Appunti completi e dettagliati di tutte le lezioni di Neuroscienze

Neuroscienze

Il nostro sistema nervoso svolge la funzione di interfaccia con il mondo esterno, interpretando attivamente la realtà per poi inviare le informazioni al cervello che reagisce allo stimolo.

Evoluzione del sistema nervoso

Si parte dai primi organismi viventi invertebrati, organismi unicellulari molto semplici, dove le cellule non sono differenziate e non svolgono compiti diversi.

Con la comparsa dei primi organismi pluricellulari si ha una specializzazione delle cellule:

• Spugne pluricellulari che sono ancorate all'ambiente circostante (non hanno capacità di movimento) e non hanno neuroni.
• Meduse, compaiono i primi elementi contrattili e quindi si osservano i primi movimenti (vantaggio evolutivo, si può scappare dai predatori e si può cercare ambiente migliore e cibo), compaiono le prime cellule che elaborano ciò che accade all'esterno (prima interfaccia sensoriale) e sono in contatto con gli elementi contrattili attraverso piccoli neuroni primordiali.
• Platelminti (verme solitario) le cellule del sistema nervoso iniziano ad avvicinarsi per scambiarsi più facilmente le informazioni e a formare degli ammassi di neuroni chiamati gangli che si aggregano nella porzione anteriore del corpo. Le cellule nervose si diramano, formando i cordoni nervosi, per prendere contatto con tutto il corpo.
• Insetti e molluschi in cui le cellule nervose si specializzano formando veri e propri organi sensoriali. Compaiono quindi gli occhi, il sistema gustativo e il sistema olfattivo.

Con la comparsa dei Vertebrati i neuroni si aggregano sempre di più nella parte anteriore dando origine all'encefalo, mentre il cordone nervoso, che controlla le cellule periferiche del corpo, dà vita al midollo spinale che si prolunga nella schiena e controlla il corpo e i movimenti. Il sistema nervoso è protetto da ossa (cranio e spina dorsale).

Andando avanti con l'evoluzione, l'encefalo aumenta di volume e dimensione. Anni fa si pensava che questo maggior volume fosse associato a funzioni più complesse e sofisticate che caratterizzano l'essere umano, ma erano tutte ipotesi sbagliate, in quanto l'aumento del volume del cervello è correlato con l'aumento del peso e delle dimensioni del corpo.

Nei mammiferi: oltre a strutture sensoriali e motorie compaiono regioni associative utili per creare una rappresentazione unitaria del mondo. Altre strutture (es. amigdala) servono ad attribuire un significato emotivo agli stimoli sensoriali. Con l'aumento della connettività cerebrale il nostro neurone si collega ad un numero sempre maggiore di neuroni, diventando altamente interconnessi e integrando tutte le informazioni che ricevono da tutte le parti del cervello.

Elementi del sistema nervoso

Il cervello è formato da due famiglie principali: neuroni e cellule gliali.

Cellule gliali

Svolgono una funzione di sostegno del cervello in quanto mantengono i neuroni fermi e sono di sostegno ai neuroni (funzione meccanica). Svolgono una funzione metabolica producendo le sostanze necessarie per il corretto funzionamento dei neuroni. Inoltre, prendono gli scarti dei neuroni e li distruggono. Alcune cellule gliali regolano lo sviluppo del nostro cervello, già nelle prime settimane (feto). Inoltre, le cellule gliali formano la guaina mielinica che serve ad aumentare la velocità di conduzione degli impulsi elettrici e quindi di diffusione delle informazioni, ed è formata in particolare da oligodendrociti e cellule di Schwann.

Le cellule gliali sono divise in due tipologie:

• Astrociti: si trovano nel SNC e nel SNP; devono il nome ai prolungamenti che ricordano quelli di una stella e partecipano al riassorbimento e alla produzione di sostanze nutritive per i neuroni. Infatti, con i prolungamenti vanno a contattare fisicamente i vasi sanguigni prendendo delle sostanze (ossigeno, glucosio) che servono ai neuroni. Inoltre, formando la barriera ematica che filtra il sangue che arriva al cervello, proteggono i neuroni da sostanze nocive che possono danneggiarli; facilitano invece il passaggio di sostanze utili (per es. glucosio) che servono al nostro cervello. In alcune zone la barriera è meno selettiva per permettere ai neuroni di conoscere la composizione del sangue, controllando quindi il nostro ambiente interno (ormoni e sostanze presenti nel sangue) e parti del cervello. Tuttavia, è anche uno svantaggio, perché alcuni batteri riescono a superare la barriera.
• Oligodendrociti: si trovano nel SNC e avvolgono i neuroni mettendoli in contatto (uniscono più neuroni).
• Cellule di Schwann: si trovano nel SNP e si avvolgono attorno ad un unico neurone.

Neuroni

Nel neurone le informazioni viaggiano in una direzione specifica: Dendriti → Soma → Assone: principio di polarizzazione dinamica. Sono formati da diverse parti:

• Dendriti: hanno una struttura ad albero ed è il punto in cui il neurone riceve le informazioni e le trasforma in correnti elettriche. Esse sono estremamente plastiche, cioè, si formano e vengono eliminate continuamente. Il numero di fibre che un neurone riceve indica il grado di convergenza.
• Corpo cellulare: chiamato anche soma, riceve le informazioni dai dendriti e le integra tra loro processandole. Contiene il DNA del neurone e l'espressione genica viene modificata in base agli stimoli che riceve il neurone.
• Assone: prolungamento del neurone in cui viaggiano i comandi che vengono inviati dal soma verso la struttura bersaglio. Nei neuroni c'è un solo assone. Sono avvolti da guaina mielinica. Secondo il principio della specificità delle connessioni le cellule nervose non si connettono a caso, ma ciascuna forma connessioni solo con determinate cellule bersaglio e non con altre. Nella parte finale perdono la guaina mielinica e si legano alla struttura bersaglio attraverso le sinapsi. Inizialmente si pensava fossero qualcosa di statico, poi si è visto che in pochissimo tempo vengono eliminate e si formano nuovi contatti sinaptici a seconda delle esperienze.

Tutto l'interno del neurone presenta un'impalcatura (citoscheletro) necessaria per tenere la forma e di supporto (funzione meccanica) e per altre funzioni, come regolare il metabolismo.

I neuroni sono formati da una membrana cellulare che ne definisce il contorno. La membrana cellulare è formata da molecole (fosfolipidi), che sono formate da due parti: la coda, formata da parte lipidica (grassi), è apolare, cioè non ha cariche elettriche; la testa, formata da gruppi fosforici, è polare, cioè, caricata elettricamente.

I fosfolipidi, nel formare la membrana, si dispongono su due strati, coda-coda, così da avere le teste polari verso l'interno e verso l'esterno. La membrana neuronale viene definita semipermeabile dato che i fosfolipidi hanno il compito di regolare il passaggio delle sostanze nella membrana che poi raggiungono la cellula. Non tutte le sostanze possono attraversare la membrana; di solito a farlo sono sostanze neutre (prive di carica elettrica) e di piccole dimensioni.

Quando devono attraversare molecole di grandi dimensioni o cariche elettricamente, la cellula si serve di strutture altamente specifiche formate da alcune proteine di membrana che si legano alla sostanza e la portano all'interno. Queste proteine attraversano completamente la membrana, nella parte esterna hanno un “sito di legame” specifico, perché lì si legherà una molecola specifica che attiverà la proteina (un po’ come una serratura che ha bisogno della chiave adatta).

Quando la molecola si lega al sito di legame, la struttura della proteina cambia, avviene cioè una modulazione allosterica, così facendo la proteina può far passare la molecola all’interno. Questo tipo di proteine possono essere:

• Proteine trasportatrici: si occupano principalmente di molecole di grandi dimensioni (es. per glucosio). La molecola arriva, si lega al trasportatore che cambia la sua struttura e lo fa passare all’interno.
• Proteine canale: si occupano principalmente di sostanze cariche elettricamente. Al proprio interno contengono un canale che, a seconda dello stimolo che può arrivare, si apre. All’interno del canale c’è un filtro di selettività, quindi, passano solo alcune sostanze. Gli stimoli che fanno aprire le proteine possono essere:
  • Chimici e sono detti “proteine-canale a porta chimica”
  • Di natura elettrica e sono detti “proteine-canale a porta elettrica”
  • A variazione di temperatura oppure con stimolo meccanico

Fisicamente la forza che regola il passaggio delle sostanze attraverso la membrana è il flusso di diffusione nelle molecole si muovono una indipendentemente dall’altra, l’elemento chiave che regola la direzione del flusso è dato dalla concentrazione delle molecole.

Si parla di trasporto passivo quando il movimento avviene secondo gradiente di concentrazione, e quindi non viene utilizzata ATP. Ci sono tre diversi tipi di diffusione:

• Diffusione semplice: le molecole passano da dove sono più concentrate a dove sono meno concentrate.
• Diffusione facilitata: le molecole passano da dove c’è un alto gradiente di concentrazione a dove ce n’è poco. Ma in questo caso la molecola fa fatica ad attraversare la membrana, e quindi intervengono i trasportatori e per questo motivo è detta “facilitata”. Non c’è consumo di energia. Ogni neurone ha un numero limitato di proteine, quando arrivano tante molecole e non ci sono abbastanza trasportatori, le molecole rimangono fuori e quindi il flusso si interrompe.

Si parla di trasporto attivo quando si lavora contro il gradiente di concentrazione, viene utilizzata ATP: Le molecole passano da dove c’è una bassa concentrazione a dove ce n’è molta attraverso le “pompe metaboliche” che pompano le molecole da dove ce ne sono poche a dove ce ne sono tante.

Classificazione dei neuroni

In base al numero di prolungamenti che si originano dal soma:

• Neurone unipolare: è il più antico di tutti, molto rudimentale, da lì fuoriesce un unico prolungamento.
• Neurone bipolare: hanno due prolungamenti.
• Neurone pseudounipolare (detto a T): ha il corpo cellulare con un prolungamento, ma subito esso si dirama e se ne forma un altro.
• Neurone multipolare: hanno più prolungamenti.

A seconda delle funzioni: Neuroni sensoriali, motoneuroni.

In base alla localizzazione del soma e degli assoni e di come si comportano i neuroni:

• Interneuroni: svolgono tutti i loro compiti all'interno della struttura in cui si trovano. Possiedono assoni più corti che non si allontanano dal corpo cellulare.
• Neuroni a proiezione: dendriti e soma sono nella corteccia, ma poi l'assone porta fuori le info.

La trasmissione delle informazioni all'interno del neurone avviene tramite flussi di corrente elettrica: il neurone riesce a generare queste correnti partendo dal fatto che a riposo è caricato elettricamente, cioè la membrana che avvolge tutto il neurone separa delle cariche tra esterno e interno del neurone. Le cariche elettriche presenti all'interno e all'esterno del neurone sono date dagli ioni (ovvero atomi o molecole che portano una carica).

I principali ioni presenti sono:

• Ione sodio → Na+
• Ione potassio → K+
• Ione calcio → Ca²⁺
• Ione cloro → Cl-
• Anioni proteici → A-

Fuori dal neurone c’è tanto sodio, tanto cloro e tanto calcio; dentro c'è tanto ione potassio e tanti anioni proteici. La differenza di carica presente tra l'interno e l'esterno della membrana del neurone viene definita differenza di potenziale, e determina il potenziale di membrana del neurone (Vm). Il potenziale si misura in Volt (V) e questo potenziale elettrico della membrana neuronale a riposo è detto potenziale di membrana di riposo. La differenza di concentrazione di ioni è creata e mantenuta dalle pompe metaboliche che, operando contro il gradiente di concentrazione (trasporto attivo): ci sono diverse pompe, la più diffusa è la pompa sodio-potassio. Sodio e potassio sono carichi positivamente quindi normalmente non potrebbero attraversare la membrana. La pompa metabolica lega lo ione sodio da dentro il neurone, cambia la propria struttura e poi lo butta fuori, prende il potassio da fuori, cambia la struttura e lo porta dentro. Il funzionamento dei neuroni si basa su queste pompe.

Gli ioni possono attraversare la membrana solo attraverso delle proteine canale, dette “canali ionici”. Ci sono diversi canali, ognuno per ioni diversi.

Se apriamo un canale ionico, gli ioni si muoveranno secondo gradiente di concentrazione, modificando quindi la differenza di potenziale tra interno ed esterno. Quindi si generano due flussi: secondo gradiente di concentrazione in cui gli ioni si muovono da dove sono più concentrati verso dove lo sono meno; secondo gradiente elettrico in cui gli ioni, spostandosi, modificano la carica interna ed esterna. Questa modifica di carica tende ad attrarre gli ioni di carica opposta che si sono spostati con il flusso secondo gradiente, in quanto le cariche opposte si attraggono. Con l'apertura di canali ionici, gli ioni cercano di raggiungere l'equilibrio elettrochimico che si ha solo quando i due flussi si eguagliano.

• Nel caso del potassio, con l'apertura di un canale ionico, tenderà ad uscire dal neurone in quanto all'esterno la sua concentrazione è minore. Man mano che esce, l'interno del neurone diventa sempre più negativo (dato che lo ione potassio è K+ positivo) mentre l’esterno diventerà sempre più positivo; Nello stesso momento, si genera un gradiente elettrico, l’interno diventando sempre più negativo, attrarrà le cariche positive esterne, ovvero il potassio che sta uscendo. Raggiungiamo l’equilibrio quando il numero di cariche che escono e il numero di cariche che entrano è esattamente lo stesso. Per quanto riguarda il potassio, l'equilibrio viene raggiunto quando avrà portato l'interno del neurone ad un potenziale di -90 mV.
• Nel caso del sodio, essendo più concentrato fuori, all' apertura di un canale ionico, tenderà ad entrare dentro portandosi dietro una carica positiva; quindi, l'interno diventa sempre più positivo e l'esterno sempre più negativo. Di conseguenza, per raggiungere l’equilibrio delle cariche positive saranno riportate fuori dal gradiente elettrico. Il sodio raggiunge il suo equilibrio a +55mV.

Nel neurone a riposo ci sono alcuni canali per il sodio aperti e alcuni del potassio aperti sempre chiamati canali passivi. Solitamente però abbiamo un numero di canali per il potassio maggiore rispetto al numero di canali per il sodio. Per questa ragione il potenziale di membrana a riposo è più vicino al potenziale di equilibrio del potassio, invece che del sodio. L'equilibrio a riposo del neurone è -70 mV.

Il neurone può ricevere vari tipi di stimoli che lo attiveranno: Stimoli sensoriali (meccanici, termici, luminosi, chimici…), neurotrasmettitori. Ogni volta che arriva uno stimolo, quest’ultimo apre un canale ionico. Il neurone riesce a trasformare gli stimoli esterni che riceve, in corrente elettrica attraverso l'attivazione e l'apertura di vari canali ionici. In base ai tipi di canali ionici che verranno attivati, il neurone reagirà in maniera diversa:

• Quando si apre il canale per lo ione sodio, il sodio, maggiormente concentrato fuori, entra dentro e, essendo carico positivamente, rende l'interno del neurone più positivo. Ciò significa che da -70 (stato di equilibrio) diventerà sempre più positivo. Quando un neurone diventa più positivo avviene una depolarizzazione (avviene non solo quando entra il sodio, ma anche quando entra il calcio). Dopodiché, il canale ionico si chiude, a questo punto le pompe metaboliche portano fuori tutto il sodio contro il gradiente di concentrazione. Il neurone torna ad un equilibrio di riposo grazie alle pompe metaboliche.
• Quando si aprono i canali per il potassio, essendo molto concentrato dentro, gli ioni potassio escono con carica positiva, quindi il neurone diventa sempre più negativo, perché escono cariche positive. In questo caso si ha una iperpolarizzazione, cioè l'interno del neurone diventa sempre più negativo.
• Quando si aprono i canali per lo ione cloro, il cloro essendo concentrato maggiormente all’esterno, entrerà nel neurone che, partendo da -70, diventa sempre meno carico, avviene l’iperpolarizzazione.

Maggiore è l'intensità dello stimolo, maggiore sarà il numero di canali che verranno aperti e di conseguenza sarà maggiore anche l'ampiezza della corrente elettrica. Quindi depolarizzazione e iperpolarizzazioni possono avere ampiezza variabile. Un'altra caratteristica che possiede la corrente generata in un neurone è che due correnti vicine dello stesso segno possono mettersi insieme, sommarsi, per generare una corrente più ampia. Se le correnti hanno due segni diversi (una è iperpolarizzata e una depolarizzata) si sottraggono tra loro. Una volta innescata una corrente elettrica, questa tende a propagarsi nelle zone vicine all’interno del neurone e man mano che la corrente si sposta lungo il neurone andrà incontro a degli ostacoli chiamati resistenze. In particolare, abbiamo una resistenza dovuta al fatto che il neurone, essendo una cellula, è dotato di citoplasma, una sostanza gelatinosa che si pone come ostacolo all’interno, viene definita resistenza interna (Ri); e una resistenza dovuta alla presenza di canali ionici che, quando si aprono, tendono a far uscire alcuni ioni, quindi la corrente man mano che va avanti si disperde sempre di più, diventando sempre minore. Questa viene definita resistenza di membrana (Rm). Quando la corrente elettrica incontra le resistenze diventa via via sempre più piccola.