Psicobiologia

Lez. 2 Le cellule del sistema nervoso: le basi dei processi mentali e del comportamento

Si distinguono in:

• Neuroni (cellule nervose)
• Cellule gliali, o glia

Principali

Il cervello umano dell’adulto contiene, secondo stime scientifiche approssimate, circa 100 miliardi di neuroni.

Hanno consentito lo studio delle cellule cerebrali:

• Microscopio ottico
• Sviluppo delle tecniche istologiche (taglio, fissazione e colorazione, in particolare di Nissl e di Golgi, dei tessuti)
• Più recentemente (anni ’50), sviluppo del microscopio elettronico e delle tecniche relative

Teoria del neurone (Santiago Ramon y Cajal)

Il cervello è composto da neuroni distinti e da altre cellule indipendenti strutturalmente, metabolicamente e funzionalmente. L’informazione è trasmessa da cellula a cellula, attraverso piccoli spazi detti sinapsi.

Ciascun neurone presenta 4 zone strutturali che sono connesse direttamente alle proprietà funzionali della cellula.

Dendriti

I dendriti funzionano da importanti sistemi di ricezione di messaggi provenienti da altri neuroni. I dendriti di alcuni neuroni sono ricoperti da strutture specializzate chiamate spine dendritiche.

Assone e assoni collaterali

L’assone e gli assoni collaterali, o collaterali assonici. L’assone funziona come il filo di un telegrafo per spedire gli impulsi elettrici verso zone distanti nel sistema nervoso. La direzione nel flusso di informazioni è indicata dalle frecce.

Mielina

La mielina è un involucro lipidico isolante essenziale per una veloce conduzione del segnale da parte dell’assone.

Terminale assonico

Il terminale assonico (bottone terminale) forma sinapsi con i dendriti o i corpi cellulari di altri neuroni. Quando un impulso nervoso arriva nell’assone terminale presinaptico, le molecole di neurotrasmettitore vengono rilasciate dalle vescicole sinaptiche nello spazio intersinaptico.

Il neurotrasmettitore si lega poi a proteine specifiche, dette recettori, causando la generazione di segnali chimici od elettrici nella cellula post-sinaptica.

I neuroni sono specializzati nella:

• Ricezione
• Conduzione
• Trasmissione

Di stimoli nervosi. Possono essere classificati per forma e funzione, o dal punto di vista morfologico.

Si distinguono in:

• Neuroni unipolari: dal corpo cellulare parte un solo prolungamento
• Neuroni bipolari: due prolungamenti (1 dendrite + 1 assone)
• Neuroni multipolari: molti dendriti + 1 assone

Classificazione funzionale

Dal punto di vista funzionale invece si distinguono in:

• Motoneuroni: controllano la contrazione muscolare e la secrezione ghiandolare
• Neuroni sensoriali: rilevano i cambiamenti nell’ambiente interno o esterno e inviano questi segnali al sistema nervoso centrale
• Interneuroni: localizzati all’interno del SNC. Quelli ad assone lungo trasmettono informazioni su lunghe distanze, da una regione cerebrale all’altra, mentre quelli ad assone corto elaborano le informazioni a livello dei circuiti locali. Circuiti composti da interneuroni sono responsabili di percezione, apprendimento, memoria, processi decisionali.

Lez. 3 Il potenziale di membrana a riposo

Per poter comprendere il potenziale di membrana a riposo dobbiamo considerare:

• I fluidi ricchi di sali presenti su entrambe le facce della membrana plasmatica
• La membrana plasmatica stessa
• Le proteine che la attraversano

Acqua

L’acqua è il principale costituente del fluido presente all’interno del neurone, il fluido intracellulare, e del fluido in cui è immerso il neurone, il fluido extracellulare. Atomi caricati elettricamente, detti ioni, sono disciolti in acqua e sono proprio questi i responsabili dei potenziali a riposo e d’azione.

Ioni

Qualche richiamo di chimica… Gli ioni sono molecole o atomi che hanno una carica elettrica netta. Ad esempio, il sale da cucina, NaCl, è composto da due ioni tenuti insieme da un legame detto appunto ionico. In acqua, che è una sostanza polare, il sale si scioglie dando origine agli ioni Na+ e Cl-. Gli ioni con una carica elettrica positiva sono detti cationi, quelli con una carica negativa sono detti anioni.

La membrana cellulare è costituita di un doppio strato fosfolipidico ed isola efficacemente il citosol dal fluido extracellulare.

Canali ionici

I canali ionici sono costituiti da proteine che attraversano la membrana, unite tra loro a formare un poro.

In questo esempio il canale proteico è costituito da 5 subunità polipeptidiche. Ciascuna subunità è dotata di una regione superficiale idrofobica (ombreggiata) che si unisce efficacemente al doppio strato lipidico.

Potenziale di membrana

Il potenziale di membrana è dovuto ad una differenza di carica tra l’interno e l’esterno della cellula. Il potenziale di membrana medio di un neurone a riposo misura circa -65 mV (può variare da -50 a -80 mV), cioè il potenziale di un neurone all’interno della cellula è minore di circa 65 mV rispetto al liquido extracellulare. Il neurone allo stato di riposo è polarizzato.

Misurazione del potenziale di membrana

Nello stato di riposo, più ioni Na+ (sodio) e Cl- (cloro) sono all’esterno del neurone, mentre più ioni K+ (potassio) e proteine sono all’interno.

Fattori che generano il potenziale di membrana a riposo:

• Gradiente di concentrazione
• Pressione elettrostatica: tendono a mantenere la distribuzione di carica uguale ai due lati della membrana
• Caratteristiche della membrana: sono responsabili della diversa distribuzione di carica ai due lati della membrana

Diffusione: è il processo tramite il quale le molecole si distribuiscono in modo uniforme all’interno del mezzo in cui sono disciolte. Il movimento delle molecole va da regioni di alta concentrazione a regioni di minore concentrazione.

Pressione elettrostatica: è la forza di attrazione tra particelle atomiche dotate di segno opposto, oppure la forza di repulsione tra particelle atomiche dotate di segno uguale.

Caratteristiche della membrana

Caratteristiche della membrana responsabili della differente distribuzione di carica ai due lati della membrana neuronale nel potenziale a riposo:

• Differente permeabilità della membrana plasmatica ai diversi tipi di ioni: K+ e Cl- diffondono con facilità attraverso la membrana, gli ioni Na+ passano con molta difficoltà, mentre le proteine non passano affatto —> canali ionici passivi
• Esistenza nella membrana plasmatica di canali voltaggio-dipendenti
• Presenza nella membrana della pompa sodio-potassio: è un meccanismo attivo che richiede apporto di energia

I 3 fattori che influenzano la distribuzione degli ioni Na+ e K+ attraverso le membrane neuronali in un neurone a riposo:

1. Gli ioni si spostano lungo il proprio gradiente di concentrazione. Pertanto, il Na+ tende a entrare e il K+ tende a uscire.
2. La carica interna negativa crea una pressione che tende a favorire l’ingresso sia del Na+ sia del K+.
3. Le pompe sodio-potassio trasportano 3 Na+ che escono dalle cellule, contro 2 K+, che entrano.

Depolarizzazione e iperpolarizzazione

Depolarizzazione e iperpolarizzazione rispetto al valore del potenziale di membrana a riposo (ad es. -65 mV):

• Quando la cellula passa da un valore negativo (il potenziale di riposo) ad uno ancora più negativo si dice che si iperpolarizza (ad es. -75 mV)
• Quando la cellula passa da un valore negativo (il potenziale di riposo) ad uno meno negativo si dice che si depolarizza (ad es. -50 mV)

Fattori responsabili delle differenze di concentrazione

Fattori responsabili delle differenze di concentrazione intracellulari (ioni K+ e proteine intracellulari) ed extracellulari (ioni Na+ e Cl-).

Proteine intracellulari: sono cariche negativamente e rimangono dentro la cellula perché non possono attraversare la membrana.

Ioni K+: possono passare attraverso la membrana tramite canali passivi (sempre aperti) specifici per il potassio. Sono spinti fuori dal neurone dal gradiente di concentrazione: questa forza è parzialmente bilanciata dal gradiente elettrostatico che spinge il potassio verso l’interno. È pertanto necessario un meccanismo attivo (pompa sodio-potassio) che porti all’interno K+ per rendere conto dell’elevata concentrazione intracellulare di questo ione.

Ioni Cl-: possono passare attraverso la membrana tramite canali passivi (sempre aperti) specifici per il cloro. Sono spinti fuori dalla cellula dal gradiente elettrostatico. Man mano che la concentrazione esterna aumenta sono spinti all’interno dal gradiente di concentrazione. All’equilibrio, che è pari a -70 mV, gli ioni cloro sono maggiormente concentrati all’esterno.

Ioni Na+: sia il gradiente di concentrazione sia quello elettrostatico tendono a spingere il sodio all’interno del neurone; la membrana è però poco permeabile alla diffusione passiva di questo ione. Questa caratteristica intrinseca della membrana stessa e la presenza della pompa sodio-potassio fanno sì che all’esterno della cellula vi sia una elevata concentrazione dello ione sodio.

Lez. 4 Il potenziale d’azione

Se applichiamo una piccola corrente positiva all’interno del neurone, possiamo misurare una depolarizzazione della membrana.

Potenziale d’azione

Il potenziale d’azione si genera quando l’integrazione (cioè la somma delle depolarizzazioni e delle iperpolarizzazioni) dei segnali che arrivano al monticolo assonico supera la soglia di attivazione, il cui valore esatto varia da neurone a neurone ma, come minimo, è in genere pari a -59.

Il potenziale d’azione rappresenta una risposta tutto-o-nulla, che si verifica cioè in tutta la lunghezza dell’assone oppure non si verifica affatto. Il potenziale d’azione si genera mediante l’azione dei canali ionici voltaggio-dipendenti, che si aprono, oppure si chiudono, in risposta a variazioni del potenziale di membrana.

Può essere suddiviso in tre fasi:

1. Fase di ascesa (depolarizzazione): si aprono i canali del sodio (Na+), il sodio entra e il potenziale diventa positivo.
2. Fase di ripolarizzazione: i canali del sodio si chiudono, si aprono quelli del potassio (K+), il potassio esce e il potenziale torna negativo.
3. Fase di iperpolarizzazione: i canali del potassio restano aperti un po’ troppo, esce più K+ del necessario e la membrana diventa più negativa del normale.

Conduzione del potenziale d’azione lungo l’assone

1. Parte lo stimolo: in un punto dell’assone arriva uno stimolo abbastanza forte (stimolo depolarizzante). Se supera una certa soglia, scatta il potenziale d’azione.
2. Tutto-o-nulla: il potenziale d’azione funziona così, o parte completo, oppure non parte affatto. Una volta partito, ha sempre la stessa intensità, non importa dove lo misuri.
3. Cosa vedono gli elettrodi: gli elettrodi messi in punti diversi dell’assone registrano lo stesso picco (stessa ampiezza), ma in tempi diversi: più l’elettrodo è lontano dal punto di partenza, più il segnale arriva tardi.
4. Nessuna perdita di forza: anche se passa molto spazio e tempo, il potenziale non si indebolisce mai. Arriva alla fine dell’assone uguale a com’era all’inizio.

Quando un potenziale d’azione viene innescato, la sua intensità rimane invariata per tutto il viaggio lungo l’assone; esso viene infatti propagato secondo la legge del tutto-o-nulla, cioè senza decremento fino all’estremità della fibra.

Conduzione del potenziale d’azione negli assoni mielinizzati

Conduzione continua di un potenziale d’azione lungo un assone amielinico (10 m/s): negli assoni amielinici il potenziale d’azione si propaga per conduzione continua, cioè la depolarizzazione coinvolge tutta la membrana punto per punto lungo l’assone. La corrente che nasce in una zona depolarizzata porta il tratto vicino a raggiungere la soglia, generando un nuovo potenziale d’azione. Il segnale non perde ampiezza (legge del tutto-o-nulla), ma la propagazione è più lenta perché ogni segmento deve attivarsi; la velocità è circa 10 m/s.

Conduzione saltatoria rapida lungo un assone mielinico (150 m/s): negli assoni mielinici il potenziale d’azione si propaga per conduzione saltatoria, la mielina isola la membrana impedisce lo scambio di ioni lungo i tratti rivestiti. I canali del Na+ sono concentrati solo nei nodi di Ranvier, dove il potenziale d’azione viene rigenerato. La corrente elettrica, quindi, “salta” da un nodo successivo all’altro, senza dover depolarizzare tutta la membrana. Il segnale mantiene la stessa ampiezza (tutto-o-nulla) ma viaggia molto più velocemente, raggiungendo velocità di circa 150 m/s, ed è anche più efficiente dal punto di vista energetico.

Integrazione dei messaggi nervosi

Sommazione spaziale: potenziali post-sinaptici che si generano simultaneamente in diverse regioni della membrana recettiva si sommano.

Sommazione temporale: potenziali post-sinaptici prodotti in rapida successione a livello della stessa sinapsi possono sommarsi.

Lez. 5 La trasmissione sinaptica

Quando il potenziale d’azione raggiunge i bottoni terminali dà luogo ad una serie di fenomeni che culminano nella trasmissione sinaptica. Nella cellula postsinaptica, in seguito a questi fenomeni, si originano i potenziali postsinaptici eccitatori ed inibitori.

Struttura di una sinapsi chimica

Le sinapsi sono giunzioni tra i terminali sinaptici, posti alla fine di un neurone, e la membrana di un altro neurone. La sinapsi pertanto comprende tre componenti:

1. La membrana presinaptica
2. Lo spazio sinaptico

Successione degli eventi

Successione degli eventi che si verificano nella trasmissione dei segnali in una tipica sinapsi chimica:

1. L’impulso arriva al traguardo: il segnale elettrico (potenziale d’azione) viaggia lungo l’assone finché raggiunge la fine del neurone.
2. Il calcio dà il via: l'elettricità fa entrare ioni calcio (Ca2+). Questo ingresso è il segnale che ordina alle vescicole (i "sacchetti" con il messaggio) di muoversi verso il bordo.
3. Il rilascio chimico: le vescicole si fondono con la membrana e liberano i neurotrasmettitori nello spazio vuoto tra i due neuroni.
4. La consegna del messaggio: i neurotrasmettitori si agganciano ai recettori del secondo neurone. Questo contatto fa ripartire un nuovo segnale elettrico (che può essere di "attivazione" o di "freno").
5. Pulizia e riciclo: il messaggio viene interrotto per non creare confusione. Il neurotrasmettitore viene o distrutto da enzimi o "risucchiato" dal primo neurone (ricaptazione) per essere riutilizzato.

La trasmissione sinaptica di tipo chimico comporta due diversi processi:

• Processo di trasmissione: è il processo mediante il quale viene liberato il neurotrasmettitore, cioè la sostanza chimica che trasmette il messaggio.
• Processo recettivo: è il processo mediante il quale il neurotrasmettitore si lega a molecole recettive poste sulla membrana postsinaptica (recettori postsinaptici).

Caratteristiche comuni dei recettori dei neurotrasmettitori

Sono proteine situate nello spessore della membrana. La zona in contatto con l’ambiente esterno che circonda la cellula ha la funzione di riconoscere e legare il neurotrasmettitore liberato dalla terminazione presinaptica. Essi esercitano una funzione effettrice sulla cellula bersaglio aprendo o chiudendo l’accesso di canali ionici, in maniera diretta o indiretta.

I recettori possono essere di due tipi:

1. Recettori ionotropi: aprono i canali ionici in maniera diretta
2. Recettori metabotropi: aprono i canali ionici in maniera indiretta

Eventi che si susseguono in una sinapsi metabotropica

Il neurotrasmettitore si lega al recettore, il recettore è associato ad una proteina detta proteina G. In seguito al legame col recettore, una subunità della proteina G si stacca.

A questo punto, la subunità può:

1. Legarsi ad un canale ionico, provocandone l’apertura o la chiusura
2. Stimolare la sintesi di un secondo messaggero

Possibili effetti del secondo messaggero

Effetti a breve termine: si lega ai canali ionici scatenando un potenziale post-sinaptico inibitorio o eccitatorio.

Effetti a lungo termine: modifica il metabolismo cellulare alterando la produzione di proteine.

I potenziali postsinaptici eccitatori (PPSE) ed inibitori (PPSI)

Quando il neurot