di Fabrizio La Mura
Anestesista Rianimatore, UOSVD Day Service Chirurgico Multidisciplinare - PTA Trani - ASL BAT

Affiancare il mondo dell’informatica e quello della neurofisiologia è un qualcosa che al giorno d’oggi viene considerato ovvio, ma che in passato lo era sicuramente meno (salvo alcune coincidenze temporali, forse inconsapevoli per gli scienziati stessi).

Uno dei settori di maggior interesse per la comprensione del funzionamento del sistema nervoso è quello della percezione del dolore.

Nel 1644, lo stesso anno in cui Blaise Pascal costruì la prima calcolatrice in grado di effettuare addizioni e sottrazioni, e anche moltiplicazioni e divisioni (la “pascalina”), Cartesio ipotizzava una connessione anatomica univoca e diretta fra uno stimolo doloroso (per esempio il fuoco) e la trasmissione in senso rostrale/centrale dello stimolo stesso, “come tirare una corda che fa immediatamente suonare una campana” (1).

Benché questa “teoria della specificità” abbia tenuto banco fino alla fine del XIX secolo, alcuni interrogativi continuavano ad affliggere ricercatori, medici e pazienti. Fra gli altri:

  1. perché il dolore si può avvertire anche dove non c’è uno stimolo doloroso in atto?
  2. come mai, in certi casi, degli stimoli ritenuti sicuramente innocui – quali, per esempio, il semplice sfioramento di una parte del corpo - possono provocare dolore insopportabile?

e 3. perché anche a fronte della sezione chirurgica di una fibra nervosa per fermare la trasmissione del dolore, o l'amputazione di un intero arto, il dolore non solo in genere non passa, ma addirittura spesso peggiora? (per esempio nella sindrome dell'arto fantasma). A metà inoltrata del XIX secolo, tuttavia, si iniziò ad ipotizzare che il dolore potesse essere avvertito sulla base di meccanismi maggiormente complessi, derivanti da una matrice di sommazione spaziotemporale degli stimoli algici e dalle loro intensità iniziali (2). Curiosamente, appena pochi anni prima, l’appassionata matematica figlia di Lord Byron, Lady Ada Byron, contessa di Lovelace, ideò e scrisse quello che ad oggi viene ritenuto il primo software della storia, potenzialmente funzionante sulla “Macchina analitica” (Analytical Engine) di Sir Charles Babbage. Tuttavia, a causa del mancato rinnovo dei fondi - all’epoca - per la sua costruzione, si è dovuto attendere circa un secolo, prima che nel 1991, ne fosse parzialmente costruita una versione funzionante e dotata anche di stampante (3).

Benché si possano identificare molte altre coincidenze fra il mondo della Medicina, della Fisica, della Letteratura, della Biologia e quello dei sistemi di calcolo e comunicazione - le correnti galvaniche e gli esperimenti sulle rane, l’interconnessione funzionante di parti del corpo (“Frankenstein o il Novello Prometeo”, scritto peraltro dalla sorellastra dell’amante di Lord Byron, Mary Shelley), la teletrasmissione del suono (un modello funzionante del telefono di Antonio Meucci, di tipo meccanico e non ancora elettrico, è presente al Teatro della Pergola a Firenze), le invenzioni di Nikola Tesla – dobbiamo arrivare al 1965, anno in cui Ronald Melzack e Patrick D. Wall pubblicano l’articolo “Pain Mechanism: a new theory”, (4) in cui vengono integrate le due precedenti teorie citate all’inizio, ovvero quella “specificista” di von Frey (totalmente hardware) e la “pattern theory” (che potremmo definire software) di Goldscheider, fino ad allora ritenute inconciliabili. Per la prima volta viene visualizzato, in forma di circuito elettronico, il funzionamento delle lamine midollari di Rexed, e nello specifico della lamina II (o Sostanza Gelatinosa di Rolando, gelatinosa in quanto contenente fibre amieliniche o scarsamente mielinizzate, C ed A-delta), che agirebbe da vero e proprio gateway (simile a quello telematico) fra la rete neuronale midollare e quella talamica. La loro teoria, empiricamente esperibile (ad esempio tramite la stimolazione elettrica antalgica transcutanea, conosciuta al grande pubblico come TENS) ma ancora non totalmente dimostrata (5), venne da loro definita Gate Control theory (GCT) e prevede che se uno stimolo nocicettivo, per esempio proveniente dalla cute, arriva nella lamina II per poi essere instradato al talamo attraverso il fascio spinotalamico (Antero-Lateral System, ALS), una rete totalmente separata (quella dei meccanocettori trasdotti dalle fibre A-beta tramite il fascicolo gracile e cuneato ed il sistema del lemnisco mediale o MLP) può interferire con la rete ALS, inibendo la trasmissione dello stimolo doloroso ai centri superiori.

Questo vuol dire che se sbattiamo un piede contro uno spigolo, il fatto di toccare o massaggiare la parte può essere di sollievo. Ciò che avviene, secondo la GCT, è che lo stimolo doloroso tenta di essere instradato nel fascio ALS al fine di raggiungere il talamo, venendo però inibito da piccole collaterali delle fibre MLP che vanno a saturare il segnale nella lamina II, cosicché il fascio ALS non abbia sufficiente “banda” per trasmettere verso l’alto. 

Tuttavia, è verosimile che questo meccanismo ci permetta di non avvertire il dolore che, in assenza di Gate Control, potrebbe essere insopportabile anche solo in presenza di stimoli nocicettivi molto lievi. In altre parole, l'importanza delle fibre A-beta e delle connessioni della rete DC-MLP (normalmente non deputate alla trasmissione del dolore), delle loro collaterali, e dell'influenza "piratesca" nella lamina II di Rexed e quindi nella rete ALS, avrebbero il fondamentale ruolo di non farci sentire dolore per il solo fatto di condurre una normale vita quotidiana con i suoi piccoli imprevisti (7).

Intorno agli anni '70-'80 del secolo scorso, tuttavia, la comprensione di come il sistema nervoso potesse trasformarsi in hacker contro la percezione del dolore divenne ancora più chiara. In quegli anni venivano descritti i modelli di rete ISO/OSI, oltre che il protocollo di comunicazione a pacchetto TCP/IP che è alla base di Internet. Si scoprì la funzione della "sottorete" spino-mesencefalica (SMT), ovvero di una connessione fra la rete neuronale ALS e quella PVG e strutture a cascata sottostanti (PAG, Locus Coeruleus, e via scendendo al nucleo peri-giganto-cellulare, ed ancora giù verso la ormai famosa lamina II). 
 
Il nostro sistema nervoso centrale quindi, in presenza di uno stimolo doloroso (o anche - addirittura - solo potenzialmente doloroso), non solo cerca di non farlo salire verso i centri superiori (tramite il Gate Control originato dalla interferenza della rete DC-MLP su quella ALS), ma cerca anche di spingerlo "verso il basso", prima ancora che diventi cosciente, tramite l'interferenza della stessa rete ALS con i nuclei mesencefalici (SMT) che, tramite la produzione di sostanze che includono le endorfine, va a "bloccare" il treno di segnali dolorosi che dalla rete ALS cerca di risalire verso il cervello. Il sistema antalgico ascendente (Gate Control scoperto nel 1965) e quello discendente, in sintesi, vanno a far sì che il "server" Lamina II di Rexed non riesca più a trasmettere. 

Un corrispettivo informatico è successo nel febbraio del 2000, quando i siti web di CNN, Amazon, Yahoo ed eBay furono messi temporaneamente fuori uso da un attacco hacker definito Denial of Service (DoS) (6). Diversamente dagli attacchi alla privacy, dove qualcuno tenta di ottenere informazioni e accesso a sistemi per i quali non si abbia autorizzazione, il DoS è un attacco che inibisce la fruizione delle informazioni a chi ne abbia legittimo diritto (ad esempio, i fruitori di un sito web, appunto), bombardando il server in modo che venga saturata la sua capacità (in termini di CPU, di banda, ecc.) di trasmettere. Da un punto di vista schematico, l’attacco DoS assomiglia molto alla Gate Control Theory, sebbene in quest’ultimo caso sia lo stesso sistema nervoso a cercare di hackerare la trasmissione del dolore. 

 

Bibliografia

1) Descartes R. “L’Homme” (Paris, 1644), M. Foster, transl., in Lecture on the History of Physiology during the 16th, 17th and 18th Centuries (Cambridge University Press, Cambridge, England, 1901).

2) Goldscheider A. Ueber den Schmerz in physiologischer und klinischer Hinsicht (Hirshwald, Berlin, 1894).

3) Baum J. The calculating passion of Ada Byron, Londra, Archon Books, 1986

4) Melzack R, Wall PD. Pain Mechanism: a new theory. Science, 1965; 150(3699):971-9

5) Rappresentazione centrale del dolore e dell’analgesia: teoria del cancello. in:  Kandel ER, Schwatz JH. Principi di Neuroscienze, II ed. New York: Elsevier Science Publishing; 1985: 353-4.

6) Sicurezza delle reti: problema aperto: Attacchi di tipo “Denial of Serivce”. In: Peterson LL, Bruce SD. Reti di calcolatori. Milano: Apogeo; 2004: 545-5.

7) Djouhri L, Lawson SN. Abeta-fiber nociceptive primary afferent neurons: a review of incidence and properties in relation to other afferent A-fiber neurons in mammals. Brain Res Brain Res Rev. 2004 Oct;46(2):131-45.

19 dicembre 2018