, atunci când grecii au început să considere creierul drept corespondentul fizic al minții. Această idee a fost popularizată de Alcamaeon din Creta, posibil un fost discipol al lui Pitagora. Ipoteza alternativă vedea inima drept sursa minții.

Însă existau multe aspecte neînțelese. De exemplu, creierul era văzut drept o cutie pentru substanța gândurilor. Astfel, ventriculii erau considerați cei mai importanți, conținând lichidul cefalorahidian.

În Evul Mediu, ventriculii au continuat să fie centrul teoriilor ce relaționau mintea și creierul. De exemplu, preoții considerau că ventriculii anteriori sunt asociați cu percepția, că cei mijlocii sunt asociați cu raționamentul și cei posteriori cu memoria.

În timpul Renașterii, doctrina ventriculară a început să își piardă influența. Scrierile lui Rene Descartes marchează tranziția la o viziune conform căreia interacțiunea dintre fluidul din ventriculi și țesutul cerebral este sursa gândirii. Descartes a propus un circuit în care nervii stimulați duceau la eliberarea spiritului animalelor în ventriculi. Această eliberare rezulta în mișcarea mușchilor. La oameni, acest circuit era modulat de glanda pineală, care nu are pereche, este localizată central și este înconjurată de fluid cefalorahidian.

În secolul al 17-lea, situația s-a schimbat datorită lucrărilor lui Thomas Willis. Munca sa a fost continuată, în secolul al 18-lea, de Malpighi Pacchioni și Albrecht von Haller. De exemplu, Von Haller a stimulat nervii animalelor vii pentru a descoperi calea percepției și a acțiunii motrice. Astfel, el a stabilit metoda experimentală în neurofiziologie.

Dezbaterea din secolul XIX

Spre finalul secolului 18 și începutul secolului 19 Franz Josef Gall și Johann Spurzheim au adus mai multe contribuții în domeniul neuroanatomiei funcționale, precum distincția dintre materia albă și materia cenușie. Gall a oferit și una dintre primele descrieri ale afaziei, legată de leziunile din lobul frontal.

Totuși, Gall este extrem de cunoscut pentru teoria localizării cerebrale, numită astăzi frenologie. De exemplu, atunci când avea 9 ani, a ajuns la concluzia că acei colegi care aveau ochii mari aveau o memorie foarte bună. El a identificat 27 de caracteristici umane de bază, pe care le-a asociat cu anumiți centri nervoși, a căror dezvoltare putea afecta forma craniului. De exemplu, dispoziția spre a ucide era asociată cu o umflătură deasupra urechii, specifică animalelor carnivore și craniilor criminalilor în serie.

În 1802, împăratul Francis I a interzis prelegerile lui Gall, fiind considerate opuse învățăturilor religioase. Astfel, Gall a pornit într-o călătorie prin Europa, devenind extrem de faimos.

Dar frenologia a creat controverse în cercurile științifice. Marie Jean-Pierre Flourens a fost unul dintre cei mai cunoscuți critici ai lui Gall. Deși a organizat un program științific, acesta a fost motivat de disconfortul religios creat de Gall. Flourens considera că teoria lui Gall neagă existența sufletului deoarece împărțea creierul în părți funcționale, iar sufletul era văzut ca o entitate unitară. Astfel, el a făcut numeroase experimente pe animale pentru a demonstra echipotențialitatea cortexului.

Cercetările lui Flourens au îndepărtat viziunea localizată asupra creierului. În consecință, cercetările lui Bouillaud, cu privire la pierderea vorbirii în urma leziunilor frontale, au fost ignorate. Acesta nu a fost singurul care a sugerat localizarea funcţiei vorbirii în partea frontală.

Apoi, Marc Dax a identificat asocierea între leziunile din emisfera stângă, hemiplagie și afazie, bazându-se pe studii asupra a 40 de pacienți. Studiul său a fost scris de mână și nepublicat, dar copii ale sale au fost distribuite prietenilor și colegilor.

Doar din 1861, perspectiva localizării a început să fie acceptată, având loc o dezbatere între favorizanții holismului, reprezentați de Gratiolet și favorizanții perspectivei localizării, reprezentați de Aubertin, ginerele lui Bouillaud.

Cel mai important eveniment din dezbatere a fost munca lui Paul Broca. Acesta avea un pacient cunoscut drept Tau care suferea de epilepsie, hemiplagie în partea dreaptă și pierderea vorbirii. Broca l-a invitat pe Aubertin să îl examineze pe Tau. Pacientul a decedat în următoarea zi, iar creierul său a fost prezentat societății, alături de un discurs scurt, fără concluzii ferme.

Patru luni mai târziu, Broca a prezentat un raport extensiv. Creierul lui Tau cuprindea o cavitate plină de fluid în prima și a treia convoluțiune frontală posterioară. Mai târziu, în același an, Broca a prezentat un pacient de 84 de ani cu afecțiuni la nivelul limbajului, care prezenta leziuni în aceleași locații.

În mijlocul anilor 1860, problema asimetriei emisferice a intrat în dezbaterea asupra localizării. Marc Dax a trimis o copie scrisă de mână a unui document care prezenta legătura dintre funcționarea lingvistică și emisfera stângă.

Apariția neuropsihologiei moderne

În urma contribuțiilor lui Broca, au avut loc două evenimente importante.

Primul eveniment a inclus o serie de experimente ale lui Hitzig și Fritsch. În aceste experimente, cortexul unui câine era stimulat, în timp ce câinele stătea pe o masă. Aceste experimente au arătat că funcțiile motrice sunt localizate în cortexul anterior. De asemenea, Hitzig și Fritsch au arătat că organizarea somatotopică a cortexului motor este inferată indirect din asocieri la oameni.

Al doilea eveniment se referă la investigațiile lui Wernicke cu privire la funcțiile limbajului dincolo de vorbire. Acesta numește afazie senzorială leziunea posterioară din primul girus temporal, care rezultă în afectarea înțelegerii auditive, selectarea cuvintelor nepotrivite și probleme la nivelul scrisului și recunoașterii.

Wernicke a recunoscut aria Broca drept centrul pentru reprezentarea motorie a vorbirii și primul girus temporal drept centrul imaginii sonore. El a descris și o afazie globală, rezultată în urma distrugerii ariilor limbajului anterioare și posterioare.

Mai mult, Wernicke a făcut predicții cu privire la lezarea legăturii dintre cele două arii, care poate produce o varietate de afecțiuni, numite afazii de conducere. Astfel, a apărut termenul de asociaționism, deoarece limbajul era văzut în termenii asocierii reprezentărilor din diferiți centri cerebrali. Un alt termen este cel de conexionism, asociat conexiunii între centri.

Paradigma conexionistă a fost extinsă rapid, pentru a putea explica și alte tulburări. De exemplu, Lichtheim a inclus în acest model surditatea pură, Liepmann a descris apraxia, inclusiv apraxia ideo-motrice și Maas a inclus apraxia la nivelul corpului calos. În plus, Dejerine a folosit modelul pentru a explica dislexia dobândită, fără agrafie.

Conform acestei viziuni, un număr scăzut de centri de bază pot fi combinați prin conexiuni pentru a explica o varietate de funcții și deficitele lor.

Nu toți oamenii au aderat la viziunea conexionistă. John Hughlings Jackson vedea sistemul nervos drept un întreg ierarhizat și interactiv. Pierre Marie a fost o altă persoană care s-a opus acestui model. Unul dintre articolele sale a fost atât de ofensator pentru Dejerine încât a fost provocat la duel. Pierre Marie considera că există un singur tip de afazie, numită afazie posterioară.

Astfel, a avut loc o reorientare spre holism, ajutată și de creșterea influenței psihologiei gestaltiste. În paralel, cercetările din sfera abordării localizate au arătat diferențele între diferite regiuni ale creierului la nivelul morfologiei celulare, densitatea celulelor și laminare, alături de prima hartă a citoarhitecturii neuronale.

Finalul secolului al 19-lea a marcat începutul studierii memoriei și vederii. Theodule Ribot a introdus distincția dintre amnezia retrogradă și anterogradă. De asemenea, el a observat fenomenul numit „legea lui Ribot”, care arată că cele mai recente amintiri sunt cele mai vulnerabile în cazul leziunilor cerebrale. Ribot descrie și învățarea în amnezie, anticipând distincția între memorie declarativă și memorie nondeclarativă.

Un alt cercetător important a fost Korsakoff, care a descris pseudo-amintirea, cunoscută astăzi drept confabulație. Herman Munk a arătat că, atunci când lobii occipitali ai câinilor erau lezați, aceștia puteau naviga în mediu cu ușurință, dar nu puteau recunoaște obiectele. Puțin mai târziu, Lissauer a prezentat una dintre descrierile clinice ale problemelor de recunoaștere vizuală la oameni și a sugerat distincția între afecțiuni aperceptive și afecțiuni asociative.

În următoarele decenii, funcțiile vizuospațiale ale emisferei drepte au atras atenția neurologilor și neuropsihologilor.

Dezvoltarea neuropsihologiei experimentale

Majoritatea descoperirilor prezentate până acum s-au făcut pe baza studiilor de caz sau investigarea grupurilor mici de pacienți. Între 1960 și 1970 au început să fie utilizate modele experimentale. Modelul experimental implica grupuri de pacienți normali, care primeau diferite tratamente. Efectele acestora erau măsurate pe baza unor protocoale standardizate și erau comparate pe baza unor proceduri statistice. În neuropsihologie, tratamentul cuprindea persoane cu aceeași leziune cerebrală.

În această perioadă a început programul de la Institutul Neurologic din Montreal. William Scoville a descoperit că o secțiune în lobul temporal bilateral medial al unei persoane cu epilepsie rezultă în amnezie permanentă. În același timp,  Brenda Milner lucra cu pacienți și grupuri de persoane operate pentru epilepsie. În paralel, intervenția numită calosotomie a dus la dezvoltarea unui program de cercetare influent și productiv.

În plus, neuropsihologia experimentală a permis relevarea unor aspecte de organizare funcțională a comportamentelor. Examinând modele de asociere și disociere între abilitățile unui grup de participanți, cercetătorii au încercat să identifice care abilități depind de același sistem funcțional și care sunt independente. De exemplu, asocierea frecventă a afaziei și apraxiei poate susține ideea că afazia nu este specifică limbajului, ci o manifestare pervazivă a pierderii abilității de a reprezenta simbolurile. Însă un studiu derulat de Goodglass și Kaplan a subminat această idee, arătând  că severitatea afaziei și a apraxiei sunt necorelate.

O altă descoperire din această perioadă ține de demonstrarea distincției funcționale în vedere, între recunoaștere și orientare spațială.

La finalul anilor `70, neuropsihologia s-a dezvoltat atât de mult, încât multe abilități perceptive, cognitive și motrice erau asociate cu anumite regiuni din creier și multe caracteristici ale organizării funcționale ale acestor abilități au fost stabilite.

Cum s-au născut neuroștiințele cognitive

Domeniul neuroștiințelor cognitive bazate pe pacienți a apărut atunci când teoriile și metodele din psihologia cognitivă și neuropsihologie s-au combinat.

Esența psihologiei cognitive este conceptualizarea cogniției drept procesarea informației. Motivul pentru care cele două domenii nu s-a unit mai devreme a fost orientarea psihologiei cognitive pe ideea că mintea umană este asemănătoare cu un computer. Această analogie afirmă că partea hardware funcționează independent de partea software. În consecință, creierul era irelevant pentru psihologie.

În anii 1980, atât psihologia cognitivă cât şi neuropsihologia au ajuns într-un punct de impas. În ceea ce privește psihologia cognitivă, problema principală era legată de limitele metodologice. Variind stimulii și măsurând răspunsurile și latența de răspuns, psihologii făceau inferențe despre procesarea informației. Dar aceste inferențe erau indirecte și nu ajutau în distincția între anumite teorii. Un exemplu de astfel de problemă este inabilitatea de a identifica măsura în care imaginile mentale sunt reprezentări perceptuale sau reprezentări lingvistice.

În dezvoltarea acestor dezbateri a fost introdusă studierea creierului. Soluția a fost implementată 10 ani mai târziu. Astfel, Anderson a descoperit că afectarea percepției în urma unor leziunile cerebrale este deseori acompaniată de afectarea imaginilor mentale. Studiul învățării și al memoriei a fost dezvoltat pe baza descoperirii învățării în prezența amneziei, rezultând în ipoteza sistemelor multiple.

Beneficiile pentru neuroștiințe sunt, în principal de natură teoretică. De exemplu, în mod tradițional, neuropsihologia studia organizarea funcțională și localizarea abilităților precum vorbirea, memoria sau recunoașterea. Teoriile din psihologia cognitivă au introdus ideea conform căreia abilitățile depind de un set de procese cognitive componente.

De exemplu, unii pacienți cu afecțiuni ale citirii pot avea dificultăți în citirea non-cuvintelor,  în timp ce alții au dificultăți în citirea cuvintelor. În loc să le delimiteze drept două abilități independente, neuropsihologii au folosit teoria cititului pentru a interpreta tulburarea în termenii lezării întregului sistem de recunoaștere sau doar a unei părți.

Metode complementare în neuroștiințele cognitive

În anii `70 a fost introdusă tomografia cu emisie de pozitroni, oferind o imagine a consumului de glucoză, a circulației sângelui, a consumului de oxigen sau a densității de receptori din creier. Folosind liganzi radioactivi, pot fi identificate anormalii în anumite sisteme de neurotransmițători sau în anumite regiuni. Studiile de activare, în care sunt obținute imagini în timp ce participanți normali efectuează mai multe sarcini, au oferit o nouă modalitate de localizare a proceselor cognitive. Curând a apărut tomografia computerizată cu emisie de fotoni, oferind o alternativă mai ieftină, dar și mai puțin acurată și cuantificabilă de a obține imagini ale circulației sangvine din creier.

Apoi au apărut tehnici funcționale precum electroencefalograma (EEG) sau magnetoencefalografia (MEG), oferind avantaje temporale față de celelalte. Recent a apărut RMN-ul funcțional, care oferă o rezoluție anatomică și o rezoluție temporală superioare, folosind tehnici non-invazive. O mare parte din cercetarea funcțională timpurie poate fi considerată un efort de confirmare a principiilor deja stabilite ale funcționării neuroanatomice.

În a doua etapă a cercetării au fost introduse teorii și metode din psihologia cognitivă, care specificau componenta cognitivă a proceselor implicate în îndeplinirea sarcinilor și care permiteau izolarea lor experimentală. În studiile de neuroimagistică asupra participanților normali, entitățile cu o probabilitate ridicată de a oferi localizări clare și consistente sunt componentele proceselor cognitive, nu sarcina în sine.

O colaborare între psihologul Michael Posner și neurologul Marcus Raichle a dus la o serie de studii în care circuitele neurologice de la baza limbajului, atenției sau cititului au fost studiate cu ajutorul tomografiei cu emisie de pozitroni

Pentru mulți psihologi sau neurologi, neuroștiințele cognitive sunt sinonime cu neuroimagistica cognitivă. Dar, deși neuroimagistica a avut un efect major pentru neuroștiințele cognitive, nu a înlocuit cercetările asupra pacienților cu afecțiuni neurologice.

Printre avantajele neuroimagisticii se numără rezoluția spațială obținută prin inferențe de la da la pacienți cu leziuni cerebrale, abilitatea de a studia oameni sănătoși sau observarea reorganizării cerebrale în urma leziunii.

Ca și dezavantaje, neuroimagistica nu ne poate spune nimic despre mecanismele din spatele cogniției. Datele neuroimagistice sunt corelaționale și nu pot indica ce arii cerebrale sunt implicate cauzal în procesele cognitive.

Datorită avantajelor complementare ale studiilor de neuroimagistică și ale studiilor de leziune, este posibil ca viitoarele programe de cercetare să găsească o modalitate de a combina cele două abordări.