Prova parziale di Elementi di neuroscienze

Libro elementi di neuroscienze

Capitolo 1: neuroscienze passato, presente e futuro

La neuroscienza è un termine recente anche se lo studio del cervello è antico. Si pensa

che già dall’antichità si capisse l’importanza del cervello in quanto organo cruciale perché

furono scoperti dei cranei di ominidi con segni di lesioni. Già 7000 anni fa praticavano

dei fori nel cranio per cercare di curare la persona e il cranio mostrava segni di

guarigione dopo l’operazione. Si pensava tuttavia che fosse il cuore la sede della

conoscenza. Fino ad ippocrate che pose al centro il cervello. Da aristotele veniva visto

come refrigerante per il sangue che il cuore scaldava. Fu il romano galeno tramite

l’osservazione di un cervello di pecora a visualizzare il cervello(tenero) e il

cervelletto(solido). Infatti il primo si occupa di memoria e percezione il secondo di

movimento. Visto che c’erano spazi cavi chiamati ventricoli era presente un liquido fu

portata vanti questa teoria anche nel 17esimo secolo quando si pensava che il liquido

veniva pompato e comportava del movimento. Cartesio era d’accordo ma distingueva

mente e corpo. Successivamente venne studiato il liquido e la sostanza bianca e grigia.

La bianca contiene fibre che convogliano informazioni.

Il cervello è un organo complesso composto da 86 miliardi di neuroni e 500 mila miliardi

di connessioni. Il cervello include anche cellule gliali non solo i neuroni in quanto cellule

di supporto e di nutrizione.

Sistema nervoso: (nelle cavità ossee)→composto da encefalo e midollo spinale

-sistema nervoso centrale

responsabile del movimento da nervi e gangli responsabili della distribuzione di

-sistema nervoso periferico→composto

informazioni dal centro alla periferia e viceversa. Collega il sistema nervoso centrale ai

periferici

Sistema nervoso centrale:

→ • l’encefalo è composto da cervello, cervelletto e tronco encefalico

• il cervello invece è composto da 2 emisferi e a loro volta composta da 4 lobi:

-lobo occipitale, processa informazioni visive

-lobo parietale, elabora informazioni del corpo e somatosensoriali e un po’ lo

spazio.

-lobo temporale, memoria linguaggio e comprensione e suoni

-lobo frontale, aiutato dalla corteccia primaria, area responsabile del movimento.

Nelle aree pre-motorie si organizza il movimento.

Nel 1751 Benjamin Franklin studiò l'elettricità, seguita dalle scoperte di Galvani e du

Bois-Reymond: i nervi sono "fili" che conducono segnali elettrici al cervello e ai muscoli,

sostituendo l'idea dei fluidi. Si ipotizzò una comunicazione bidirezionale sulle stesse

fibre, data la perdita di sensibilità e movimento dopo lesioni. Ogni nervo ha molte fibre

distinte. Bell e Magendie (1810) chiarirono: prima di entrare nel midollo spinale, le fibre

si dividono in radici dorsali (posteriori, sensitive) e ventrali (anteriori, motorie).

Trasmissione unidirezionale per tipo, miste nei nervi ma separate anatomicamente.

Bell propose nel 1811 che fibre motorie originassero dal cervelletto e quelle sensitive

arrivassero al cervello. Flourens (1823) usò il metodo di ablazione sperimentale su

animali, confermando il ruolo del cervelletto nella coordinazione motoria e del cervello in

sensazione e percezione.

Franz Joseph Gall (1809) inventò la frenologia, legando protuberanze craniche a tratti

della personalità, con grande successo popolare ma critica scientifica. Flourens la

confutò: la forma del cranio non riflette il cervello, e ablazioni mostrarono che i tratti non

sono localizzati come sostenuto.

Paul Broca (1861) studiò un paziente afasico, trovando una lesione nel lobo frontale

sinistro, localizzando lì la produzione del linguaggio. Fritsch, Hitzig (1870), Ferrier e

Munk confermarono la localizzazione con stimolazioni elettriche e ablazioni su animali.

Oggi sappiamo di una chiara suddivisione funzionale, supportata da evidenze

sperimentali, a differenza della frenologia.

Nel 1859 Charles Darwin pubblicò introducendo la teoria

L’origine delle specie,

dell’evoluzione per selezione naturale: tratti vantaggiosi si trasmettono alle generazioni

successive, plasmando differenze tra specie. Darwin incluse il comportamento tra i tratti

ereditabili, notando reazioni simili alla paura (pupille dilatate, cuore accelerato, peli ritti)

in mammiferi diversi, segno di un antenato comune. Questo implica meccanismi nervosi

simili tra specie, base per usare modelli animali (es. calamaro per conduzione nervosa,

roditori per dipendenza da cocaina) nello studio umano. Tratti specifici per nicchie

ambientali (vista acuta nelle scimmie, tatto nei ratti) riflettono adattamenti cerebrali;

confrontarli aiuta a identificare specializzazioni funzionali del cervello.

All’inizio del 1800 i miglioramenti del microscopio permisero l’osservazione dettagliata dei

tessuti animali. Nel 1839 Theodor Schwann formulò la teoria cellulare: tutti i tessuti

sono formati da cellule microscopiche. Le cellule nervose, con corpo centrale e

prolungamenti (neuriti), alimentarono un dibattito: erano connesse in una “rete nervosa”

continua come i vasi sanguigni, o entità distinte? La questione fu risolta riconoscendo il

neurone come unità funzionale fondamentale del sistema nervoso.

La maggior parte delle conoscenze sul sistema nervoso deriva da esperimenti su animali,

spesso sacrificati per analisi anatomiche, fisiologiche e chimiche, sollevando questioni

etiche. Gli animali usati nella ricerca sono una frazione minima rispetto a quelli per cibo

o altro; si scelgono specie in base al problema (es. calamaro per impulsi nervosi base,

macachi per movimento umano, roditori per la metà degli studi). I neuroscienziati

tutelano gli animali con un codice etico: esperimenti solo utili, minimizzazione del dolore

(anestetici), alternative considerate; controlli come IACUC negli USA valutano proposte,

cure e valore scientifico.

La tutela etica (condivisa da tutti) va distinta dai "diritti degli animali", un'estremismo

che equipara moralmente animali e umani (es. morte di un topo = morte di un uomo?),

criticato per incoerenze su medicine testate su animali, consumo di carne o controllo di

parassiti. Attivisti hanno diffuso distorsioni, vandalizzato laboratori e minacciato

scienziati, ma ora si apprezzano i benefici per la salute umana contro malattie nervose,

giustificando un uso responsabile delle risorse naturali.

Capitolo 2: i neuroni e le cellule gliali

I neuroni sono cellule che ricevono, analizzano e trasmettono informazioni. Rilevano i

cambiamenti dell’ambiente e comandano risposte dell’organismo.

Le cellule gliali invece hanno una funzione di sostegno e nutrimento.

Per studiare i neuroni c’è bisogno del microscopio in quanto molto piccoli e difficili da

estrapolare con delle fettine sottili perché il tessuto è gelatinoso. Chi lo fa è un istologo.

Franz nissel ha inventato alla fine del 1800, un colorante che permetteva di distinguere i

neuroni dalla glia anche se non si distingue la sua morfologia.

Invece con il colorante di colgi(cromato d’argento) è stato possibile distinguere tutto il

neurone. Anche se pensava che i neuroni fossero tutti uniti tra loro, come una rete

continua come il sistema circolatorio.

-Teoria del neurone→Cajal, invece, intuì correttamente che i neuriti dei differenti neuroni

non sono connessi in maniera continua e comunicano per contatto e non per

continuità(sono vicini ma non attaccati).

Composizione del neurone prototipico:

L’interno del neurone è separato dall’esterno dalla membrana

neuronale.

-soma/corpo cellulare→contiene il nucleo

-dendriti→sono relativamente corti e ricevono segnali e

infromazioni(input)

-assone→si espandono anche per grandi lunghezze e trasportano

infromazioni

Soma:

Presenta un nucleo contenente i cromosomi e il citoplasma contenente organuli nel fluido

intracellulare chiamato citosol.

Gli organuli necessari sono il reticolo endoplasmatico rugoso(sito della sintesi di proteine

permessa anche dai ribosomi), apparato di golgi e mitocondri.

-Nucleo→ Il nucleo, protetto da una membrana porosa, custodisce i 46 cromosomi che

compongono il nostro intero patrimonio genetico. Sebbene ogni cellula del corpo

condivida lo stesso DNA l'identità di un neurone è determinata esclusivamente dai geni

che decide di "leggere" o esprimere.

Questo meccanismo, noto come espressione genica, segue un percorso preciso: la

trascrizione copia l'informazione del DNA in una molecola messaggera chiamata mRNA,

che viene poi rifinita attraverso lo splicing (un processo di "taglia e cuci" che elimina le

parti non necessarie, gli introni, per tenere solo gli esoni). Una volta nel citoplasma,

l'mRNA guida la traduzione, ovvero l'assemblaggio di aminoacidi in proteine, le vere

responsabili delle funzioni cellulari. La biologia molecolare moderna ha svelato che

alterazioni in questa complessa catena, come la duplicazione o la perdita di segmenti di

DNA (variazioni del numero di copie), sono alla base di importanti disturbi del sistema

nervoso, tra cui la schizofrenia e l'autismo.

Nel neurone, la sintesi proteica avviene nei ribosomi: quelli liberi producono proteine

destinate al citosol, mentre quelli associati al reticolo endoplasmatico rugoso (o corpi di

Nissl) si occupano delle proteine di membrana, essenziali per la ricezione e trasmissione

dei segnali. Il reticolo liscio e l’apparato del Golgi rifiniscono il lavoro, occupandosi

rispettivamente del ripiegamento molecolare (e regolazione del calcio) e dello smistamento

delle proteine verso le loro destinazioni finali, come l'assone o i dendriti. Tutto questo

processo, insieme al mantenimento dei gradienti elettrici della cellula, è alimentato dai

mitocondri, che attraverso il ciclo di Krebs trasformano ossigeno e nutrienti in ATP, la

moneta energetica vitale per l'attività neuronale.

-citoscheletro→matrice di filamenti proteici che conferisce al neurone la sua forma e

supporto strutturale. Diverse componenti

-micrrotubuli, composti dalla proteina tubulina trasportano informazioni attraverso

l’assone. Tubo vuoto e dritto con una parete spessa.

-neurofilamenti, supporto strutturale grazie a una struttura a "corda" molto resistente.

-microfilamenti, coinvolti nello sviluppo cellulare, composti da trecce di actina, sono

strutture dinamiche fondamentali per modellare la forma del neurone e sono coinvolti nei

meccanismi di contrazione.

Il citoscheletro non è statico ma in movimento. I neuroni sono quelli dalla nascita ma

cambiando e si rafforzano (neuroplasticità).

Assone:

L’assone comincia con una parte chiamata cono di integrazione.

Alla fine dell’assone ci sono terminali sinaptici che contengono vescicole sinaptiche che

secernono neurotrasmettitori. La sinapsi è il sito di trasferimento dell’informazione da

un neurone all’altro. Il segnale chimico è chiamato neurotrasmettitore ed è

immagazzinato e liberato dalle vescicole sinaptiche all’interno del terminale.

La zona presinaptica consiste generalmente in un terminale assonico, mentre la zona

post-sinaptica può essere il dendrite o il soma di un altro neurone.

L’assone non sopravvive in assenza di collegamento con il soma in quanto avviene un

La degenerazione degli

movimento di materiale verso l’assone chiamato trasporto assoplasmatico.

assoni che ha luogo quando questi vengono tagliati è infatti chiamata degenerazione

walleriana.

Dendriti:

I dendriti di un singolo neurone sono chiamati collettivamente albero dendritico; ciascun

ramo dell’albero è chiamato ramo dendritico. Gli alberi dendritici si presentano in

un’ampia varietà di forme e grandezze, che vengono usate per classificare i differenti

gruppi di neuroni.

Tipi di neuroni:

→Classificazione basata sulla struttura dei neuroni:

Numero dei neuriti, dendriti, connessioni, lunghezza dell’assone.

Basata sulla colorazione di Golgi, la classificazione neuronale distingue le cellule per

numero di neuriti (unipolari, bipolari, multipolari) e per morfologia dendritica, come le

cellule piramidali e stellate della corteccia, definite anche dalla presenza o meno di spine.

A livello funzionale, i neuroni si classificano in base alle connessioni che stabiliscono: i

sensitivi primari(afferenti) trasmettono informazioni dalle superfici sensoriali, i

motoneuroni comandano le fibre muscolari, mentre gli interneuroni mettono in

comunicazione esclusivamente altri neuroni tra loro.

Infine, in base alla lunghezza dell'assone, si differenziano i neuroni di I tipo di Golgi, detti

di proiezione perché collegano aree distanti, e di II tipo di Golgi, detti a circuito locale per

i loro assoni brevi.

→ Classificazione basata sull’espressione genica:

Le differenze morfologiche e funzionali dei neuroni derivano dalla specifica espressione

genica, che determina sia la forma cellulare sia il tipo di neurotrasmettitore utilizzato.

L'ingegneria genetica sfrutta queste basi per creare modelli transgenici in cui la Green

Fluorescent Protein (GFP) permette di visualizzare specifici neuroni sotto il controllo di

determinati promotori genetici. Parallelamente, i neuroni vengono classificati in base al

messaggero chimico che rilasciano: ad esempio, i motoneuroni sono definiti colinergici

poiché esprimono i geni necessari all'uso dell'acetilcolina, andando a costituire i diversi

sistemi neurotrasmettitori del cervello.

La glia:

Cellule gliali sono strutturalmente diverse dai neuroni. Continuano a riprodursi per tutta

la vita. Contribuiscono alla riparazione tissutale.

Gli astrociti, le cellule gliali più numerose, riempiono gli spazi tra i neuroni regolando il

contenuto chimico extracellulare: avvolgono le sinapsi per limitare la diffusione dei

neurotrasmettitori, ne riassorbono l'eccesso e controllano la concentrazione di ioni come

il potassio.

La glia produttrice di mielina isola invece gli assoni per velocizzare l'impulso nervoso

tramite la guaina mielinica, interrotta periodicamente dai nodi di Ranvier. Questa si

distingue in:

Oligodendroglia: presente nel sistema nervoso centrale (SNC), dove una singola cellula

mielinizza più assoni.

Cellule di Schwann: presenti nel sistema nervoso periferico (SNP), dove ogni cellula

riveste un unico assone.

Il quadro delle cellule non neuronali è completato dalle cellule ependimali, che rivestono i

ventricoli cerebrali e guidano la migrazione cellulare, e dalla microglia, che funge da

sistema immunitario (fagociti) rimuovendo detriti e rimodellando le connessioni

sinaptiche. Infine, il tessuto cerebrale è supportato da una complessa vascolarizzazione

che garantisce l'apporto di ossigeno e nutrienti.

Capitolo 3: La membrana del neurone a riposo

Il sistema nervoso riceve uno stimolo, decodifica e trasmette l’informazione per poi

generare una risposta.

È il neurone che trasduce gli stimoli in impulsi elettrici. Il linguaggio dei neuroni è di tipo

elettrico e un linguaggio chimico.

Potenziale di membrana a riposo (quando non sta generando stimoli)→ L’interno del

neurone ha più cariche negative rispetto all’esterno che è più positivo.

Per capire il potenziale di membrava bisogna sapere la differenza delle cariche interne ed

esterne grazie al voltometro.

Ci sono tre elementi alla base di questa differenza di potenziale (negatività interna):

1. Ioni:

Atomi caricati elettricamente che sono dissolti nell’acqua. La carica elettrica di un atomo

dipende dalla differenza tra il numero dei suoi protoni e quello dei suoi elettroni. Quando

la differenza è 1, lo ione viene detto monovalente; quando la differenza è 2, lo ione è

bivalente; e così via. Gli ioni con una carica elettrica positiva netta sono chiamati cationi;

gli ioni con una carica negativa sono detti anioni.

I più importanti sono il sodio(fuori), cloro e potassio(dentro).

2.membrana cellulare:

La membrana isola in quanto è composta da una membrana di fosfolipidi Pertanto, si

dice che i fosfolipidi abbiano una “testa” polare (contenente fosfati), che è idrofila, e una

“coda” non polare (contenente idrati di carbonio), che è idrofoba che isola l’acqua. le teste

idrofile siano esposte verso gli ambienti acquosi interno ed esterno, mentre le code

idrofobe siano confinate all’interno, l’una di fronte all’altra. Questa disposizione fissa è

chiamata doppio strato fosfolipidico e isola efficacemente il citosol del neurone dal fluido

extracellulare.

3.canali ionici e le bombe ioniche(proteine):

I potenziali d’azione e di riposo dipendono da speciali proteine che attraversano il doppio

strato fosfolipidico. Queste proteine indicano agli ioni la via da seguire per attraversare la

membrana neuronale.

Un canale ionico funzionante che attraversa la membrana richiede che da quattro a sei

molecole proteiche simili siano assemblate a formare un poro. Sono selettivi e hanno una

variabilità all’accesso o dipendenza, possono aprirsi e chiudersi, oppure inattivati.

Le bombe ioniche sono enzimi che trasferiscono ioni attraverso la membrana utilizzando

atp quindi energia.

Movimento degli ioni:

gli ioni si spostano attraverso i canali e un simile movimento richiede anche

l’applicazione di forze esterne per dirigere gli ioni

-forza chimica→diffusione secondo il gradiente di conservazione, vi è un movimento netto

di ioni da regioni ad alta concentrazione a regioni a bassa concentrazione. il movimento

netto di ioni avviene dalla regione ad alta concentrazione verso quella a bassa

concentrazione.

Gradiente di concentrazione.

-forza elettrica→cariche opposte si attraggono e cariche simili si respingono e questo

genera movimento. La quantità di cariche elettriche in movimento, detta cor