Appunti esame Neurobiologia Comparata

Neurobiologia e neuroscienze

La neurobiologia fa riferimento a funzione, sviluppo, organizzazione cellulare del sistema nervoso, mentre le neuroscienze (termine più generico) sono le scienze che studiano il sistema nervoso.

Domande generali della neurobiologia comparata

Domande generali della neurobiologia comparata (approcci multidisciplinari): si è evoluto l’encefalo durante la filogenesi?

Evoluzione dell'encefalo

1) Come

Questa domanda si può affrontare attraverso differenti approcci (multidisciplinari), come la paleoneurobiologia, lo studio cioè degli encefali fossili o dei calchi delle teche craniche (naturali o artificiali, chiamati endocasts) di estinti vertebrati, che permettono di stimare i caratteri e il tempo per l’evoluzione dell’encefalo. Può essere utilizzata anche la necessaria neuroanatomia comparata, cioè si confrontano le strutture (macroscopiche e microscopiche) e le funzioni neuroanatomiche.

Ontogenesi degli encefali

2) Come sono costruiti diversamente gli encefali durante l’ontogenesi? Come è l’organizzazione anatomica degli encefali maturi e come possono essere comparati (omologia VS analogia)?

Funzionamento degli encefali

3) Come lavorano funzionalmente gli encefali per completare le loro funzioni di sopravvivenza e successo riproduttivo?

Modelli semplificati in biologia generale

Uno degli approcci, applicato in biologia generale, è quello di utilizzare modelli semplificati per avere informazioni sui processi di base del funzionamento del sistema nervoso.

Studi sul calamaro

Lo studio dell’assone gigante del calamaro, 1 mm di diametro, ha permesso di scoprire il meccanismo di base del potenziale di azione. Per aver scoperto i canali ionici coinvolti e il funzionamento di esso (identico in tutte le cellule nervose e nei neuroni di qualsiasi altro organismo animale), nel ’63 presero il premio Nobel per la fisiologia e la medicina Hodgkin, Huxley e Eccles.

Studio sull'Aplysia californica

Kandel prese il premio Nobel per aver compreso i geni e le proteine prodotte dall’attività genica che sono alla base del processo di apprendimento e di memoria (funzioni cognitive), condivisi con tutti gli animali, studiandoli sulla Aplysia californica.

Studi sulla Drosophila melanogaster

Anche per studiare e comprendere il ruolo dei geni nella modificazione dei comportamenti, nell’apprendimento e nella formazione della memoria sono stati utilizzati modelli di base. Benzer ha lavorato sul modello della Drosophila melanogaster, che da un punto di vista genetico ha solo 4 cromosomi, ha generazioni rapide (15 giorni), e presenta la possibilità di fare mutazioni puntiformi (quindi, permette di vedere effetti rapidi dall’alterazione di geni). Ha studiato dunque mutanti con difetti nell’apprendimento e nella memoria non dichiarativa.

Memoria non dichiarativa

Le forme di memoria non dichiarativa sono correlate a schemi motori quali imparare a nuotare, andare in bicicletta, imparare a conoscere un odore (che rimangono impresse e che migliorano con l’esercizio); in contrapposizione a ciò, le forme di memoria dichiarativa sono quelle che bisogna richiamare rispetto ad alcuni eventi della vita.

Test Morris Water Maze

Un altro esempio di studio è relativo al test “Morris Water Maze”, condotto su Mus musculus (topolini) in una vasca per verificare i loro riferimenti spaziali, cioè per identificare i geni correlati alla capacità di formare memorie spaziali ippocampo-dipendenti. Nella vasca ci sono dei pannelli che prima sono a filo dell’acqua, e una volta che il topo li ha individuati, riuscirà ad arrivarci anche dopo che saranno scesi sotto il pelo dell’acqua, opaca, quindi non più visibili.

Topi knockout

I topi "knockout" (topi geneticamente modificati in cui è soppressa, a scopo di studio, l’espressione di un determinato gene) servono per comprendere il ruolo di un gene nel contesto di una funzione: se un gene viene utilizzato durante lo sviluppo dell’encefalo o lo sviluppo di altri organi, nella vita adulta lo si elimina e si vede quale è la funzione in uno specifico contesto.

Studi sui geni

È stato eliminato il gene che elimina l’ossidasi, enzima che deteriora la D-serina. La presenza della serina offre un aumento di flessibilità cognitiva (aumento della capacità di rispondere velocemente) ai topolini, rendendoli più capaci di rispondere.

Ricerca e applicazioni terapeutiche

"From bench to bedside" è un modo di dire coniato qualche anno fa per sottolineare che alcuni aspetti di ricerca possono essere utilizzati direttamente in cure terapeutiche. Identificare dei geni correlati ad un aumento di risposta a livello neuronale può essere utile in tutte quelle malattie che sono caratterizzate da incapacità di essere flessibili dal punto di vista cognitivo (autismo).

Premi Nobel recenti

Nel 2017 Hall, Rosbash e Young hanno vinto il premio Nobel per la fisiologia e la medicina per il loro lavoro sui ritmi circadiani. Tra i geni coinvolti nella regolazione dei ritmi circadiani hanno scoperto il “period” nella Drosophila.

Nel 2020 Charpentier e Doudna hanno vinto il premio Nobel per la chimica per aver sviluppato il sistema di editing del genoma Crispr/Cas9 che permette di modificare pezzi di materiale genetico con grande precisione, studiando il sistema immunitario di un batterio Streptococcus. Hanno scoperto uno strumento molecolare che può essere utilizzato per effettuare incisioni precise nel materiale genetico, rendendo possibile cambiare facilmente il codice della vita.

Sviluppo del sistema nervoso nei primati e negli esseri umani

Nei primati e nell’uomo c’è un grande sviluppo della regione della neocorteccia; si è sempre data poca importanza all’olfatto, nonostante non sia così. Ciò che è vero è che il rapporto tra dimensioni del bulbo olfattivo e dimensioni della neocorteccia è molto differente rispetto a quello che si potrebbe identificare nei roditori o nei gatti, animali macrosmatici (utilizzano molto l’olfatto per analizzare il territorio circostante), mentre noi primati siamo microsmatici (grande utilizzo degli occhi). Vero è inoltre che le informazioni sensoriali e gli organi di senso vengono utilizzati in toto ed integrati per dare l’immagine migliore possibile dell’ambiente che si frequenta.

Struttura e organizzazione del sistema nervoso centrale

Il sistema nervoso è l’organo più complesso dei vertebrati (ma anche di moltissimi invertebrati) e i numeri cellulari sono difficilmente percepibili: decine di miliardi di neuroni, di altre categorie cellulari come le cellule della glia che sono cinque volte tanto il numero dei neuroni. Gli elementi cellulari che costituiscono il sistema nervoso, in particolare il sistema nervoso centrale (rappresentato da encefalo e midollo spinale) raggiungono numeri difficilmente percepibili.

Questo è un disegno di Golgi (istologo) che mostra la struttura e l’organizzazione del SNC, in particolare del bulbo olfattivo. Si tratta di un’organizzazione condivisa in tutti i vertebrati, organizzazione messa a punto nel progenitore ancestrale che è rimasta come struttura di base.

In periferia sono indicati quelli che sono gli assoni dei neuroni sensoriali: dal punto di vista sensoriale (dell’olfatto) noi abbiamo una mucosa olfattiva che presenta dei veri e propri neuroni con un terminale dendritico (segmento ricevente) che aggetta nella mucosa nasale e che raccoglie molecole che si sciolgono nel muco nasale (informazione di tipo chimico); poi questi neuroni mandano un assone molto lungo che si organizza a formare il primo nervo cranico (il nervo olfattivo) che raggiunge il bulbo olfattivo (prima stazione del SNC dedicata all’olfatto).

In alto sono disegnati i terminali olfattivi che raggiungono delle strutture sferoidali che prendono il nome di glomeruli olfattivi, dove quindi i neuroni olfattivi entrano in contatto con quelle che sono le due categorie di cellule principali del sistema nervoso. La prima è quella delle cellule mitrali (disegnate grosse) del bulbo olfattivo, che sono i cosiddetti neuroni di proiezione, che raccolgono informazioni e le mandano ad altre cellule. L’attività di proiezione di questi neuroni viene regolata dall’altra categoria di cellule nervose, ovvero gli interneuroni (disegnate piccole al centro): questi sono cellule che inibiscono, regolano l’attività di trasferimento dell’informazione da parte dei neuroni di proiezione inibendo i neuroni di proiezione stessi. La stragrande maggioranza di interneuroni esprimono il GABA (acido gamma-amminobutirrico), neurotrasmettitore inibente.

Organizzazione del SNC

Nella porzione dorsale viene rappresentato il sistema di canali e ventricoli presenti nell’encefalo. Infatti, all’interno dell’encefalo e del midollo spinale ci sono dei canali che nell’encefalo prendono il nome di ventricoli. Questi contengono il liquido cerebrospinale, costituito da un mix di ormoni e fattori di crescita, di sostanze che vengono veicolate (attraverso questo sistema) in diverse regioni dell’encefalo e che svolgono funzioni fondamentali per il funzionamento del tessuto nervoso.

Nella porzione dorsale il SNC è avvolto da guaine di collettivo chiamate meningi (dall’esterno dura madre, aracnoide, pia madre), che isolano in modo piuttosto efficiente il SNC dal resto dell’organismo.

Il tessuto nervoso extracellulare, o neuropilo del tessuto nervoso, (nel disegno indicato in azzurrino) è piuttosto compatto e denso e ricco di fibre nervose di diversa natura.

Letto vascolare e barriera ematoencefalica

Il letto vascolare presente nel SNC è molto esteso perché il SNC, sebbene rappresenti il 2% del peso complessivo del corpo, consuma il 20% del fabbisogno energetico a riposo, quindi è un sistema di un tessuto che da un punto di vista energetico e metabolico ha bisogno di molto glucosio e di fare molti scambi gassosi. Il letto vascolare permette degli scambi gassosi e apporto di glucosio; inoltre permette degli scambi specifici (gas, zucchero, amminoacidi), cioè è uno scambio selettivo perché il SN deve essere protetto. La stragrande maggioranza del SNC, eccetto alcune regioni, presenta la barriera ematoencefalica, sistema e filtro selettivo che impedisce a patogeni e molecole di grandi dimensioni di passare e raggiungere il SNC.

La barriera ematoencefalica, sebbene necessaria per preservare il tessuto nervoso, è un ostacolo anche per il passaggio di farmaci. Una delle vie più utilizzate per farli passare al SNC è la via nasale, mentre alcune sostanze liposolubili (alcol, caffeina, cocaina) permeano velocemente la barriera. Si cerca ormai di far passare molti farmaci dal bulbo olfattivo; gli spray nasali (decongestionanti) passano velocemente e non si sa cosa producano nel SNC, quindi sarebbe meglio evitarli.

La barriera ematoencefalica è formata dai pedicelli di una delle categorie di cellule nervose presenti nel sistema nervoso, ovvero gli astrociti, che formano con questi lunghi processi che avvolgono i capillari la barriera encefalica. Gli astrociti venivano definiti cellule di supporto e fanno parte delle cellule gliali; fanno parte di queste cellule gliali nel SNC anche gli oligodendrociti, importanti dal punto di vista funzionale e anche per le patologie che sono prodotte (per esempio, sclerosi multipla) perché gli oligo sono coinvolti nella formazione delle guaine mieliniche che avvolgono gli assoni nervosi e facilitano la conduzione del potenziale sinaptico. Un’alterazione di questa categoria di cellule è coinvolta nelle patologie per cui le cellule perdono la loro facoltà di avvolgere i segmenti conducenti dei neuroni e quindi si hanno perdite di funzioni.

Altre categorie di cellule gliali sono le cellule della microglia, che svolgono la funzione di sorveglianza immunitaria.

Cellule ependimali e loro funzione

Ci sono poi le cellule ependimali, sempre incluse in quelle gliali (neuroglia), che tappezzano le cavità interne: l’ependima avvolge i ventricoli e la cavità del canale centrale del midollo spinale. Sono cellule che funzionano come filtri selettivi nei confronti questa volta del liquido cerebrospinale che è presente e circola all’interno del sistema canalicolare del SNC. Sono dotate di ciglia; le cellule caratteristiche della zona ipotalamica, taniciti, sono cellule ependimali che aggettano nel terzo ventricolo, in corrispondenza della zona ipotalamica, che mediano e raccolgono secreti di diversa natura, sia dal liquido cerebrospinale verso il SNC, sia dai capillari del SNC, costituendo una via di comunicazione, interazione e secrezione di ormoni.

L’ipotalamo è una delle poche regioni che manca di barriera ematoencefalica, proprio perché deve permettere il passaggio di questi neuro-ormoni.

Struttura dei neuroni

In tutti i neuroni si riscontrano le tre porzioni di base: porzione dendritica (segmento ricevente), da cui l’informazione viaggia in direzione centripeta verso il soma (corpo cellulare), da cui emerge l’assone (segmento conducente) in cui l’informazione viaggia verso il bersaglio in senso centrifugo.

Alcuni neuroni hanno un’ampia porzione dendritica, da cui deriva la capacità di interagire con molti altri neuroni: ciascun neurone è in grado di creare decine di migliaia di contatti. Gli interneuroni sono fondamentali per regolare l’attività di questa integrazione e per la formazione del segnale in uscita. Alcuni interneuroni lavorano solo con dendriti (mancano dunque di assoni), per esempio i granuli del bulbo olfattivo, cellule dendritiche che regolano l’attività dei neuroni di proiezione tramite il rilascio in corrispondenza dei dendriti di neurotrasmettitori inibitori.

Funzionamento di base del sistema nervoso

Si forma, attraverso un sistema di canali ionici, un movimento di cariche che porta alla formazione del potenziale d’azione, nel momento in cui si ha una depolarizzazione sufficiente. Il potenziale di azione, che si forma alla base dell’emergenza dell’assone, culmina con la liberazione di neurotrasmettitore in corrispondenza delle sinapsi.

Le sinapsi chimiche sono zone virtuali (perché molto addossate) dove il terminale nervoso rilascia il neurotrasmettitore che viene accumulato e veicolato all’interno di vescicole che si fondono alla membrana del terminale assonico, entrano nello spazio sinaptico, e nella membrana postsinaptica (nel target del bersaglio dell’assone) questi neurotrasmettitori modulano l’apertura di canali ionici ed eventualmente di creare una nuova depolarizzazione, oppure un’iperpolarizzazione (dipendentemente dalla natura del neurotrasmettitore rilasciato attivano o inibiscono il bersaglio).

La sinapsi elettrica si verifica senza rilascio di neurotrasmettitori; sono comuni negli invertebrati e in alcune regioni del SNC dei vertebrati (anche se in netta minoranza rispetto alle sinapsi chimiche) soprattutto nelle fasi di sviluppo. Per esempio, si ritrovano sinapsi elettriche lì dove è necessario sincronizzare grossi gruppi di neuroni: si formano delle gap junction, canali che permettono il passaggio di ioni in modo che l’informazione elettrica si sposti dalla pre- alla post-sinaptica, quindi si crea continuità elettrica. Questa modalità di scambio di informazione avviene anche a livello di ipotalamo, dove c’è necessità di rilasciare grosse quantità di neuroni da parte dei nuclei ipotalamici (le sinapsi elettriche permettono di sincronizzare l’attività di grossi gruppi di neuroni).

Sono presenti sinapsi elettriche anche a livello intestinale: il sistema enterico (sistema nervoso che tappezza l’intestino) è una regione particolarmente sviluppata di sistema nervoso, oggetto di numerosi studi in correlazione con quella che è la microfauna dell’intestino. La parte del sistema nervoso che regola la peristalsi fa parte del sistema nervoso autonomo, per cui un movimento indipendente dalla nostra volontà: questa attività è strettamente regolata al microbioma e microbiota presente nel nostro intestino, che influenzano non solo la peristalsi ma anche proprio il sistema nervoso centrale (in stretta correlazione con il sistema enterico: sono state scoperte forme di depressione legate proprio al microbioma dell’intestino).

Premio Nobel per la fisiologia e la medicina 2013

Nel 2013 Rothman, Schekman e Sudhof hanno vinto il premio Nobel per la fisiologia e la medicina per aver scoperto il meccanismo con cui il sistema nervoso comunica, il funzionamento delle sinapsi (regolazione del traffico vescicolare, meccanismo generale di trasporto cellulare). Sudhof mette in evidenza in particolare l’importanza delle proteine sensibili al calcio, fondamentale per la contrazione muscolare e per la trasmissione nervosa; dà dunque un ruolo ai canali sensibili al calcio.

Tecniche di immunofluorescenza

Tecniche di immunofluorescenza permettono di identificare tipi diversi di neuroni, e le tre modalità con cui si tenta di classificare i neuroni si basano sulla loro morfologia, sulla loro funzione e sul corredo di neurotrasmettitori che producono e a cui sono sensibili (neurochimica).

Motoneuroni e cellule del Purkinje

Il motoneurone (a), funzionando ad acetilcolina, stimola il movimento dell’effettore, cioè il muscolo: è un classico neurone sensoriale pseudounipolare del ganglio della radice dorsale del midollo spinale. Ha una morfologia molto caratteristica di neuroni posti dorsalmente al midollo spinale, nei gangli del midollo (quindi esterni al sistema nervoso centrale): questi gangli hanno un significato sensoriale, portano informazioni provenienti dall’ambiente esterno o interno verso il SNC. I neuroni sensoriali nascono come bipolari e durante lo sviluppo diventano pseudounipolari, cioè si chiudono ed avranno un ramo diretto verso l’organo sensoriale da cui ricevono l’informazione (segmento dendritico o ricevente), e un ramo che va all’interno del sistema nervoso centrale.

Cellula del Purkinje tipica del cervelletto, riconoscibilissima dal punto di vista morfologico per la grande arborizzazione dendritica.