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Componenti cellulari del sistema nervoso

Neuroni

Tutte le cellule del sistema nervoso nascono da cellule staminali rotondeggianti per poi differenziarsi in morfologia in base allo scopo. Le cellule nervose hanno la funzione di creare reti di comunicazione.

I neuroni sono cellule con capacità di dare origine e trasmettere segnali elettrici, organizzati in circuiti anatomici ben definiti che sono alla base dei diversi componenti.

Cellule gliali

Le cellule gliali circondano e sorreggono i neuroni.

Neuriti

Assone e dendriti. Il soma è il corpo cellulare, ogni neurone possiede un solo assone che rappresenta la via del segnale in uscita e i dendriti che sono il segnale in ingresso. La membrana cellulare divide l’ambiente esterno e interno e rappresenta una barriera al libero movimento di ioni.

Nel soma è contenuto il nucleo cellulare con il patrimonio genetico dell’individuo. È presente tutto il meccanismo per la sintesi delle molecole che fanno funzionare le cellule. Inoltre, vi sono presenti i mitocondri.

Membrana cellulare

La membrana è formata da un doppio strato di fosfolipidi, con code non polari idrofobiche all’interno e teste polari idrofiliche verso l'esterno e l'interno della cellula. La membrana è interrotta da proteine intrinseche e di superficie. Gli ioni possono attraversare la membrana solo tramite appositi canali, mentre le molecole apolari e i gas possono liberamente attraversare la membrana.

Sintesi proteica

Le proteine si formano a partire dal DNA, la loro funzione è far eseguire qualcosa alla cellula. Sono un insieme di amminoacidi. Il DNA si trascrive in RNA che a sua volta crea una proteina. Il DNA non può uscire dal nucleo, ma l’RNA sì. Il tRNA e i ribosomi consentono la sintesi proteica. Il ribosoma traduce l’RNA e crea una proteina specifica, l’apparato del Golgi e il reticolo endoplasmatico perfezionano la proteina.

Mitocondri e citoscheletro

I mitocondri sono responsabili della respirazione cellulare e produzione di ATP. Il citoscheletro è un insieme di proteine che controllano la forma del neurone e la distribuzione degli organelli, formato da microtubuli (trasporto), neurofilamenti e microfilamenti.

Meccanismi di trasporto

Trasporto assonale rapido (400 mm/die) o lento (2,5 mm/die) scorrendo sui microtubuli. Può essere anterogrado o anche retrogrado (solo quello veloce).

Dendriti

I dendriti possiedono spine dendritiche: protuberanze che contengono molti neurofilamenti che permettono il contatto con altre cellule. I neuroni si classificano in base al numero di prolungamenti, alla struttura dei dendriti e la funzione:

• Neurone bipolare: neurone a due poli, da un lato un dendrite, dall’altro un assone (retina).
• Neurone pseudounipolare: dal soma si dividono 2 assoni (periferico e centrale).
• Neurone multipolare: un assone e molti dendriti.

Tipi di neuroni

• Neuroni motori: producono la contrazione dei muscoli, sono nel SNC.
• Neuroni sensitivi (pseudounipolari): trasformano informazioni sensitive dalla periferia ai centri nervosi.
• Neuroni di proiezione/interneuroni: sono i più numerosi, connettono un neurone ad un altro.

Cellule gliali

Gli astrociti hanno una forma a stella, possiedono pedicelli, hanno una funzione nutritiva, di sostegno, controllano la crescita e manutenzione del neurone, controllano la concentrazione di ioni e neurotrasmettitori, partecipano a formazione della barriera ematoencefalica, partecipano a processi di riparazione dopo lesioni. Fanno parte del sistema glinfatico che depura il sistema nervoso dalle scorie accumulate durante il sonno.

Gli oligodendrociti sono nel SNC e formano la guaina mielinica. Le cellule di Schwann, nel SNP, formano anch'esse la guaina mielinica. La guaina mielinica permette una maggiore velocità di conduzione del segnale elettrico; se danneggiata si ha sclerosi multipla. Le cellule microgliali rimuovono i detriti e funzionano da globuli bianchi del sistema nervoso.

Barriera ematoencefalica

La barriera ematoencefalica protegge il tessuto cerebrale dagli elementi nocivi, permettendo il passaggio delle sostanze necessarie. Vi sono solo due vie per raggiungere il cervello: diffusione semplice passiva e trasportatori specifici.

Elettrofisiologia

Il potenziale di membrana è la differenza di potenziale tra l’esterno e l’interno della cellula. I canali ionici sono proteine che attraversano la membrana, disposte in modo tale da permettere agli ioni di passare. Sono canali selettivi per tipo di ione e possono essere passivi, sempre aperti, o attivi, aperti da tre possibili meccanismi: voltaggio-dipendenti, ligando-dipendenti e controllo meccanico.

I recettori, anch'essi proteine che attraversano la membrana, percepiscono stimoli esterni, in particolare neurotrasmettitori specifici, e possono essere ionotropi (canali ionici ligando-dipendenti) oppure metabotropi (modificano la cellula). I carrier di membrana mettono in comunicazione i due lati della membrana senza mettere in comunicazione i due ambienti, funzionando come una "porta stagna".

Gli ioni attraversano canali passivi e si distribuiscono in maniera asimmetrica all’interno e all’esterno del neurone. La distribuzione asimmetrica degli ioni rende la membrana polarizzata: potenziale di membrana a riposo.

In prossimità della membrana plasmatica c’è un’eccedenza di cariche negative all’interno della cellula e cariche positive all’esterno, quindi la membrana è polarizzata. Il potenziale elettrico rappresenta la forza con cui una carica elettrica viene attratta o respinta quando è posta in un campo elettrico. Il valore del potenziale di membrana è proporzionale al numero delle cariche distribuite in maniera asimmetrica sui due lati della membrana.

Eccesso di cariche negative all’interno produce un Vm negativo, viceversa nel caso di cariche positive si produce un Vm positivo. Nelle cellule eccitabili il Vm può variare nel tempo, presentano un potenziale a riposo (Vr) quando non sono eccitate.

Iperpolarizzazione e depolarizzazione

Iperpolarizzazione: aumento delle cariche negative all’interno della membrana, Vm<Vr. Depolarizzazione: diminuzione delle cariche negative all’interno della membrana, Vm>Vr.

Disposizione degli ioni

Gli ioni A sono presenti in maggiore quantità all’interno rispetto che all’esterno della cellula. I canali del potassio sono sempre aperti, mentre quelli del sodio si aprono solo in particolari condizioni. Il potenziale di membrana a riposo è determinato dalla presenza di canali ionici passivi, gli ioni si muovono per gradiente chimico ed elettrico. Gli ioni potassio escono fino a quando il gradiente di concentrazione che li spinge fuori non è uguale alla forza motrice elettrica che li trattiene all’interno della cellula.

Per calcolare i potenziali di membrana si usa l’equazione di Nernst: questa per il caso del solo potassio. Gli ioni sodio entrano fino a quando il gradiente di concentrazione che li spinge all’interno non è uguale alla forza elettronica che li trattiene fuori dalla cellula. Il potassio tende ad uscire dalla cellula, trasportando cariche positive fino a quando Vm arriva a -30mV. Il sodio entra fino a quando Vm arriva a +55mV.

Nella membrana plasmatica dei neuroni ci sono sia canali per il potassio che per il sodio. La permeabilità complessiva della membrana plasmatica per il sodio è molto inferiore a quella per il potassio. Il potenziale di riposo del neurone è determinato dalla permeabilità della membrana ai diversi ioni. L'equazione di Goldmann viene utilizzata per questo scopo.

La concentrazione degli ioni sodio e potassio è tenuta costante tramite pompe ad ATP.

Potenziale d'azione

Le cellule eccitabili comunicano tra di loro tramite impulsi elettrici che consistono in variazioni del potenziale della membrana. La variazione del potenziale di membrana dipende da variazioni della permeabilità ai diversi ioni, che si modifica quando si aprono o chiudono canali ionici.

Se si ha un ingresso di cariche positive all’interno del neurone, si verifica una depolarizzazione localizzata. La diffusione di cariche positive ai punti vicini porta alla propagazione della depolarizzazione. L’ampiezza della depolarizzazione si riduce durante la propagazione, quindi la concentrazione delle cariche positive diminuisce progressivamente allontanandosi dal punto di origine.

Segnali locali e propagati

I segnali locali si riducono di ampiezza fino a scomparire a pochi millimetri dal punto di insorgenza, a seconda dell’intensità dello stimolo. I segnali propagati sono variazioni del potenziale di membrana molto ampie che si propagano lungo l’assone della cellula nervosa e si trasmettono a distanza dal loro punto d’origine.

Il potenziale di azione si verifica quando c'è iniezione di cariche positive all’interno di un assone fino a superare la soglia di azione (-55/-50 mV). Il potenziale d’azione appena superata la soglia è un tutto o nulla, non ha intensità variabile. Inizialmente, a seguito del raggiungimento della soglia, si ha apertura dei canali Na+ che porta a una depolarizzazione. A seguire, raggiunto il potenziale d’azione, si aprono i canali K+ e si chiudono i Na+, e si ha ripolarizzazione e poi iperpolarizzazione. Infine, i canali del K+ si chiudono e la cellula torna allo stato di riposo.

Canali ionici e potenziale d'azione

I canali del sodio sono aperti dalla depolarizzazione della membrana, la tetrodossina li blocca, si inattivano separatamente. I canali del potassio sono aperti lentamente dalla depolarizzazione della membrana, bloccati dal tetra-etil-ammonio, si chiudono quando il Vm torna al valore di riposo.

Periodo refrattario

• Assoluto: non è possibile ottenere un nuovo potenziale d’azione neppure con stimolazioni molto intense.
• Relativo: è possibile ottenere un nuovo potenziale d’azione solo con stimolazioni molto intense.

La velocità con cui si propaga un potenziale d’azione dipende dal diametro dell’assone e dallo spessore della guaina mielinica, che isola l’assone diminuendo le cariche disperse. Negli assoni con guaina mielinica il potenziale d’azione salta da un nodo al successivo, generato solo nei nodi e non in tutto l’assone. Le normali concentrazioni di ione sodio e potassio ai due lati della membrana vengono ripristinate dalle pompe Na+/K+ ATPasi, che portano fuori 3 ioni sodio e 2 ioni potassio.

Sinapsi

Le sinapsi sono il meccanismo tramite il quale le cellule scambiano informazioni. Nel SNC ci sono 100 miliardi di neuroni; ognuno riceve mediamente 1000 sinapsi. Ci sono due tipi di sinapsi:

• Sinapsi elettriche: la corrente passa direttamente dalla cellula presinaptica a quella postsinaptica mediante canali specializzati detti giunzioni comunicanti.
• Sinapsi chimiche: si ha trasmissione tramite neurotrasmettitori che partono dal terminale presinaptico, attraversano la fessura sinaptica e giungono ai recettori sul terminale postsinaptico.

La differenza tra questi due tipi è che le sinapsi elettriche sono più veloci e hanno bidirezionalità, mentre le sinapsi chimiche permettono una modulazione del segnale in base al numero di neurotrasmettitori usati, sono unidirezionali e amplificano il segnale. Le sinapsi elettriche servono per trasmissioni rapide in caso di pericolo, possono connettere molte cellule che così agiscono simultaneamente, e possono trasmettere segnali metabolici.

Le sinapsi chimiche invece presentano la liberazione del neurotrasmettitore, il quale si lega ai recettori del terminale postsinaptico, aprendo canali ionici che variano la permeabilità della membrana e quindi il suo potenziale. I neurotrasmettitori sono contenuti nel terminale assonico, ossia un triangolo che si trova al termine dell’assone.

Variazioni del potenziale di membrana post sinaptico

• EPSP: segnale eccitatore alla generazione di un potenziale d’azione (glutammato), apertura canali per Na+ e K+, depolarizza.
• IPSP: segnale inibitore alla generazione di un potenziale (Gaba e glicina), apertura canali Cl-, iperpolarizza.

La somma algebrica di questi due segnali porta al risultato; ad esempio, maggiori neurotrasmettitori inibitori rispetto a quelli eccitatori porteranno a bloccare il segnale. Le vescicole di neurotrasmettitori si fondono alla membrana pre sinaptica liberando il loro contenuto, a seguito dell’ingresso di Ca++. Di conseguenza, si ha legame tra neurotrasmettitore e recettore, apertura o chiusura dei canali sulla membrana post-sinaptica e variazione del potenziale della membrana postsinaptica.

Nomenclatura

• Agonista recettoriale: sostanza in grado di legare uno specifico recettore nel sito di legame per il ligando endogeno.
• Antagonista recettoriale: sostanza in grado di prevenire il legame del ligando endogeno con il proprio recettore, ne occupa lo spazio senza attivare il recettore.
• Recettori post sinaptici: recettori sulla membrana post sinaptica.
• Recettori pre sinaptici: recettori presenti sulla membrana pre sinaptica, autoregolano la propria attività, si rendono conto di quanto segnale stanno per trasmettere all’altra cellula.

Sinapsi del sistema nervoso periferico

Giunzione neuromuscolare: il neurotrasmettitore è l’acetilcolina (ACh), il suo legame con i recettori produce la comparsa di una variazione del potenziale della membrana post sinaptica. Il potenziale di placca è un segnale locale graduato, di ampiezza proporzionale al numero di vescicole sinaptiche utilizzate. In condizioni normali raggiunge sempre il valore di soglia e dà origine a un potenziale d’azione. È dovuto all’apertura di canali selettivi per i cationi che fanno passare principalmente K+ e Na+. Il curaro blocca i recettori riducendo l’ampiezza del potenziale di placca, ciò porta alla mancata generazione del potenziale d’azione.

Sistemi monoaminergici

I neuroni monoaminergici sono localizzati nel tronco e nell’encefalo (formazione reticolare), costituiti da cellule di grandi dimensioni, con assoni amielinici lunghi e ramificati. La frequenza di scarica è bassa e continua, modulando l’effetto dell’attivazione di recettori ionotropici. I trasmettitori coinvolti sono noradrenalina, serotonina e dopamina.

Sistema dopaminergico: controllo del movimento, effetti di rinforzo memoria a breve termine, controllo di comportamento ed emozioni.

Sistema noradrenergico: controllo dello stato di vigilanza e del ciclo veglia-sonno, controllo del comportamento e attenzione.

Sistema serotoninergico: controllo del ciclo veglia-sonno, assunzione cibo, modulazione dell’umore, dolore, attività locomotrice, termoregolazione, controllo del comportamento.

Sommazione di potenziali post sinaptici

Sommazione temporale: una serie di potenziali sinaptici che si succedono nel tempo nello stesso sito si sommano. Se il potenziale sinaptico dura a lungo e gli impulsi sono ramificati, quando arriva il secondo impulso l’effetto del primo è ancora presente.

Sommazione spaziale: una serie di potenziali sinaptici che arrivano contemporaneamente in siti diversi del neurone si sommano. Se il potenziale sinaptico diffonde nel neurone dal suo sito d’origine fino a punti distanti prima di esaurirsi, i potenziali sinaptici prodotti in siti diversi arrivano allo stesso punto e si sommano con maggiore facilità.

Se sommo un potenziale eccitatorio e uno inibitore, essi si annullano, vince il segnale che ha più neurotrasmettitori. Le sinapsi possono essere localizzate sui dendriti, sul soma o sull’assone. Quelle eccitatorie sono in genere asso-dendritiche, quelle inibitorie in genere asso-somatiche. L’effetto di una sinapsi varia a seconda della sua localizzazione. Più le sinapsi sono vicine al punto d’innesco, più sono efficaci, sia in senso inibitorio che eccitatorio. Le sinapsi asso-assoniche possono provocare inibizione e facilitazione presinaptica, modulando l’ingresso di Ca++ nella terminazione assonica.

Genetica

Geni e comportamento

I geni sono porzioni di DNA, non controllano direttamente il comportamento, tuttavia tramite RNA e proteine modificano funzioni cerebrali, programmando la genesi delle strutture cerebrali e sono essenziali per far assumere ai neuroni ed alle sinapsi le proprietà che permettono ai circuiti nervosi di funzionare in maniera specifica. Il comportamento è dunque legato all’interazione tra geni e ambiente.

Ad esempio, la fenilchetonuria deriva sia dall’ambiente (dieta ricca di fenilalanina) sia dai geni (mutazione gene fenilalanina-idrossilassi). Non è il comportamento ad essere ereditato, ma i geni importanti per lo sviluppo, il mantenimento e la regolazione dei circuiti nervosi. In molte malattie psichiatriche è presente una componente genetica. Studiare due gemelli con DNA diverso ma stesso ambiente permette di capire l’influenza di ambiente e genetica sullo sviluppo della persona.

Il gene è l’unità ereditaria degli organismi viventi, formati da DNA che codificano le proteine. Il DNA stesso è formato da nucleotidi, a loro volta formati da una molecola di desossiribosio, un gruppo fosfato e una base azotata (citosina, guanina, adenina, timina). Ha una struttura a doppio filamento, formato da due catene orientate in verso opposto, unite da legami tra le basi azotate (A-T e G-C). I filamenti sono avvolti in una doppia elica.

Geni strutturali e regolatori

• Geni strutturali: contengono le sequenze amminoacidiche delle proteine.
• Geni regolatori: regolano la trascrizione degli strutturali.

I cromosomi contengono l’RNA ripiegato su se stesso e suddiviso in geni.

Duplicazione del DNA

Enzimi (proteine specializzate) specifici sono in grado di aprire la doppia elica e di utilizzare i singoli filamenti come stampi per ricreare nuove doppie eliche. L'RNA, molecola molto simile al DNA, più piccola e che può uscire dalla cellula.

Struttura di un gene

Esone-Introne-Esone-Introne, etc. DNA-RNA-proteina. La RNA polimerasi separa i due filamenti e crea un filamento di RNA (trascrizione), eliminando l’introne. L’RNA messaggero entra nel ribosoma per creare una catena di aminoacidi, ossia una proteina.

Genotipo e fenotipo

• Genotipo: struttura genica di un organismo.
• Fenotipo: aspetto esterno di un organismo, conseguenze funzionali legate alla presenza di un gene.

L’essere umano ha 23 coppie di cromosomi. I due cromosomi di ogni coppia sono detti cromosomi omologhi. Si hanno 22 coppie di autosomi e...