Lo sviluppo del cervello inizia all’incirca verso la terza settimana dopo il concepimento e continua, in parte, per il resto dell’esistenza. Tuttavia, i primi tre anni di vita, costituiscono il periodo critico nello sviluppo del cervello, in quanto la sua grande predisposizione all’apprendimento, lo rende particolarmente vulnerabile. 

La specificazione genica, mediante la produzione delle proteine e la migrazione dei neuroni nei siti di destinazione, guida i processi iniziali dello sviluppo cerebrale e della formazione delle prime connessioni neuronali. Tuttavia, nella fase finale dello sviluppo, affinché i circuiti possano maturare, determinando le diverse espressioni del comportamento, sono indispensabili le esperienze e le interazioni con l’ambiente. 

In altri termini, i geni determinano le potenzialità dei comportamenti, in quanto costruiscono il circuito iniziale, ma è l’esperienza che integra e completa il lavoro espresso dai geni determinando in che modo la potenzialità può esprimersi, per cui se l’esperienza manca, la potenzialità rimane inespressa e la sua funzione non può emergere. 

L’esperienza è in grado di modificare i circuiti neuronali in quanto sono plastici, cioè possiedono la capacità di modificarsi in modo morfologico e funzionale, in quanto ciò che cambia nel circuito neuronale è l’efficacia delle connessioni sinaptiche, che si modificano in risposta ai cambiamenti nell’attività elettrica che l’esperienza induce nel circuito neuronale. Infatti, se un neurone presinaptico si attiva in maniera adeguata, il suo bersaglio postsinaptico e le sue connessioni si potenziano, ciò può anche produrre un aumento nel numero delle connessioni, mentre se il neurone presinaptico non riesce ripetutamente ad attivare il bersaglio postsinaptico, le sue connessioni si indeboliscono e possono addirittura eliminarsi.

L’esperienza si traduce quindi in attività elettrica nell’assone del neurone, mentre il tipo dell’attività elettrica modifica le connessioni, consentendo così all’esperienza di rimodellare e raffinare le connessioni sinaptiche. 

L’esperienza, mediante l’attività elettrica nel neurone, altera la probabilità che una connessione, inizialmente formatesi su base genetica, resti inalterata, si ritrae o si espanda. Questo processo di Rimodellamento, nel raffinare le connessioni sinaptiche, determina la maturazione dei circuiti neuronali. Numerosi sono i fattori che supportano l’esperienza in questo processo, come ad esempio il recettore NMDA che funziona da detettore di attività correlata fra il terminale presinaptico ed il terminale postsinaptico; i Fattori Neurotrofici (NGF, BDNF) che determinano il livello di inibizione del processo (per esempio, regolano la crescita assonale, la trasmissione sinaptica, la plasticità nell’adulto, ecc.); la Protein Chinasi (ERK, PKA) enzima che regola ad esempio le attività di altre proteine e indirettamente le attività delle cellule; i Neuromodulatori (Acetilcolina, Noradrenalina); i Fattori di trascrizione (CREB), ecc. 

Se a causa di un difetto genetico, uno solo di questi fattori manca, l’esperienza non è più in grado di guidare in modo efficiente la maturazione dei circuiti nervosi. L’esperienza quindi agisce entro vincoli genetici. 

Già a livello prenatale, i bambini sono sensibili ad alcuni tipi di esperienze. Per esempio, dal terzo mese di gravidanza il bambino è in grado di udire i suoni provenienti dall’esterno, anche se filtrati ed attenuati dal liquido amniotico e dalla pancia della mamma. Infatti è stato accertato che alla nascita, i bambini mostrano di aver memorizzato alcuni stimoli uditivi, di cui avevano fatto esperienza prima della nascita (ad esempio i neonati preferiscono la voce della mamma rispetto a quella di una donna estranea). Ovviamente l’esperienza più significativa viene fatta dopo la nascita. 

Infatti, l’esperienza affettiva ed emotiva è fondamentale per lo sviluppo del cervello in quanto ad esempio, abbracciare un bambino non è solo una manifestazione affettiva, ma contribuisce anche al suo sviluppo, in quanto l’esperienza tattile condiziona lo sviluppo cerebrale e in particolare modo quello visivo. 

Durante i periodi critici dello sviluppo, la plasticità neuronale è particolarmente adattiva, in quanto serve ad adeguare il bambino all’esperienza e all’ambiente, per cui i circuiti neuronali, per potersi agevolmente modellare, devono essere molto plastici. Tuttavia, questo alto livello di plasticità, se dovesse restare attivo per l’intera esistenza dell’individuo, sarebbe molto pericolosa, in quanto non vi sarebbe stabilità nel cervello. Per questo motivo, la plasticità si attenua con lo sviluppo e di conseguenza l’esperienza diventa meno incisiva nel modificare i circuiti neuronali.

Conseguenza di ciò è che esistono, durante lo sviluppo, particolari finestre temporali entro cui l’esperienza deve agire per consentire una adeguata maturazione dei circuiti neuronali. Queste finestre temporali sono state denominate Periodi critici dello sviluppo. 

Ogni funzione dipende da un particolare circuito ed ogni esperienza ha il suo periodo critico, in quanto i circuiti restano aperti perché non sono ancora maturi (cioè pronti a funzionare in modo adeguato). Se l’esperienza viene a mancare, i periodi critici si allungano (è come se aspettassero l’esperienza), ma questi circuiti non restano aperti per sempre, in quanto trascorso un determinato periodo di tempo, per fattori molecolari e cellulari, i periodi critici comunque si chiudono e se il circuito non si è sviluppato in modo adeguato, la funzione non può esplicarsi nella forma corretta. 

Ciò significa che la potenzialità del circuito non si è espressa e quindi rimane a livello della potenzialità genica. Dopo la chiusura dei periodi critici, anche se viene fornita, l’esperienza non ha più la medesima capacità di modificare il circuito, con le medesime potenzialità che disponeva durante il periodo critico. 

In altri termini, la plasticità durante il periodo critico, offre all’esperienza la possibilità di portare alla maturazione i diversi circuiti neuronali e le loro relative funzioni, in modo da poterle adeguare all’ambiente. Quando i circuiti sono maturi, questo livello di plasticità non è più necessaria, anzi potrebbe generare il caos nel cervello. 

Il sistema neurochimico che comprende il Nucleo Basale e il Sistema dell’attenzione, esercita il controllo della plasticità neuronale, ponendo il cervello in una condizione di estrema flessibilità. Infatti quando svolgiamo un’attività che richiede la contemporanea attivazione di specifici neuroni, questi rilasciano il BDNF (Brain-Derived Neurotropic Factor). Questo fattore contribuisce a consolidare le connessioni tra questi neuroni, in modo da rendere affidabile la loro futura contemporanea attivazione. Inoltre il BDNF promuove anche la crescita di quella sottile guaina mielinica che avvolge ogni neurone e che consente di accelerare la trasmissione dei segnali elettrici nell’assone. 

Durante il periodo critico dello sviluppo il BDNF attiva il nucleo basale, la regione cerebrale che consente di concentrare la nostra attenzione e la mantiene attiva per tutta la durata del periodo critico. Una volta attivato, il nucleo basale consente anche di ricordare le nostre esperienze, favorisce la differenziazione delle mappe cerebrali e fa sì che i cambiamenti si verifichino senza sforzo.