Cosa può insegnarci la bioelettricità sull’organizzazione del movimento umano?
Quando descriviamo il movimento umano siamo abituati a distinguere livelli differenti: il sistema nervoso controlla, i muscoli producono forza, le articolazioni consentono il movimento, i tessuti connettivi trasmettono e distribuiscono le sollecitazioni.
È una rappresentazione utile. Ma probabilmente non è sufficiente a descrivere la complessità del problema.
Muovere un organismo non significa semplicemente attivare una sequenza di muscoli. Significa coordinare nello spazio e nel tempo un enorme numero di elementi locali affinché emerga un comportamento globale coerente.
Da questo punto di vista, il movimento può essere osservato come una particolare espressione di un problema biologico molto più antico:
come coordinare molte unità locali per costruire, mantenere e modificare l’organizzazione dell’intero sistema?
È una domanda che crea un interessante punto d’incontro tra biologia dello sviluppo, bioelettricità, neuroscienze, Network Science e studio del movimento.
Ed è da questa prospettiva che possiamo provare a rileggere il modello di Organizzazione del Movimento Umano di aNETomy®.
Prima del movimento viene la forma
Nel 2020 Chris Fields, Johanna Bischof e Michael Levin hanno pubblicato sulla rivista Physiology una review dal titolo Morphological Coordination: A Common Ancestral Function Unifying Neural and Non-Neural Signaling.
Gli autori propongono un’ipotesi affascinante: una delle funzioni evolutivamente più antiche da cui sarebbero emersi i sistemi nervosi potrebbe non essere stata inizialmente il controllo del comportamento, ma la coordinazione morfologica a lunga distanza.
Un organismo multicellulare deve infatti risolvere un problema enorme.
Le singole cellule operano localmente, ma il risultato deve essere globale: arti della dimensione appropriata, simmetrie corporee, organi collocati nelle posizioni corrette, crescita coordinata di strutture anche molto distanti tra loro.
La sola attività locale delle cellule non è sempre sufficiente a spiegare questa organizzazione.
Occorre che informazioni relative allo stato di una parte dell’organismo possano influenzare ciò che accade altrove.
Fields, Bischof e Levin propongono quindi di considerare i sistemi di comunicazione bioelettrica e, successivamente, i sistemi nervosi come strumenti attraverso i quali l’evoluzione avrebbe progressivamente aumentato distanza, velocità e precisione della coordinazione biologica.
La bioelettricità non nasce con i neuroni
Uno degli aspetti più interessanti di questa prospettiva riguarda proprio l’origine della comunicazione neurale.
Canali ionici, neurotrasmettitori e numerosi meccanismi di segnalazione cellulare non compaiono improvvisamente con il cervello.
Sono sistemi molto più antichi.
Molte cellule non neuronali utilizzano proprietà elettriche della membrana e segnali chimici per coordinare proliferazione, differenziazione e comportamento cellulare.
Diversi componenti oggi associati alla trasmissione neuronale erano presenti prima dell’evoluzione dei sistemi nervosi propriamente detti.
Il neurone può quindi essere interpretato, nella prospettiva proposta dagli autori, come una specializzazione particolarmente efficiente di una capacità biologica preesistente: trasmettere informazioni in maniera selettiva, rapida e a distanza.
Questo modifica almeno in parte la prospettiva con cui siamo abituati a osservare il rapporto tra sistema nervoso e corpo.
Il sistema nervoso non appare più semplicemente come qualcosa di “aggiunto” al corpo per comandarlo.
Può essere considerato come una sofisticata evoluzione dei sistemi attraverso i quali il corpo coordina se stesso.
Dal morphospace allo spazio del movimento
È probabilmente questo il passaggio del lavoro di Fields e colleghi più interessante per lo studio del movimento.
Gli autori propongono di interpretare le reti bioelettriche come sistemi di controllo capaci di guidare un organismo attraverso uno spazio di stati possibili.
Durante lo sviluppo embrionale, le reti bioelettriche contribuiscono a guidare l’attività cellulare attraverso un morphospace: uno spazio virtuale costituito dalle possibili configurazioni anatomiche che il corpo può assumere.
Durante il comportamento, il sistema nervoso coordina invece l’attività muscolare e il movimento dell’organismo nello spazio fisico.
Gli autori individuano così una suggestiva analogia:
nel primo caso viene controllata una traiettoria della forma; nel secondo una traiettoria del corpo nello spazio.
Nel paper, controllo morfogenetico e comportamento vengono descritti come concettualmente isomorfi: in entrambi i casi una rete coordina l’attività di molte unità all’interno di uno spazio di possibilità affinché il sistema possa raggiungere risultati adattativi.
Questo non significa che morfogenesi e movimento siano lo stesso fenomeno.
Significa però che possono condividere un problema organizzativo fondamentale:
coordinare molte unità locali affinché il sistema raggiunga una configurazione globale compatibile con un determinato obiettivo.
Ed è qui che questa prospettiva incontra aNETomy®.
Il movimento come problema di coordinazione
Un movimento non è semplicemente la somma delle azioni dei singoli muscoli.
Pensiamo al cammino.
Non esiste un singolo muscolo che “produce” la marcia.
Esistono molteplici eventi distribuiti nel tempo e nello spazio: oscillazioni articolari, variazioni di tensione, trasferimenti di carico, attivazioni muscolari, informazioni sensoriali, controllo dell’equilibrio, interazioni con il terreno e continui aggiustamenti.
Eppure da questa molteplicità emerge un comportamento unitario:
camminare.
Lo stesso vale per afferrare un oggetto, respirare, deglutire o mantenere l’equilibrio.
Il problema diventa allora comprendere come passiamo:
dalle azioni locali → alle strategie coordinate → alla funzione globale
Il modello di Organizzazione del Movimento Umano di aNETomy® nasce proprio dal tentativo di rappresentare queste differenti scale senza ridurre il movimento a una semplice successione lineare di eventi.
Esplora la Mappa dell’Organizzazione del Movimento Umano di aNETomy®
I tre livelli dell’Organizzazione del Movimento Umano
aNETomy® propone di descrivere il movimento attraverso tre livelli funzionali interdipendenti.
Non devono essere interpretati semplicemente come tre piani sovrapposti, né come una rigida gerarchia di comando.
Rappresentano piuttosto tre scale attraverso le quali possiamo osservare lo stesso fenomeno motorio.
LIVELLO 1 — Motivi Originari
Al livello più globale troviamo il motivo dell’azione.
Nel modello aNETomy® vengono individuate alcune macrofunzioni fondamentali:
PRN — PrensioneInterazione con l’ambiente e manipolazione.
MRC — MarciaLocomozione e spostamento nello spazio.
RSP — RespirazioneOrganizzazione della dinamica respiratoria.
DGL — DeglutizioneCoordinazione della funzione deglutitoria.
SNS — SensorialitàAcquisizione e integrazione delle informazioni relative al corpo e all’ambiente.
EQB — EquilibrioOrganizzazione del corpo rispetto alla gravità e alle perturbazioni.
Queste funzioni mettono continuamente l’organismo in relazione con l’ambiente e con le proprie necessità biologiche.
Il punto fondamentale è che il sistema non organizza il movimento semplicemente per produrre una determinata escursione articolare.
Organizza una soluzione per raggiungere uno scopo.
LIVELLO 2 — Strategie Integrate
Tra lo scopo globale e il comportamento delle singole strutture esiste un livello intermedio.
È il livello delle strategie integrate.
Nel modello aNETomy® troviamo, tra le altre:
ATG — Attività Antigravitaria
PRO / SUP — Pronazione / Supinazione
INV / EVR — Inversione / Eversione
ELV / DPR — Elevazione / Depressione
ANT / RET — Antepulsione / Retropulsione
NUT / CNT — Nutazione / Contronutazione
Queste strategie non devono essere considerate semplicemente come movimenti isolati.
Rappresentano configurazioni attraverso le quali più distretti possono partecipare alla costruzione del gesto.
Ed è proprio a questa scala che diventa particolarmente utile pensare in termini di rete.
Perché parlare di Network Science?
Un sistema complesso non deve necessariamente collegare direttamente ogni elemento con tutti gli altri.
Le reti biologiche possono combinare organizzazione locale e comunicazione a distanza attraverso architetture caratterizzate da cluster, percorsi relativamente brevi e nodi che assumono una particolare rilevanza nella comunicazione.
Fields e colleghi discutono, in questo contesto, le Small-World Networks come una possibile architettura efficiente per la coordinazione a lunga distanza.
Una rete small-world combina infatti un’elevata organizzazione locale con percorsi relativamente brevi tra elementi distanti, consentendo una comunicazione efficiente senza richiedere che ogni elemento sia direttamente collegato a tutti gli altri.
Questo non dimostra che la rete anatomico-funzionale descritta da aNETomy® coincida con le reti considerate da Fields e colleghi.
Suggerisce però un principio fondamentale:
la funzione globale di un sistema biologico dipende non soltanto dalle sue componenti, ma dall’architettura delle relazioni che le collegano.
Ed è uno dei principi centrali della Network Science applicata all’anatomia.
LIVELLO 3 — Ruoli Locali
Arriviamo infine alla scala locale.
Qui osserviamo ciò che concretamente avviene nei diversi distretti e nei diversi tessuti.
Nel modello aNETomy® vengono considerate sia le direzioni cinematiche sia differenti ruoli funzionali locali.
Tra le direzioni troviamo:
FLX / EXT — Flessione / Estensione
ABD / ADD — Abduzione / Adduzione
RIN / ROT — Rotazione interna / Rotazione esterna
DFL / PFL — Dorsiflessione / Flessione plantare
OPP — Opposizione
CIR — Circonduzione
Accanto alla direzione del movimento possiamo descrivere anche il ruolo assunto localmente dai tessuti:
STB — Stabilizzazione
TRS — Trasmissione
ACT — Attivazione
CMP — Compressione
TNS — Tensione
Il punto fondamentale è che questi eventi non rappresentano unità funzionali isolate.
Acquistano significato in relazione alla strategia alla quale partecipano.
Una flessione, per esempio, non possiede necessariamente lo stesso significato funzionale in ogni situazione.
Dipende da dove avviene, quando avviene, con quali altre azioni è coordinata e quale funzione globale contribuisce a realizzare.
È il passaggio da un’anatomia degli elementi a un’anatomia delle relazioni.
Dove entra la neurodinamica?
Anche il sistema nervoso possiede una dimensione meccanica.
Durante il movimento i nervi periferici devono adattarsi continuamente alle modificazioni della geometria corporea attraverso scorrimento, variazioni di tensione e rapporti meccanici con le strutture circostanti.
La neurodinamica rappresenta quindi un esempio particolarmente interessante di interazione tra scale differenti.
Una struttura altamente specializzata nella trasmissione dell’informazione è contemporaneamente immersa nella realtà meccanica dei tessuti attraverso i quali decorre.
Le sue proprietà meccaniche e la sua meccanosensibilità possono quindi interagire con il comportamento motorio e con l’informazione afferente.
È però importante mantenere distinti i livelli dell’argomentazione.
Il lavoro di Fields, Bischof e Levin non dimostra un collegamento diretto tra bioelettricità morfogenetica, neurodinamica clinica e organizzazione miofasciale.
Questo collegamento rappresenta piuttosto un’area di possibile esplorazione all’interno di una concezione sistemica del movimento.
Distinguere ciò che è dimostrato da ciò che rappresenta un’ipotesi non indebolisce il modello.
Al contrario, definisce le domande sulle quali costruire la ricerca successiva.
Non solo top-down: il movimento emerge dalla rete
Parlare di sistema nervoso come coordinatore non significa tornare all’immagine del cervello come una centralina che impartisce ordini a una periferia passiva.
Il movimento emerge dall’interazione continua tra sistema nervoso, proprietà meccaniche dei tessuti, informazioni sensoriali, vincoli ambientali e stato dell’organismo.
La causalità non è quindi semplicemente lineare.
Possiamo rappresentarla come un circuito:
organizzazione globale → strategie integrate → comportamento locale → modificazione dello stato corporeo → nuove informazioni → riorganizzazione
Il sistema modifica il movimento.
Ma il movimento modifica continuamente lo stato del sistema.
È una relazione circolare, dinamica e adattativa.
Ed è forse proprio qui che il concetto di coordinazione morfologica diventa particolarmente fertile per ripensare l’organizzazione del movimento umano.
Dalla ricerca alla clinica: cambia la domanda
Adottare una prospettiva di rete non significa negare l’importanza delle strutture locali.
Un’articolazione può essere limitata.
Un nervo può diventare meccanosensibile.
Un muscolo può modificare la propria capacità di produrre forza.
Un tessuto può presentare differenti proprietà meccaniche.
La differenza consiste nel non fermarsi necessariamente al livello nel quale osserviamo il fenomeno.
Di fronte a una limitazione, la domanda non è più soltanto:
Quale struttura non funziona?
Possiamo aggiungerne un’altra:
Quale ruolo sta assumendo questa struttura all’interno della strategia utilizzata dall’intero sistema?
E possiamo spingerci ancora oltre:
Questa alterazione rappresenta necessariamente il problema oppure potrebbe essere una soluzione adottata dal sistema per rispondere a un altro vincolo?
Questo passaggio cambia il modo di osservare il movimento.
Non cerchiamo necessariamente un singolo “colpevole”.
Cerchiamo di comprendere l’organizzazione delle relazioni.
Dalla forma alla funzione, dalla funzione alla rete
La proposta di Fields, Bischof e Levin non costituisce una dimostrazione del modello aNETomy®.
E sarebbe scientificamente scorretto presentarla in questo modo.
Offre però qualcosa di forse ancora più interessante: un quadro teorico nel quale forma, informazione, coordinazione e comportamento possono essere osservati come manifestazioni, a scale differenti, di problemi di organizzazione biologica.
La morfogenesi coordina cellule per costruire e mantenere una forma.
Il sistema nervoso coordina attività distribuite per produrre comportamento.
Il movimento umano richiede la coordinazione di strutture, tessuti e informazioni per raggiungere obiettivi all’interno di un ambiente continuamente variabile.
Possiamo allora formulare una domanda che apre, più che chiudere, il problema:
E se forma e movimento fossero due espressioni, su scale temporali differenti, dello stesso principio biologico di coordinazione?
Non abbiamo ancora una risposta definitiva.
Ma è una domanda che consente di guardare al corpo da una prospettiva differente.
Non semplicemente come un insieme di parti comandate da un centro, ma come una rete biologica dinamica nella quale organizzazione locale e globale si condizionano reciprocamente.
È questa la prospettiva che aNETomy® cerca di esplorare:
non soltanto quali strutture compongono il corpo, ma quali relazioni permettono al corpo di funzionare come un sistema.
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La Mappa dell’Organizzazione del Movimento Umano raccoglie i tre livelli del modello, le relative funzioni e gli acronimi utilizzati per descrivere l’organizzazione del movimento.
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Riferimento scientifico
Fields C, Bischof J, Levin M. Morphological Coordination: A Common Ancestral Function Unifying Neural and Non-Neural Signaling. Physiology. 2020;35(1):16–30. doi:10.1152/physiol.00027.2019.