FISIOLOGIA INTEGRATIVA

Il corso fornisce allo studente una visione unitaria e integrata delle funzioni dell'organismo sotto il controllo nervoso ed endocrino. Le funzioni del corpo sono coordinate come un tutt'uno e non agiscono in modo isolato. Poiché lo studente possiede già conoscenze di base sulle funzioni dei vari organi e apparati, il corso le ripercorre solo in parte: ne approfondisce l'integrazione, con particolare attenzione al sistema nervoso e ai meccanismi con cui regolazione omeostatica, elaborazione sensoriale, controllo motorio e funzioni superiori si realizzano come un unico processo.

Conoscenza e capacità di comprensione. Alla fine del corso lo studente conoscerà: i principi della regolazione omeostatica e i loro sviluppi attuali (set point variabili, allostasi, controllo anticipatorio o feed forward); l'organizzazione funzionale del sistema nervoso centrale e periferico e i principali metodi con cui viene studiato; i meccanismi integrati di controllo nervoso, endocrino e comportamentale delle principali funzioni omeostatiche (bilancio idrosalino e pressione arteriosa, bilancio energetico, termoregolazione, crescita, risposta allo stress, funzioni riproduttive); l'organizzazione dei sistemi sensoriali, compresa l'interocezione, e dei sistemi motori, dai riflessi al controllo volontario; le basi fisiologiche delle funzioni superiori, tra cui percezione, emozione, memoria, linguaggio e coscienza.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Lo studente sarà in grado di spiegare una risposta fisiologica integrata risalendo dai segnali che la generano ai circuiti che la producono, di prevedere le conseguenze di una lesione o di un'alterazione sperimentale o farmacologica su un sistema di regolazione, e di interpretare in termini fisiologici quadri sperimentali e clinici affrontati a lezione. Saprà inoltre leggere i dati di un esperimento di neuroscienze riconoscendo il tipo di evidenza che fornisce.

Autonomia di giudizio. Lo studente imparerà a padroneggiare la fisiologia come disciplina dinamica, riconoscendo che molte questioni sono ancora aperte e che diversi contenuti del corso rappresentano le interpretazioni più aggiornate, soggette a revisione con l'avanzare della ricerca. Sarà in grado di valutare criticamente i limiti di un modello consolidato, di confrontare ipotesi alternative sullo stesso fenomeno e di riconoscere i problemi metodologici che rendono difficile attribuire funzioni complesse a singole strutture cerebrali.

Abilità comunicative. Attraverso la discussione in aula sulle questioni aperte, lo studente acquisirà la capacità di esporre un meccanismo fisiologico integrato con terminologia appropriata, di presentare i risultati di un lavoro sperimentale e di argomentare una posizione distinguendo i dati dalle loro interpretazioni.

Capacità di apprendimento. Lo studente svilupperà la capacità di aggiornarsi in autonomia sulla letteratura fisiologica e neuroscientifica, di collegare conoscenze provenienti da ambiti diversi (fisiologia, biologia cellulare e molecolare, patologia, farmacologia) e di utilizzare i principi generali appresi per affrontare argomenti non trattati esplicitamente a lezione.

Il corso si articola in 49 ore di lezioni frontali, organizzate in sei moduli tematici.

Le lezioni presentano i contenuti in modo da guidare gli studenti nella comprensione della disciplina e nello studio più approfondito con l'ausilio dei testi consigliati. Ciascuna lezione si apre con una domanda o un problema fisiologico, che viene affrontato nel corso della lezione e ripreso alla fine: la finalità è abituare gli studenti a ricostruire un meccanismo a partire dalla funzione da spiegare, piuttosto che a memorizzare descrizioni.

Poiché il corso presuppone le conoscenze di base di anatomia e fisiologia indicate tra i prerequisiti, tali argomenti potranno essere solo brevemente riesposti a lezione.

Potrà essere prevista la discussione in aula di uno o più articoli scientifici, scelti per illustrare come si ottiene un dato sperimentale, quali conclusioni consente di trarre e quali questioni restano aperte. Alcune lezioni includono il confronto tra ipotesi alternative sullo stesso fenomeno e la discussione di modelli in corso di revisione.

I contenuti delle lezioni saranno resi disponibili su Studium o altri canali istituzionali.

In caso di eventuali nuove normative o in particolari situazioni di forza maggiore, qualora l'insegnamento dovesse essere impartito in modalità a distanza o mista, potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto qui dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto.

Conoscenze di base di Fisiologia ed Anatomia.

Gli studenti dovranno avere già acquisito conoscenze di fisiologia cellulare, inclusi i meccanismi di trasporto attraverso la membrana plasmatica e le basi ioniche del potenziale di membrana e del potenziale d'azione. Dovranno avere conoscenze di base sulla trasmissione sinaptica, sui neurotrasmettitori e sugli ormoni, con i rispettivi sistemi recettoriali e i principali meccanismi di trasduzione del segnale. Si richiede inoltre la conoscenza dei meccanismi fondamentali della trasduzione sensoriale, della contrazione muscolare e delle principali funzioni degli apparati muscolo-scheletrico, digerente, respiratorio, cardiovascolare ed escretorio. Sul piano anatomico sono richieste le nozioni generali di organizzazione del sistema nervoso centrale e periferico: suddivisioni dell'encefalo, meningi e liquido cefalorachidiano, organizzazione del midollo spinale, nervi cranici e spinali. Sono utili le conoscenze fondamentali del metabolismo e la capacità di leggere un testo scientifico in lingua inglese.

Obbligatoria a norma di regolamento del Corso di Laurea.

Le modalità di accertamento della presenza sono a discrezione del docente. Qualora le condizioni lo dovessero richiedere, le lezioni potranno essere svolte anche in modalità mista o interamente telematica, e in tal caso le modalità di accertamento della presenza si adegueranno di conseguenza.

Modulo 1 – Omeostasi e regolazione predittiva (lezione 1)

L'organismo come sistema integrato: omeostasi e sistemi fisiologici di regolazione e controllo. Feedback negativo e positivo; limiti del modello a set point fisso; set point        variabili e reostasi. Controllo anticipatorio (feedforward) e allostasi; carico allostatico. L'organismo come sistema aperto lontano dall'equilibrio e costo energetico della regolazione. Interocezione: vie e ruolo nella regolazione. Il sistema nervoso come organo di regolazione predittiva.

Modulo 2 – Architettura funzionale del sistema nervoso (lezioni 2-3)

2. Organizzazione funzionale del sistema nervoso centrale: elaborazione gerarchica e in parallelo, mappe topografiche, circuiti ricorrenti, equilibrio tra eccitazione e inibizione. Corteccia cerebrale: citoarchitettonica e organizzazione funzionale; aree corticali; connessioni intracorticali, afferenze ed efferenze. Cellule gliali e loro ruolo funzionale. Liquido cefalorachidiano: caratteristiche chimico-fisiche e funzioni; barriera ematoencefalica; sistema glinfatico e drenaggio linfatico meningeo. Metodi di indagine non invasiva nell'uomo e metodi sperimentali nell'animale: registrazione e manipolazione dell'attività neuronale, identificazione dei tipi cellulari, connettomica.
3. Sistemi modulatori diffusi: nuclei di origine, neurotrasmettitori e funzioni. Il livello di vigilanza: misurazione dell'attività elettrica corticale, ritmi elettroencefalografici, il sonno e le sue fasi. Centri nervosi coinvolti nella regolazione del sonno e organizzazione dell'interruttore sonno-veglia. Regolazione omeostatica e circadiana del sonno. Ipotesi sulle funzioni del sonno e questioni aperte. Ritmi circadiani: nucleo soprachiasmatico, orologio molecolare, sincronizzazione e orologi periferici.

Modulo 3 – Regolazione omeostatica integrata (lezioni 4-9)

4. I sistemi integratori: ipotalamo, sistema nervoso autonomo, sistema endocrino. Sistema ortosimpatico e parasimpatico: organizzazione, neurotrasmettitori e recettori; sistema nervoso enterico. Componente afferente del sistema autonomo e vie viscerali ascendenti (nucleo del tratto solitario, nucleo parabrachiale). Organi circumventricolari. Anatomia funzionale dell'ipotalamo e organizzazione per popolazioni neuronali. Sistemi neuroendocrini: ipotalamo e neuroipofisi; ormoni ipofisiotropi; ormoni adenoipofisari e assi endocrini. Principi comuni degli assi endocrini: secrezione pulsatile, ritmicità, feedback a più livelli, trasporto e disponibilità, effetti permissivi, conversione periferica. Definizione e classificazione degli ormoni; biosintesi, secrezione, trasporto, attivazione e inattivazione; meccanismi d'azione.
5. Controllo integrato del bilancio idrosalino e della pressione arteriosa. Sensori dell'osmolarità e del volume. Circuiti della sete e appetito per il sale. Vasopressina: regolazione della secrezione, effetti renali, cenni di fisiopatologia. Sistema renina-angiotensina-aldosterone; funzioni dell'aldosterone. Baroriflesso e suo riposizionamento funzionale; peptidi natriuretici. Risposte integrate all'ortostatismo e all'emorragia.
6. Controllo integrato del bilancio energetico. Il pancreas endocrino e la regolazione della glicemia; insulina e glucagone; incretine. Segnali di adiposità e segnali di pasto; circuiti ipotalamici della fame e della sazietà; asse intestino-cervello. Cenni di fisiopatologia: obesità e diabete mellito, con riferimento ai meccanismi d'azione dei farmaci incretinici.
7. Spesa energetica e termoregolazione. Sensori termici periferici e centrali; effettori; termogenesi con e senza brivido; tessuto adiposo bruno. Febbre come spostamento del riferimento termico. Ormoni tiroidei: sintesi, trasporto, meccanismo d'azione e funzioni; regolazione locale mediante deiodinasi; iper- e ipotiroidismo. Controllo endocrino dell'accrescimento: GH e IGF-1; interazione con ormoni tiroidei e sessuali; disturbi dell'accrescimento. Omeostasi di calcio e fosfato e fisiologia dell'osso: paratormone, vitamina D e calcitonina.
8. Risposte allo stress. Asse simpato-adrenale: catecolamine e midollare del surrene. Asse ipotalamo-ipofisi-surrene; ghiandola surrenale; funzioni del cortisolo e ruolo permissivo dei glucocorticoidi; recettori e specificità tissutale; sindrome di Cushing. Interazioni tra sistema nervoso, endocrino e immunitario: comportamento di malattia e riflesso infiammatorio. Conseguenze dell'attivazione cronica. Cenni su prostaglandine, endorfine ed endocannabinoidi.
9. Fisiologia della riproduzione. Controllo neuroendocrino dell'asse ipotalamo-ipofisi-gonadi: generatore di impulsi di GnRH e ruolo della kisspeptina. Funzioni degli organi riproduttori femminili: ciclo ovarico, uterino e ormonale; fisiologia della gravidanza e del parto; controllo neuroendocrino dell'allattamento. Funzioni degli organi riproduttori maschili: anatomia funzionale del testicolo e delle vie spermatiche; spermatogenesi; ormoni sessuali maschili. Integrazione con il bilancio energetico e con la risposta allo stress.

Modulo 4 – Sistemi sensoriali (lezioni 10-16)

10. Principi generali dei sistemi sensoriali: trasformazione dello stimolo in evento bioelettrico; recettori sensoriali, classificazione, modalità sensoriale, soglia, adattamento; classificazione delle fibre nervose. Codifica di modalità, sede, intensità e durata; campi recettivi e inibizione laterale; codifica efficiente e codifica predittiva. Interocezione: tipi di afferenze, meccanocettori e chemocettori viscerali, vie centrali.
11. Sistema somatosensoriale: recettori tattili e termici; classi di meccanocettori a bassa soglia; propriocettori muscolari e articolari. Sensibilità epicritica e protopatica; campi recettivi; dermatomeri. Vie ascendenti. Corteccia somestesica e organizzazione somatotopica; plasticità delle mappe corticali.
12. Nocicezione e dolore: nocicettori e meccanismi di trasduzione; vie ascendenti; sensibilizzazione periferica e centrale. Controllo discendente del dolore e modulazione da attesa e contesto. Dolore acuto, neuropatico e cronico. Il prurito e le sue vie.
13. L'occhio e la visione: proprietà ottiche dell'occhio e riflessi pupillari. La retina e il processo di fototrasduzione; organizzazione funzionale della retina e tipi di cellule gangliari; cellule gangliari intrinsecamente fotosensibili. Adattamento alla luce e al buio; visione dei colori. Vie visive parallele e proiezioni centrali.
14. Corteccia visiva: campi recettivi, organizzazione colonnare, influenze contestuali e discendenti. Stereopsi. Vie corticali ventrale e dorsale; riconoscimento degli oggetti. Percezione: dalla sensazione all'inferenza percettiva; ruolo dell'attenzione.
15. L'orecchio e la funzione uditiva: trasmissione dei suoni all'orecchio interno; la coclea e il processo di trasduzione degli stimoli sonori; amplificazione cocleare ed emissioni otoacustiche. Codifica di frequenza e intensità; vie uditive centrali e localizzazione della sorgente sonora; corteccia uditiva; separazione dei flussi uditivi e attenzione selettiva. Cenni sulle ipoacusie e sugli impianti cocleari.
16. I sensi chimici: olfatto e gusto. Recettori olfattivi e codifica combinatoria; bulbo olfattivo e corteccia piriforme; olfatto retronasale. Alterazioni dell'olfatto e loro significato clinico. Recettori e vie del gusto; qualità gustative e valenza; formazione delle preferenze alimentari.

Modulo 5 – Sistema motorio (lezioni 17-20)

17. Organizzazione delle funzioni motorie. Motoneuroni e unità motorie. Riflessi spinali: riflessi da stiramento, l'anello alfa-gamma, riflessi flessori e riflessi crociati; modulazione dei riflessi in funzione del compito. Schemi motori e loro controllo: generatori centrali di pattern e organizzazione degli interneuroni spinali; controllo sopraspinale della locomozione. Cenni sulle applicazioni cliniche della stimolazione spinale.
18. Tono muscolare e postura: integrazione multisensoriale, sinergie posturali e aggiustamenti anticipatori. Apparato vestibolare: risposta alle accelerazioni lineari e angolari della testa; riflessi vestibolari. Movimenti oculari: classi, generatore saccadico, controllo corticale. Copia efferente e stabilità percettiva.
19. Corteccia motoria e controllo dei movimenti volontari: aree motorie e loro organizzazione; dalle mappe somatotopiche alle rappresentazioni di azioni; codifica di popolazione e attività preparatoria. I sistemi a proiezione discendente: via corticospinale, rubrospinale, reticolospinale, vestibolospinale. Corteccia parietale posteriore e trasformazioni sensomotorie; negligenza spaziale. I gangli della base e la loro organizzazione anatomo-funzionale; selezione dell'azione e ruolo della dopamina; cenni di fisiopatologia. Interfacce cervello-computer.
20. Il cervelletto: anatomia funzionale di archi-, paleo- e neocerebello; microcircuito corticale cerebellare e meccanismi di plasticità. Modelli interni, predizione delle conseguenze del movimento e apprendimento motorio. Contributo cerebellare a funzioni non motorie. Sindromi cerebellari.

Modulo 6 – Funzioni superiori (lezioni 21-24)

21. Neurofisiologia del comportamento: generalità. Comportamenti motivati e loro basi neurali. Il sistema limbico: significato e limiti del concetto. Emozioni e loro significato funzionale; teorie dell'emozione; ruolo dell'amigdala e dell'interocezione. Motivazione, ricompensa e dipendenza. Emozione e processi decisionali.
22. Memoria e apprendimento: sistemi di memoria e loro dissociazioni; riflessi condizionati e apprendimento non associativo. Basi cellulari della memoria e concetto di engramma; consolidamento sinaptico e sistemico; riattivazione nel sonno; riconsolidamento e oblio. Ippocampo e rappresentazione dello spazio e delle relazioni. Il richiamo come processo ricostruttivo.
23. Le aree associative corticali e i processi di integrazione. Linguaggio: basi neurali della produzione e della comprensione; modello classico e modello a doppia via; le afasie. Lateralizzazione e dominanza cerebrale; asimmetrie funzionali e sindrome da disconnessione callosale. Corteccia prefrontale e funzioni esecutive. Il problema della localizzazione delle funzioni superiori: sviluppo storico, limiti dei metodi lesionali e di neuroimmagine, approcci attuali in termini di reti.
24. Percezione e coscienza. Livello e contenuto di coscienza; stati di coscienza e disturbi della coscienza; correlati neurali e misure sperimentali. Principali teorie della coscienza e loro confronto. Scarica corollaria e distinzione tra sé e ambiente. Coscienza in altre specie; criteri di attribuzione. Il rapporto mente-cervello: posizioni principali e questioni aperte.

Testi di riferimento

Testi consigliati per la preparazione dell'esame

• Fondamenti di Fisiologia Generale e Integrata, a cura di V. Taglietti, autori vari. EdiSES, II edizione (o I).
• Fisiologia umana – Fondamenti, autori vari. Edi-Ermes.

Testi per consultazione e approfondimento

• P. Battaglini, U. Faraguna, L. Fogassi, S. Rozzi. Neurofisiologia. Edra.
• D. U. Silverthorn. Fisiologia umana – Un approccio integrato. Pearson, nona edizione (o ottava).
• M. F. Bear, B. W. Connors, M. A. Paradiso. Neuroscienze – Esplorando il cervello. Edra, quarta edizione.
• E. R. Kandel, J. D. Koester, S. H. Mack, S. A. Siegelbaum. Principi di neuroscienze. Casa Editrice Ambrosiana, quinta edizione italiana. 
• M. S. Gazzaniga, R. B. Ivry, G. R. Mangun. Neuroscienze cognitive. Zanichelli. Per il modulo sulle funzioni superiori.

Letture di approfondimento (facoltative)

• P. Sterling, S. Laughlin. Principles of Neural Design. MIT Press. 
• A. Seth. Come il cervello crea la nostra coscienza. Raffaello Cortina.
• G. Vallortigara. Pensieri della mosca con la testa storta. Adelphi

Per gli argomenti più recenti, non ancora presenti nei testi, il docente potrà anche indicare uno o più articoli scientifici di riferimento.

L'apprendimento è verificato tramite una prova scritta, con possibilità di integrazione orale su richiesta dello studente. In determinate circostanze, potrà essere il docente a richiedere l'effettuazione di un esame orale.

Struttura della prova scritta. La prova è composta da 20 quesiti, ciascuno costituito da 4 affermazioni di tipo vero/falso, per un totale di 80 affermazioni. Il tempo a disposizione è di 60 minuti. Nel caso lo studente abbia terminato prima di 30 minuti, avrà diritto a un bonus di 2 punti (equivalente a 2 risposte esatte in più).

Criteri di attribuzione del punteggio. Ogni affermazione valutata correttamente vale +1 punto, ogni affermazione valutata in modo errato vale −1 punto; le affermazioni lasciate in bianco valgono 0 punti e non entrano nel conteggio. La prova è superata con un punteggio minimo di 36. Il punteggio è successivamente convertito in trentesimi e sarà comunicato agli studenti tramite pubblicazione sui canali istituzionali (Studium o altri canali che saranno comunicati dal docente), e/o tramite invio per email agli studenti rappresentanti.

Esito e verbalizzazione. Chi non supera la prova scritta avrà l'esito verbalizzato come "Non approvato". Chi supera la prova scritta può scegliere se accettare il voto, che viene verbalizzato, se rifiutarlo (in tal caso l'esito è verbalizzato come "Ritirato"), oppure se sostenere anche un colloquio orale: in quest'ultimo caso il voto finale tiene conto di entrambe le prove e può risultare superiore o inferiore a quello della prova scritta. La scelta dello studente andrà comunicata al docente entro i tempi che saranno comunicati. Non sarà possibile verbalizzare l'esito senza un riscontro da parte dello studente.

Oggetto della valutazione. La prova verifica in primo luogo la capacità di ragionamento fisiologico e la comprensione della logica dei sistemi di regolazione e di integrazione, e in secondo luogo la conoscenza dei contenuti di dettaglio. In particolare sono valutate: la capacità di collegare tra loro funzioni e sistemi diversi; la capacità di prevedere le conseguenze di una perturbazione, di una lesione o di un intervento farmacologico su un sistema di regolazione; la corretta interpretazione del significato funzionale dei meccanismi studiati. Nell'eventuale colloquio orale sono valutate anche la proprietà di linguaggio, la capacità di argomentare, nonché di riconoscere le questioni ancora aperte nella disciplina.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA. A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio con il docente, in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, sulla base degli obiettivi didattici e delle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP del Dipartimento o agli uffici preposti.

Modalità in condizioni straordinarie. Qualora condizioni di forza maggiore o nuove disposizioni normative lo richiedessero, le modalità d'esame potranno essere modificate, anche temporaneamente o per singole esigenze, prevedendo eventualmente lo svolgimento a distanza.

Due esempi di quesiti che possono comparire in un test scritto, che sarà composto da 20 quesiti di questo tipo:

Rispondere con vero (V) oppure falso (F)

Nel sistema somatosensoriale:
__ i corpuscoli di Meissner sono recettori a lento adattamento
__ i nuclei talamici del complesso ventro-posteriore presentano organizzazione somatotopica
__ le fibre afferenti dai fusi neuromuscolari decorrono nelle colonne dorsali
__ i termocettori del freddo sono associati prevalentemente a fibre Aδ

(F, V, V, V)

Una lesione unilaterale delle colonne dorsali a livello cervicale comporta:
__ perdita della sensibilità tattile discriminativa dal lato della lesione
__ perdita della sensibilità termica e dolorifica dal lato della lesione
__ difficoltà nei movimenti fini della mano omolaterale
__ perdita della sensibilità vibratoria dal lato opposto alla lesione

(V, F, V, F)