Fondamenti anatomo-fisiologici dell'attività psichica - modulo 1

Fondamenti anatomo-fisiologici

Psicobiologia è la scienza che studia le basi biologiche del comportamento, sia quello esteriore sia i processi interni che lo hanno determinato.

Circuito nervoso

Un circuito nervoso è un gruppo di neuroni connessi sinapticamente tra loro che, scambiandosi informazioni, determinano i comportamenti, come percepiamo la realtà, ecc. Più circuiti si possono poi coordinare tra di loro. Nel cervello, ogni area ha un nome e un numero; per esempio, "corteccia visiva primaria 17". È stato Brodmann a suddividere il cervello in aree in base a criteri citoarchitettonici (ampiezza degli strati della corteccia, grandezza e tipo delle cellule, ecc.).

La prima area a essere stata scoperta è l’area di Broca, che questo neurologo scoprì analizzando il cervello di un suo paziente che era capace di comprendere il linguaggio ma quando parlava emetteva solo la sillaba “tan” (da cui il “paziente Tan”). Essa compromette infatti la produzione del linguaggio ma non la sua comprensione. Un’altra importante area è l’area di Wernicke, che invece compromette la comprensione ma non la produzione: i pazienti hanno un eloquio disorganizzato e privo di significato e non comprendono quello che viene loro detto. Entrambe queste aree sono nell’emisfero sinistro. La struttura che connette queste due aree è detta "fascicolo arcuato" e una lesione in questa zona determina un danno misto fino a una incapacità totale di parlare e di comprendere il linguaggio se tutta la zona è compromessa.

Il neurone

Il neurone è una cellula del sistema nervoso. Il telencefalo contiene circa 100 miliardi di neuroni e ogni neurone può gestire fino a 1000 ingressi sinaptici. L’attività neuronale non è costante ma ciclica con “onde” di varie frequenze (gamma, theta, ecc.).

I neuroni sono le cellule umane con maggiore variabilità, hanno zone ben distinte funzionalmente, possono essere molto lunghi e hanno la capacità di eccitarsi.

• Corpo cellulare (soma): contiene il nucleo e perciò il materiale genetico.
• Neuriti: estroflessioni che emergono dal corpo cellulare; due tipi:
  • Assone: uno solo.
  • Dendriti: molti.
• Cono di emergenza / Monticolo assonico: punto in cui l’assone emerge dal soma.
• Terminale assonico: termine dell’assone; fatto da una serie di sottili ramificazioni.

Esistono diversi tipi di neuroni con forme diverse ma tutti hanno la stessa struttura. Sono infatti divisi in compartimenti:

• Compartimento di ingresso: riceve gli input sinaptici da parte di altre cellule tramite i dendriti o il soma (neuroni o cell. sensoriali); ne fanno parte i dendriti e il soma.
• Compartimento di integrazione / integrativo: elabora i segnali ricevuti dal compartimento di ingresso (input) e produce una certa risposta (output); ne fanno parte il soma e il cono di emergenza.
• Compartimento di conduzione: trasporta la risposta elaborata dal compartimento integrativo al compartimento di uscita; ne fa parte l’assone.
• Compartimento di uscita: trasferisce la risposta dal neurone ad un’altra cellula (neurone, cell. muscolare o altro tipo); ne fanno parte i terminali assonici.

Tipi di cellule

• Cellula unipolare: ha un solo processo e il soma è sprovvisto di dendriti. Sono preponderanti nel sistema nervoso degli invertebrati ma si trovano anche in alcuni gangli del sistema nervoso autonomo dei vertebrati.
• Cellula bipolare: assone e dendriti nascono dalle parti opposte della cellula come singoli per ramificarsi (uno degli strati della retina); hanno un soma che dà origine a due processi (input e output).
• Cellula pseudo-unipolare: tipica dei gangli delle radici dorsali; origina un solo processo che da una parte diventa assone, e dall'altra dendriti.
• Cellula multipolare: come le bipolari, danno origine a due processi ma hanno più branche dendritiche che emergono in ogni parte del corpo cellulare (es: motoneurone).
• Neurone piramidale: assone da un lato, dendrite apicale dall'altro e poi una serie di dendriti che partono da vari punti della cellula.
• Cellula del Purkinji: tipica della corteccia del cervelletto, albero dendritico estremamente ramificato.

Sistema nervoso

Il sistema nervoso centrale (SNC) è composto dall’encefalo e dal midollo spinale. Il sistema nervoso periferico (SNP) è composto dai nervi. Il sistema nervoso è costituito, oltre che di neuroni, dalle cellule gliali o glie, con funzione trofica e di sostegno.

• Microglie: cellule con funzione immunitaria e macrofaga; sono fagociti, macrofagi del tessuto nervoso, la loro funzione è di restare quiescenti sorvegliando un certo volume di tessuto neuronale, e intervenire quando si vanno a creare residui che potrebbero danneggiare neuroni, fagocitandoli, stessa cosa per virus e batteri.
• Astrociti: cellule con diverse funzioni
  • Meccanica di supporto: sostegno fisico ai neuroni.
  • Mantenimento dell’omeostasi: in caso di sbilanciamento di ioni K attuano il sifoning del potassio, assorbendolo; il sifoning consiste nel recuperare gli ioni o neurotrasmettitori che si disperdono all’esterno del neurone.
  • Eliminazione delle sostanze di scarto del milieu cellulare.
  • Coping vascolare / accoppiamento neurovascolare: hanno la capacità di contattare i vasi sanguigni causando, ad esempio, vasodilatazione se i neuroni richiedono maggiore energia.
  • Funzione trofica: capaci di prendere acido lattico dal sangue e fornirlo ai neuroni, capaci di ricavarne energia; per esempio, gli astrociti perivascolari forniscono energia ai neuroni collegandoli ai vasi sanguigni.
• Oligodendrociti: cellule che generano la guaina mielinica nel sistema nervoso centrale (SNC).
• Cellule di Schwann: cellule che generano la guaina mielinica nel sistema nervoso periferico (SNP). Queste ultime due sono responsabili della produzione di mielina.

La cellula di Schwann si arrotola attorno all'assone da mielinizzare e ne mielinizza un solo segmento, mentre gli oligodendrociti emettono delle estroflessioni che si arrotolano attorno agli assoni, mielinizzando diversi segmenti di assoni diversi. Gli oligodendrociti perineuronali non producono mielina, ma hanno funzioni di supporto fisico e trofico e di metabolismo, che ricordano quelli degli astrociti.

Creazione del potenziale elettrochimico

Le cellule nervose ricevono e generano segnali nervosi, costituiti da una parte elettrica (la trasmissione dell’impulso lungo i neuriti) e chimica (la generazione di una differenza di potenziale tramite scambi ionici). In generale, è possibile registrare segnali chimici ma, più spesso, si registrano segnali elettrici attraverso elettrodi intracellulari o extracellulari.

Un elettrodo misura la differenza di potenziale elettrico, ovvero ciò che spinge la corrente di ioni, tra due zone. Nel caso in cui i portatori di carica siano elettroni, il potenziale spinge gli elettroni a muoversi da un polo all'altro della batteria, come se fosse una forza. Maggiore è il potenziale elettrico, maggiore è la forza con cui gli elettroni (o i portatori di carica) sono spinti da un polo all'altro. La differenza di potenziale (V) si misura ponendo due elettrodi ai poli opposti, così facendo, si misura la forza con cui le cariche sono spinte. Questi due elettrodi sono solitamente uno positivo e uno negativo.

I sistemi biologici sono sempre sistemi acquosi, perciò vengono utilizzati particolari elettrodi:

• Microelettrodo di vetro: elettrodo interno; molto sottile riempito di una soluzione salina KCl e contenente un filo di argento clorurato, in contatto con l’amplificatore.
• Elettrodo metallico: elettrodo esterno; composto da un pallet di Ag-AgCl immerso nel liquido extracellulare.

I due elettrodi sono collegati a un amplificatore che registra la differenza di potenziale e la amplifica in modo da farla registrare dallo sperimentatore. Inizialmente i due elettrodi sono fuori dalla cellula e le due soluzioni sono isopotenziali (no diff. di potenziale). Quando il microelettrodo di vetro si inserisce nella cellula, si crea una differenza di potenziale che corrisponde a quella tra l'esterno e l'interno della cellula. Questa è negativa (-80 mV) e uguale alla differenza tra il voltaggio esterno (per convenzione = 0) e quello interno alla cellula. Ciò significa che il voltaggio di membrana misurato sarà uguale a quello interno alla cellula.

Il potenziale di membrana delle cellule animali è negativo e oscilla tra -40 e -100 mV; in particolare il potenziale di membrana a riposo dei neuroni è di circa -60/65 mV. Il potenziale di membrana non varia se la pipetta penetra più profondamente (potenziale uniforme). La differenza di potenziale può essere sfruttata per ricavare energia dalla cellula.

Potenziale di membrana

A cosa è dovuto il potenziale di membrana? Per il principio di isopotenzialità il potenziale all’interno e all’esterno della cellula è identico, tuttavia, a livello della membrana cellulare, sul lato interno, tendono ad accumularsi ioni negativi (anioni), mentre sul lato esterno, quelli positivi (cationi). Questo determina una differenza di potenziale tra le due facce della membrana cellulare che genera una corrente (misurata in ampere). La corrente è ostacolata dalla resistenza (misurata in Ohm); più grande è la resistenza, maggiore deve essere la differenza di potenziale per superarla (legge di Ohm).

La differenza di potenziale che si registra tra lato interno e quello esterno della membrana cellulare è detto “potenziale di membrana” ed è pari al potenziale che si registra all’interno della membrana. Il potenziale di membrana è una differenza di potenziale ΔV perché è pari alla differenza tra il potenziale interno V e il potenziale esterno V. Abbiamo dunque che ΔV = V_i - V_e, ma tale differenza sarebbe pari a 0 per il principio di isopotenzialità; dunque, consideriamo V_e = 0 e andiamo a considerare solo il potenziale interno.

La creazione di un potenziale di membrana dipende dal passaggio di ioni carichi positivamente o negativamente attraverso la membrana. Gli ioni possono passare attraverso la membrana cellulare:

• Secondo gradiente di concentrazione (chimico), spostandosi dalle zone in cui sono più concentrati a quelle in cui lo sono meno.
• Secondo gradiente elettrico, spostandosi dalla zona in cui ci sono tanti ioni con la stessa carica verso zone in cui ci sono ioni con carica opposta.

Quando questi due movimenti avvengono contemporaneamente si genera il gradiente elettrochimico. Perché si crei una differenza di potenziale, e quindi il gradiente elettrochimico, sono necessarie due condizioni:

• Che ci sia un gradiente ionico tra compartimenti intracellulari ed extracellulari, ovvero che da una parte della membrana ci siano più ioni rispetto all’altra.
• Che la membrana abbia una permeabilità selettiva.

Il gradiente ionico fa sì che gli ioni si spostino secondo gradiente di concentrazione, mentre la permeabilità selettiva fa sì che passino solo alcuni tipi di ioni. Questo gradiente porta ad una situazione di equilibrio di Gibbs Donnan.

Equilibrio di Gibbs Donnan

Tra due soluzioni acquose separate da una membrana che sia impermeabile ad uno solo dei soluti si stabilisce un equilibrio (equilibrio di Donnan) garantito da una differenza di potenziale transmembranaria.

Esempio: Facciamo finta di avere una cella elettrochimica divisa in due sezioni, separata da membrana semipermeabile che permette passaggio di potassio ma non di cloro. Poniamo che in queste due sezioni sia presente cloruro di potassio alla stessa concentrazione: un certo flusso di ioni K⁺ passerà da sinistra verso destra spinto da moti randomici, lo stesso numero di ioni K⁺ passerà da destra a sinistra, il flusso sarà perciò nullo. Poniamo invece che nel compartimento di sinistra ci sia una concentrazione 10 volte maggiore di cloruro di potassio, questo porterà gli ioni K⁺ a spostarsi, secondo gradiente di concentrazione, da sinistra verso destra con flusso netto non nullo. Consideriamo anche che lo ione potassio ha carica positiva e questo spostarsi farà sì che ci siano più cariche positive nel compartimento di destra piuttosto che in quello di sinistra, ci sarà quindi un altro flusso, da destra verso sinistra, spinto da gradiente elettrico. Si creeranno quindi due flussi uno spinto da gradiente di concentrazione e uno da gradiente elettrico che, dopo un po' di tempo, arriveranno ad un equilibrio. I due flussi, anche se singolarmente non saranno nulli, presi insieme lo diventeranno perché si creerà una situazione di equilibrio. Le due concentrazioni si manterranno costanti nel tempo. Questo si è creato senza fornire energia nel tempo.

Gli elementi necessari per ottenere l’equilibrio di Gibbs Donnan senza fornire energia al sistema sono:

• Membrana semipermeabile.
• Originale differenza di concentrazioni (anisotropia originaria nella distribuzione degli ioni).

Nella cellula sono presenti entrambe le condizioni in quanto la membrana cellulare è semipermeabile ed è presente una distribuzione anisotropica originaria degli ioni dato che all’interno della cellula sono presenti anioni immobili (tipicamente proteine e solfati) che non hanno nessun trasportatore sulla membrana e perciò non possono uscire. Per mantenere una neutralità elettrica le cariche positive devono essere circa in egual numero di quelle negative. Quindi se si considerano solo gli anioni intracellulari, Cloruro e Potassio:

Equazione di equilibrio:

[Cl^-]_i = [K⁺]_i + [A^-]_i e [K⁺]_i = [K⁺]_e

Ma soddisfare la necessità di una neutralità elettrica comporta avere una differenza di concentrazione. Quindi il potassio sarà spinto a compensare la carica elettrica degli anioni intracellulari dal gradiente elettrico, tuttavia, avrà una spinta opposta in base al gradiente di concentrazione. La spinta secondo gradiente di concentrazione e quella secondo gradiente elettrochimico si equilibreranno a un livello intermedio, con gli anioni intracellulari parzialmente compensati. Si avrà quindi una situazione di equilibrio in cui il potassio tenderà ad entrare per gradiente elettrico e ad uscire per gradiente di concentrazione. All’equilibrio, il flusso netto di potassio attraverso la membrana è = 0. I valori di gradiente elettrico e gradiente di concentrazione a cui si raggiunge l’equilibrio per una specie ionica (I) sono legati tra loro dalla legge di Nernst.

Equazione di Nernst

Gli scambi tra l’interno e l’esterno della cellula sono descritti dall’equazione di Nernst. L’equazione di Nernst ci dice infatti qual è il potenziale di membrana (espresso in mV) che determina uno stato di equilibrio E per un certo ione, ovvero il potenziale di membrana in cui i flussi dall’interno verso l’esterno e dall’esterno verso l’interno per un certo ione si equivalgono (dunque possiamo dire che non ci sono flussi).

Equazione:

ΔV = (RT/zF) * ln([C]_out/[C]_in)

Dove:

• R = costante dei gas
• T = temperatura in gradi Kelvin
• z = valenza ionica (+1 per Na e K; -1 per Cl; +2 per Ca)
• F = costante di Faraday
• ln = logaritmo naturale in base e
• [C] = concentrazione generica interna ed esterna

Dato che per un certo ione la valenza ionica è fissa, R e F sono costanti e la temperatura in gradi Kelvin non varia molto, possiamo riunire tutti questi valori in una costante (pari a 58 mV) e riscrivere l’equazione in questo modo:

ΔV = 58/z * log([C]_out/[C]_in)

dove z sarà +1 per Na e K, -1 per Cl e +2 per Ca. Questa equazione è importante perché racchiude in sé la spinta elettrochimica e ci dice qual è il voltaggio di equilibrio dello ione, ovvero il potenziale di membrana al quale tanti ioni di quel tipo entrano nella cellula per unità di tempo, quanti ioni escono per unità di tempo (flusso netto = 0). Al potenziale di Nernst, il gradiente di concentrazione non è nullo (ioni si spostano) stesso per gradiente elettrico, quello che è nullo è l'effetto dei due gradienti sommati. Quando la membrana si trova a un potenziale diverso da quello di Nernst, allora esisterà un flusso non nullo di quel determinato ione, che potrà essere in ingresso o in uscita.

Se la membrana di una cellula è permeabile a un solo ione, l’equazione di Nernst definisce il potenziale di riposo di quella cellula; questo vale per esempio per gli astrociti la cui membrana cellulare possiede solo canali passivi (o di leakage) permeabili solo al potassio e che dunque hanno un potenziale di riposo di -75 mV (V_m = E_K = -75 mV). Se la membrana è permeabile ad un singolo ione, l’equazione di Nernst predice il potenziale di riposo della cellula. Si origina e si mantiene nel tempo una simmetria della distribuzione di cariche che può essere mantenuta in modo passivo. Nei neuroni la membrana è invece permeabile a diversi ioni (a livello dei canali passivi): questo significa che, se la membrana a riposo è a un valore di differenza di potenziale pari a quello del potassio, ci saranno comunque flussi passivi di sodio e di cloro, se è a quello del sodio ci saranno flussi di potassio e cloro e così via. Ai flussi passivi si sovrapporranno quindi anche flussi attivi.