Quaderno appunti Neurofisiologia

Tessuto nervoso

Il tessuto nervoso non contiene matrice extracellulare ed è formato da due tipi di cellule:

• Cellule nervose o neuroni
• Cellule gliali, alle quali appartengono poi una serie di categorie tipi cellulari.

Il tessuto nervoso non presenta tessuto connettivo, la matrice extracellulare non è presente, e di conseguenza è un tessuto che non può godere di un certo tipo di sostegno. Quindi, sono proprio le cellule stesse (alcune cellule in particolare) che contribuiscono a dare una struttura al tessuto nervoso. I neuroni hanno delle caratteristiche ben definite, sebbene ci siano diversi sottotipi neuronali ciascuno con delle caratteristiche come il neurotrasmettitore che utilizzano, che secernono e che producono, o il neurotrasmettitore a cui rispondono.

I neuroni

Le cellule neuronali sono definite le unità funzionali del sistema nervoso perché sono impiegate nella generazione e nella produzione degli impulsi nervosi. Possiedono conseguentemente due proprietà principali:

• Eccitabilità: le cellule sono in grado di rispondere a una serie di stimoli e questi stimoli vengono convertiti in potenziale d’azione, cioè in impulsi nervosi.
• Conduttività: non solo si eccitano ma sono anche in grado di trasmettere, di condurre quest’eccitazione, ed è proprio questa caratteristica che è alla base della propagazione del potenziale di azione. Questa caratteristica permette a un potenziale di azione di decorrere lungo tutto il corpo cellulare, in particolare lungo le proiezioni, e a quel punto raggiunge un terminale sinaptico dove questo segnale elettrico viene convertito in un segnale chimico e poi nuovamente in un segnale elettrico che condurrà un potenziale d’azione.

I neuroni però sono tutti diversi, in rapporto alle funzioni che svolgono, di conseguenza le dimensioni dei corpi cellulari, l’estensione dei neuriti è particolarmente variegata.

Neuroni del Purkinje e piramidali

La classica cellula: Neurone del Purkinje. Neurone che troviamo a livello cerebellare, con un corpo cellulare molto grande, una proiezione assonale molto piccola e corta, ma una rete dendritica incredibilmente ramificata. Questa morfologia ci suggerisce che questi neuroni sono in grado di integrare tanti segnali, tanti stimoli associati al controllo del movimento volontario, al controllo dell’equilibrio e della coordinazione motoria e una volta che li ha integrati li converte in una risposta più univoca che prevede un’elaborazione più complessa per determinare una risposta motoria coerente.

I neuroni piramidali, è facile immaginare perché hanno quest’aspetto a piramide dato dalla distribuzione delle loro proiezioni, sia dendritiche che assonali, e sono dei neuroni tipici delle cortecce cerebrali oppure dell’ippocampo e questa morfologia è particolarmente tributata a funzioni cerebrali, sicuramente di interconnessione neuronale. Questi neuroni sono coinvolti in tantissime funzioni di ordine superiore, ad esempio nei fenomeni di plasticità sinaptica alla base della memoria.

I sottotipi neuronali possono essere diversi tra di loro, e la diversità di funzione/attività di queste cellule neuronali dipende proprio dalle caratteristiche morfologiche specifiche.

I neuriti

I neuriti (i prolungamenti) in generale si classificano in due modi: assoni e dendriti e la loro classificazione è determinata dalla direzione in cui prosegue l’informazione.

• Dendriti: Se conducono l’impulso nervoso in senso centripeto (verso il soma). Recepiscono l’informazione e la trasmettono in tutta la cellula.
• Assoni: Se conducono l’impulso nervoso in senso centrifugo (via dal soma). Trasmette l’informazione in uscita, quindi, dal corpo al terminale sinaptico e raggiungerà una cellula bersaglio.

Ciascun neurone può avere da nessuno a molti dendriti, ma solo un assone. L’assone può ramificare producendo collaterali.

Classificazione dei neuroni

I neuroni sono sotto-classificati sulla base di queste caratteristiche morfologiche e funzionali:

• Neuroni unipolari: nel sistema nervoso centrale di mammifero, in realtà sono poco presenti. I neuroni unipolari li troviamo principalmente durante lo sviluppo, durante la vita fetale, dopodiché vengono persi e sostituiti da neuroni con caratteristiche più complesse.
• Neuroni bipolari: sono ben rappresentati e ben presenti. Li troviamo a livello della retina e sono quelli responsabili della percezione visiva, della trasmissione degli impulsi e delle informazioni a livello centrale. I neuroni bipolari sono anche presenti a livello dell’epitelio olfattivo e sono particolarmente interessanti perché sono gli unici neuroni nell’uomo che hanno una capacità rigenerante.
• Neuroni multipolari: non hanno una vera e propria polarità, hanno diverse ramificazioni dal corpo cellulare, una di queste ramificazioni è generalmente più lunga ed è rappresentata dall’assone, gli altri sono i dendriti.
• Neuroni pseudounipolari: Abbiamo già incontrato perché è il classico neurone sensoriale, un neurone sensoriale è un neurone che rientra morfologicamente parlando nelle caratteristiche del neurone pseudo-unipolare. Abbiamo un unico prolungamento che si biforca e a quel punto un ramo del prolungamento agisce con un assone e l’altro agisce come dendrite.

Struttura dei neuroni e sinapsi

Ogni struttura specifica del neurone si occupa di una funzione specifica: a livello dei dendriti e del soma la cellula viene stimolata da una sinapsi, a questo punto parte un potenziale graduato. Se il potenziale graduato è di sufficiente ampiezza riesce ad arrivare alla zona trigger (ricca di canali del Sodio voltaggio dipendente) con il valore soglia di -50/-55 mV. I canali del sodio voltaggio dipendenti rispondono al cambiamento di voltaggio, cominciano ad aprirsi e parte il potenziale d’azione, ed ecco qua che lungo l’assone si conduce il potenziale d’azione che raggiunge il terminale sinaptico.

Sinapsi

La giunzione tra due neuroni è detta sinapsi. Le sinapsi possono essere:

• Elettriche: Filogeneticamente sorte prima rispetto alle chimiche. La trasmissione del segnale avviene per passaggio diretto di ioni tra le due cellule nervose senza alcuna mediazione chimica; questo rende la trasmissione estremamente veloce anche grazie al fatto che lo spazio tra le membrane delle due cellule, detto vallo sinaptico, è particolarmente ridotto, quasi inesistente (circa 2-4 nanometri).

Il passaggio di ioni avviene grazie alla presenza di particolari gap junctions o giunzioni comunicanti. Ogni giunzione comunicante è formata da strutture proteiche chiamate connessoni, complessi multimerici formati da 6 subunità ciascuno e ogni subunità è detta connessina. Il connessone forma un canale che quando è aperto mette in comunicazione il citoplasma delle due cellule e permette lo scambio diretto di ioni tra esse. Le sinapsi elettriche permettono una rapida comunicazione tra i neuroni adiacenti sincronizzandone l'attività elettrica. Infatti, quando una delle due cellule viene eccitata si crea un gradiente di potenziale tra il neurone eccitato e quello non eccitato. Raggiunto un determinato valore soglia la cellula postsinaptica si depolarizza ed innesca il potenziale d'azione.

Le sinapsi elettriche non sono particolarmente diffuse. Le troviamo nel muscolo cardiaco (contrazione simultanea), nel muscolo liscio, tra cellule gliali, tra neuroni e tra cellule che non sono eccitabili come le cellule del pancreas.

Sinapsi chimica

In una sinapsi chimica il segnale elettrico deve essere convertito in segnale chimico e poi ritrasformato in segnale elettrico. Quali sono i vantaggi di una sinapsi chimica, che non ha quella elettrica? Nella sinapsi chimica è il bersaglio, la sinapsi chimica raggiunge dei bersagli più specifici, e più lontani. Cosa c’è a livello di una sinapsi chimica?

• Terminale presinaptico: ci sono le vescicole sinaptiche che contengono i neurotrasmettitori che sotto lo stimolo opportuno vengono esocitati e rilasciano il neurotrasmettitore nel vallo sinaptico che legherà i suoi specifici recettori posti sulla membrana post-sinaptica.
• Mitocondrio: è rappresentato e importante a livello del terminale presinaptico perché c’è un sacco di consumo di ATP. Tutto il processo richiede molta energia.

Rilascio del neurotrasmettitore a livello della sinapsi chimica: Il calcio cosa fa? Come fa ad innescare quest’esocitosi? Il calcio entra perché? Che cos’è il calcio? Un secondo messaggero e lega delle proteine leganti il calcio tipo la calmodulina, ma non solo, ci sono tantissime proteine legate dal calcio che sono coinvolte nel meccanismo di esocitosi, quindi sono delle proteine ancorate sulle membrane delle vescicole sinaptiche che una volta attivate dal calcio, interagiscono tra di loro, interagiscono con le proteine dei microfilamenti, dei microtubuli e quindi innescano il trasporto della vescicola sul terminale presinaptico, innescando la fusione della vescicola neurotrasmettitoriale. È importante e opportuno che l’attività del neurotrasmettitore si svolga in un periodo circoscritto, cioè nel momento in cui serve viene attivata quella via di segnalazione, non sarebbe una cosa positiva ritrovarsi con una sinapsi perennemente attivata.

Blocco dell'azione del neurotrasmettitore

Dopo la risposta cellulare, la quantità di neurotrasmettitore che è stato rilasciato ma non impiegato resta nel vallo sinaptico e ovviamente è necessario che il rilascio dell’ormone sia bloccato affinché non ne venga rilasciato altro. Quello accumulato nella fessura sinaptica deve essere smaltito altrimenti si rischia che la sinapsi in questione prolunghi eccessivamente la sua funzionalità. Il neurotrasmettitore accumulato può essere sequestrato da specifiche pompe (proteine) che fungono da trasportatori di neurotrasmettitori affinché questi siano riassorbiti a livello presinaptico e sono espresse sia sul terminale presinaptico sia sulla membrana delle cellule gliali (astrociti).

Facciamo una specifica: la concezione che una sinapsi sia costituita solo da due terminali, uno pre e uno postsinaptico è una visione abbastanza vecchia e superata. Infatti, una sinapsi funzionale è rappresentata da quello che viene definito un “modello tripartito”; cioè, affinché la sinapsi funzioni correttamente, c’è bisogno della presenza di un terminale presinaptico, di un terminale postsinaptico e di una cellula gliale. Generalmente l’elemento gliale del trio è rappresentato da un astrocita, che svolge funzioni di supporto come regolazione del metabolismo e regolazione della concentrazione di specifici sali e ioni. Per questo motivo anche le cellule gliali esprimono pompe proteiche che trasportano i neurotrasmettitori in eccesso nel vallo sinaptico.

Dopo che il neurotrasmettitore viene sequestrato dalle pompe può:

• Essere degradati, scissi, da parte di enzimi importanti: acetilcolinesterasi responsabile del blocco dell’acetilcolina, e determina l’inattivazione dell’acetilcolina, scindendo l’acetilcolina in gruppo acetile e colina.
• Allontanare il neurotrasmettitore dalla sinapsi perché vengono immessi nel torrente ematico, nei vasi sanguigni e poi degradati.
• Un altro meccanismo (quello più importante) è quello dove i neurotrasmettitori vengono captati dalle cellule gliali che esprimono degli specifici trasportatori per i neurotrasmettitori. La cellula gliale fornisce supporto trofico alla sinapsi rilasciando fattori di crescita, neuromodulatori. In sostanza la cellula gliale è una cellula che fornisce supporto a tutte le cellule neuronali ma in particolare anche proprio alla stabilizzazione della struttura sinaptica e in particolare è proprio coinvolta direttamente nel metabolismo del neurotrasmettitore. Garantisce che i due neuroni, i due terminali sinaptici funzionino correttamente e questo lo garantisce proprio aiutando il metabolismo dei neurotrasmettitori.

Tipi di sinapsi chimiche e risposta

Le sinapsi chimiche si distinguono per la velocità in cui determinano una risposta a livello del terminale postsinaptico:

• Sinapsi chimica a risposta veloce: È quella che prevede il legame del neurotrasmettitore a recettori-canale, come nella giunzione neuromuscolare, ossia il recettore colinergico. Il neurotrasmettitore (acetilcolina) si lega al recettore-canale, il quale cambia di conformazione a seguito di questo legame, si apre e permette il passaggio di ioni. Nel caso del recettore colinergico della placca motrice, l’apertura di questo canale permette l’ingresso di ioni Na⁺ nella cellula; questo genera una depolarizzazione che genera un potenziale graduato, il quale, se sufficientemente forte, dà a sua volta origine ad un potenziale d’azione. Vengono definite a risposta veloce perché la depolarizzazione mediata dal neurotrasmettitore è immediata, direttamente collegata al cambiamento conformazionale del recettore.
• Sinapsi chimica a risposta lenta ad accoppiamento diretto: (attivati da proteine G). Accoppiamento diretto significa che il neurotrasmettitore lega il recettore, il recettore è metabotropico, quindi, attiva una proteina G tetramerica (la subunità alfa è una subunità catalitica) e nel momento in cui si attiva (perché lega GTP) si stacca dal complesso beta-gamma. La subunità alfa non utilizza degli intermediari, ma va essa stessa a determinare la funzione/l’effetto che deve indurre. In questo caso la subunità alfa interagisce direttamente con un canale ionico e l’interazione con questo canale ionico va a determinare un cambiamento conformazionale che determina l’apertura o la chiusura del canale ionico. Ad esempio, questa subunità alfa potrebbe andare ad aprire un canale per il sodio e quindi avviene una depolarizzazione della membrana. Questa sinapsi chimica lenta è definita ad accoppiamento diretto perché il recettore accoppiato a proteine G media direttamente l’apertura dei canali ionici.
• Sinapsi chimica a risposta lenta (sistema di secondi messaggeri): In questo tipo di sinapsi chimica, il neurotrasmettitore (=primo messaggero) si lega al recettore metabotropo associato a proteina G. Però, la proteina G, differentemente della sinapsi chimica lenta ad accoppiamento diretto, non va a regolare direttamente gli stati di apertura/chiusura di un canale ionico, ma va a modulare l’attività di un enzima. Questo enzima è responsabile della produzione di secondi messaggeri che vanno a legarsi ai canali ionici, influenzandone gli stati di apertura/chiusura.

La subunità alfa non determina più una risposta ad accoppiamento diretto perché non va direttamente a regolare dei canali, ma questi canali vengono a loro volta regolati da degli intermediari. La subunità alfa, a seconda che la proteina sia una proteina Gs o Gi, va rispettivamente ad attivare o inibire un enzima che è l’adenilato ciclasi. Questo produce AMPc che essendo un secondo messaggero va ad attivare nello specifico la proteina chinasi A, PKA. Questa fosforila vari substrati attivandoli o inattivandoli.

Le risposte cellulari che sono mediate dall’attivazione di una PKA sono tante:

• Regolazione del metabolismo
• Regolazione del citoscheletro
• Regolazione degli enzimi che sono coinvolti nel metabolismo lipidico e glucidico
• Regolazione delle proteine coinvolte nel riassemblaggio delle strutture citoscheletriche
• Regolazione della proliferazione, ecc.

I secondi messaggeri sono molto importanti perché sono quegli elementi della trasduzione del segnale che ci permettono l’amplificazione del segnale. Quindi un singolo recettore, che è in grado di attivare più enzimi amplificatori. Quindi, da una singola molecola riusciamo a modificare tantissimi substrati. Fosforilando tantissimi substrati è possibile anche la regolazione di diversi processi cellulari e quindi alla base di questo concetto c’è la divergenza nella risposta cellulare.

Recettore accoppiato a proteina G

Esempio di amplificazione del segnale con recettore accoppiato a proteina G:

• Recettore accoppiato a proteina Gq (classe Gq – attivazione fosfolipasi C). È la via di trasduzione del segnale accoppiata a 3 secondi messaggeri: IP3 (inositolo trifosfato), DAG (diacilglicerolo), Ca²⁺. Sono tutti secondi messaggeri che vengono attivati a partire dall’attivazione di un enzima, la fosfolipasi C.
• Messaggero lega recettore
• La subunità alfa una volta attivata va a legare la fosfolipasi C,
• La fosfolipasi C si attiva e scinde PIP2 della membrana in IP3 e DAG
• DAG rimane ancorato alla membrana e va ad attivare proteina chinasi C, che ha tutta una serie di substrati che verranno fosforilati e al solito, similmente a quanto fa la PKA verrà determinata una risposta cellulare.
• Al tempo stesso viene prodotto IP3 (inositolo trifosfato) citosolico, che lega una particolare classe di canali per il calcio che sono espressi a livello del reticolo endoplasmatico, rilasciando calcio nel citosol.