Riassunto esame Fondamenti di neuroscienza, Prof. Maggio Mariagrazia, libro consigliato Fondamenti di neuroscienze , Siegel, Sapru

Il sistema nervoso

Il neurone

Il neurone è l'elemento di elaborazione e trasmissione delle informazioni del sistema nervoso, la sua principale funzione è quella di trasmettere i segnali. I neuroni presentano le seguenti quattro strutture/regioni:

Il corpo cellulare o soma

Consiste in una massa citoplasmatica delimitata dalla membrana esterna, contiene il nucleo e gran parte degli organelli necessari ai processi vitali della cellula, in particolare quelli trofici e metabolici. La sua forma può essere diversificata in base alla tipologia del neurone. Nel nucleo troviamo il materiale genomico del neurone, detto cromatina.

• Sostanza di Nissl, è una sostanza formata da piccole masserelle di reticolo endoplasmatico rugoso (RER), reso rugoso dalla presenza dei mitocondri.
• Mitocondri, organuli adibiti alla produzione di energia metabolica del neurone (ATP).
• Apparato del Golgi, aggregato di vescicole costituite di REL, modifica delle proteine.
• Lisosomi, piccole vesciche contenenti enzimi idrolitici, associate alla membrana.

È presente inoltre il citoscheletro che fornisce sostegno alla cellula ed è costituito di: microtubuli, neurofilamenti e microfilamenti.

I dendriti

Ricevono le informazioni da altri neuroni grazie alle sinapsi con gli assoni. Le caratteristiche dei dendriti sono:

• Normalmente multipli;
• Ognuno origina dal corpo come singolo ramo e poi si arborizza (spine);
• Diversi tipi di ramificazioni neurone;
• Porzione basale ha vari organuli (tranne Golgi);
• Porzione distale ha organuli radi o assenti;
• Ovunque numerosi mitocondri.

Gli assoni

L'assone è una lunga e sottile struttura cilindrica, spesso ricoperta da guaina mielinica. Trasporta l'informazione dal corpo cellulare ai bottoni terminali, il messaggio che trasporta è il potenziale d'azione. Le ramificazioni sono ad angolo retto (collaterali), la maggior parte dei neuroni ha un solo assone.

I bottoni terminali

Il terminale assonale è formato da piccoli rigonfiamenti chiamati bottoni terminali. Quando riceve un potenziale d'azione, che viaggia lungo l'assone e arriva al bottone terminale, quest'ultimo ha il compito di secernere una sostanza chimica (sostanza trasmettitrice). Questo agente chimico può eccitare o inibire la cellula ricevente con cui il neurone è connesso tramite sinapsi; i bottoni terminali possono creare sinapsi sulla membrana dei dendriti o del soma di svariati altri neuroni.

Classificazione dei neuroni

I neuroni possono essere classificati in base a:

Numero e ramificazioni dei prolungamenti

• Neuroni multipolari, mostrano un assone e molteplici dendriti, è il tipo più comune nel SNC.
• Neuroni bipolari, hanno un assone e un solo dendrite, situati ai lati opposti del corpo cellulare, hanno funzioni sensoriali.
• Neuroni pseudounipolari, due rami, uno va verso la periferia, l'altro verso il SNC.
• Neuroni unipolari, presentano un solo assone, che parte dal soma e si divide in due ramificazioni a poca distanza dal corpo cellulare.

Aspetto presentato

• Piramidale, i cui dendriti alla base si distribuiscono in senso orizzontale, mentre il dendrite apicale si sviluppa in altezza. L'assone si estende nelle zone corticali della corteccia.
• Stellato, definite anche granuli, in cui i dendriti si ramificano nelle immediate vicinanze del soma e l'assone comunica con le cellule adiacenti.
• Fusiforme, aventi alle estremità due terminazioni dendritiche e l'assone si dirige verso strati più superficiali.

Connessioni

• Neuroni sensitivi primari: neuroni che hanno neuriti sulla superficie sensoriale del corpo umano, come la pelle e la retina dell'occhio, e che inviano informazioni verso il sistema nervoso.
• Motoneuroni: neuroni che hanno assoni che contraggono sinapsi con i muscoli e comandano i movimenti.
• Interneuroni: neuroni che nel sistema nervoso fanno sinapsi solo con altri neuroni (99% dei neuroni).

Neuroglia o cellule gliali

Il sistema nervoso è formato da una seconda tipologia cellulare, chiamata cellule gliali. La glia ha una minore complessità morfologica e funzionale e comprende solo quattro tipologie di cellule. Inizialmente si credeva che avessero solo funzioni di supporto strutturale, ma recentemente è emerso come questa sia solo una delle tante funzioni; è stato infatti dimostrato che possono inviare segnali fra loro ed ai neuroni, alterando i meccanismi di trasmissione neurale.

Tipologie di cellule

• Astrociti: sono cellule dalla forma di stella, con numerose ramificazioni che vanno in tutte le direzioni intrecciandosi allo stesso tempo con neuroni e vasi sanguigni. Le loro funzioni vanno dal sostegno e comunicazione fra i vasi sanguigni e dei neuroni. Si occupano inoltre della formazione di nuove sinapsi ed il controllo dinamico del flusso ematico locale. Ricevono impulsi elettrici direttamente dai neuroni, ma sono incapaci di generare impulsi propri. (Esistono diversi tipi: astrociti protoplasmatici, astrociti fibrosi, cellule di Muller).
• Oligodendrociti e cellule di Schwann: sono cellule che esplicano la stessa funzione, rispettivamente nel SNC e nel SNP. Queste cellule gliali avvolgono la loro estesa membrana plasmatica in numerose spire attorno agli assoni formando uno strato di mielina che ha la funzione di agire come guaina isolante, impedendo la dispersione dei campi elettrici relativi agli impulsi nervosi che viaggiano lungo gli assoni. La mielina è composta per il 70-80% da lipidi e per il 20-30% da proteine. La mielinizzazione dura circa 15-20 anni negli esseri umani.
• Microglia: ha principalmente un ruolo macrofagico e di protezione dell'ambiente nervoso. Durante lo sviluppo del sistema nervoso, attraverso la fagocitosi di cellule morte e materiale di scarto, contribuisce al modellamento delle strutture neurali. Nel sistema nervoso adulto contribuisce al mantenimento dell'omeostasi attivandosi in risposta di agenti patogeni presenti a livello del sistema nervoso centrale.

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica separa l'ambiente interno della cellula (funzione contenitiva) e seleziona le sostanze che possono attraversarla (funzione di barriera selettiva-semipermeabile). Le membrane sono fosfolipidiche, cioè sono formate da fosfolipidi e da proteine, che attraversano la membrana.

Modi di attraversamento della membrana

• Diffusione semplice: le sostanze si spostano da regioni a più alta concentrazione verso regioni con bassa concentrazione, differenza che si identifica come gradiente di concentrazione, senza l'uso di energia metabolica.
• Trasporto passivo (diffusione facilitata): i soluti vengono trasportati passivamente senza l'uso di energia metabolica o attraverso la presenza di proteine carriers a cui si legano, oppure attraverso canali ionici.
• Trasporto attivo: mediato da proteine di trasporto specifiche, prevede una fonte di energia metabolica (ATP).

Le proteine di cui si parla possono essere delle vere e proprie porte:

• Possono essere aperte, lasciando passare gli ioni attraverso l'apertura (poro);
• Possono essere chiuse, per cui gli ioni non passano.

Tali proteine sono dette canali ionici:

Sono proteine intrinseche di membrana e sono generalmente composti da più subunità (di solito da 4 a 6) disposte in modo da delimitare un poro acquoso attraverso il quale difondono gli ioni. Una delle caratteristiche fondamentali dei canali ionici è una spiccata selettività per le specie ioniche che riescono a permeare; ci sono canali ionici che si lasciano attraversare da diverse specie di ioni (ma sempre con la stessa carica) come Na⁺, Ca²⁺ e K⁺, oppure canali selettivi per una sola specie ionica.

Tipi di canali ionici

Canali ad accesso variabile

Sono canali ionici dotati di un meccanismo che ne regola l'apertura a seguito di stimoli specifici di varia natura (chimica, elettrica, meccanica). L'apertura dei canali ad accesso variabile è regolata da stimoli di natura diversa e li distingue in:

• Canali voltaggio-dipendenti: sono canali ionici che presentano un sensore del voltaggio e la cui apertura è dovuta ad una variazione del potenziale di membrana;
• Recettori-canale: sono canali ionici attivati dal legame con un opportuno ligando;
• Canali regolati da stimoli meccanici: sono canali la cui apertura dipende dall'energia meccanica dello stimolo.

Canali passivi

Sono canali ionici caratterizzati da una spiccata selettività per una specie ionica e sempre aperti, ossia sempre transitabili dallo ione. Il flusso ionico attraverso i canali passivi si realizza senza alcuna limitazione e viene determinato dalla forza elettrochimica che si stabilisce tra i due versanti della membrana.

Forze che creano il passaggio esterno/interno

• Forze chimiche: le molecole si distribuiscono in modo uniforme all'interno del mezzo in cui sono disciolte.
• Forze elettriche: le sostanze disciolte in un liquido si suddividono in due parti con carica elettrica opposta: anioni (negativi) cationi (positivi), le particelle con segno uguale si respingono e con segno opposto si attraggono, ciò crea pressione elettrostatica.

Il potenziale di membrana

La diffusione e la pressione elettrostatica danno origine al potenziale di membrana, dovuto agli ioni presenti nel fluido dentro le cellule (fluido intracellulare) e all'esterno (fluido extracellulare). Il fluido intracellulare ed extracellulare hanno differente composizione, nella genesi del potenziale di riposo della maggior parte dei neuroni sono coinvolti gli ioni K⁺ e Na⁺. Il potenziale di riposo nelle cellule nervose è un potenziale di diffusione che si genera perché la membrana è diversamente permeabile agli ioni K⁺ e Na⁺ inequalmentedistribuiti ai suoi lati (in alcuni neuroni anche il Cl^- contribuisce alla genesi del potenziale di riposo). Le cellule nervose trasformano in impulsi elettrici stimoli di varia natura; in condizioni di riposo (assenza di stimoli) la membrana dei neuroni è lievemente polarizzata, cioè il lato interno è ricco di cariche negative, mentre il lato extracellulare è carico positivamente. Ciò dipende dalla distribuzione di alcuni ioni ai due lati della membrana:

• L'esterno della cellula è ricco di ioni Na⁺ e in misura minore di ioni Cl^- (ambiente carico positivamente).
• Nel citoplasma ci sono ioni K⁺, ma predominano gli ioni negativi come i gruppi fosfato (ambiente carico negativamente).

Il potenziale di riposo è dovuto alla differenza di concentrazione degli ioni ai due lati della membrana, esso varia da -60mV a -70mV. Nei neuroni la concentrazione di Na⁺ e K⁺ è regolata da 3 proteine di membrana:

• canali del potassio;
• canali del sodio;
• pompa sodio-potassio.

Questi canali ionici possono essere regolati dal voltaggio, da gradiente chimico omeccanicamente.

La pompa sodio-potassio

Lo ione sodio (Na⁺), che presenta una carica positiva, è più concentrato nell'ambiente extracellulare rispetto a quello intracellulare (presente un gradiente di concentrazione). Se lo ione sodio potesse attraversare la membrana plasmatica, passerebbe dall'esterno (dove è più concentrato) all'interno, ristabilendo in tal modo l'equilibrio (lo ione sodio segue un gradiente di concentrazione). Essa consente di scambiare Na⁺ con K⁺, spingendo 3 ioni sodio fuori dalla cellula, ogni 2 ioni potassio introdotti all'interno. Il potenziale di riposo è costante, nonostante sia generato da un processo diffusivo (che tende a dissipare i gradienti) grazie alla pompa Na⁺/K⁺.

Misurazione potenziale di riposo

Il potenziale di membrana può essere misurato inserendo nella membrana un elettrodo di vetro con la punta sottilissima (microelettrodo) collegato ad un elettrometro, un elettrodo di riferimento viene posto all'esterno della membrana.

Il potenziale di azione

Tutte le cellule hanno la capacità di sviluppare e mantenere un potenziale di membrana stabile. Alcune cellule, definite eccitabili, hanno la capacità di modificare il potenziale di membrana in risposta ad uno stimolo. Gli eventi elettrici che ne derivano prendono il nome di potenziali d'azione, l'eccitabilità viene quindi associata alla produzione di impulsi elettrici. Il potenziale di membrana può cambiare in seguito all'apertura o alla chiusura dei canali ionici, quelli ad accesso variabile. Una variazione verso valori meno negativi (es da -60mV a -40mV) è espressione di depolarizzazione. Un ritorno dallo stato di depolarizzazione verso il valore del potenziale di riposo viene detto ripolarizzazione. Una variazione verso valori più negativi (da -70mV a -90mV) è espressione di iperpolarizzazione. In seguito ad uno stimolo il potenziale di riposo della membrana viene modificato. Se lo stimolo raggiunge un certo valore di soglia si scatena un potenziale di azione che determina un cambiamento di permeabilità a questi ioni. Il repentino cambiamento di questa differenza di potenziale genera l'impulso nervoso. Di fatti, se il neurone viene stimolato, a causa dell'apertura di alcune proteine canale per il sodio, il potenziale di membrana può salire fino da circa -70mV a -50mV, valore che viene detto potenziale di soglia.

Cosa accade nel potenziale d'azione

Il potenziale d'azione è una modificazione del potenziale di riposo che si origina quando la membrana eccitabile viene depolarizzata sino ad un valore critico (valore soglia). Tale depolarizzazione viene evocata da uno stimolo elettrico, detto liminare o soglia.

Fase di depolarizzazione

Raggiunto questo valore soglia, molti canali sodio si aprono e un gran numero di Na⁺ passano dall'esterno all'interno della cellula; dato che la concentrazione di cariche positive all'interno aumenta, il potenziale si inverte bruscamente e raggiunge un valore di +35mV, detto potenziale di azione. Tale sequenza viene detta depolarizzazione della membrana.

Fase di ripolarizzazione

Pochi istanti dopo le proteine canale per il Na⁺ si richiudono, mentre quelle per il K⁺, che erano chiuse, si aprono e grazie all'azione della pompa sodio-potassio, vengono ristabilite le condizioni di riposo (potenziale di riposo). Processo detto ripolarizzazione della membrana.

Fase di iperpolarizzazione

Tuttavia, essendo i canali K⁺ molto lenti a chiudersi quando raggiungono il potenziale di riposo, si ha un breve momento in cui il potenziale scende al di sotto del valore di riposo (-90mV). Fase chiamata iperpolarizzazione.

Legge del tutto o nulla

In un neurone un potenziale d'azione o è generato e si sviluppa in tutta la sua ampiezza, se lo stimolo raggiunge o supera la soglia, oppure non è generato affatto, se l'ampiezza dello stimolo è inferiore alla soglia. A tale proposito possiamo avere diversi tipi di stimoli:

• Stimolo subliminare, la membrana eccitabile risponde con una risposta puramente passiva;
• Stimolo liminare, la membrana eccitabile risponde con un potenziale d'azione;
• Stimolo sopraliminare, la membrana eccitabile dà una risposta identica a quella dello stimolo liminare.

La refrattarietà

Un neurone, una volta generato un potenziale d'azione, viene a trovarsi in uno stato di refrattarietà:

• Periodo di refrattarietà assoluta: nessuno stimolo per quanto intenso è in grado di generare un secondo potenziale d'azione; impedisce la fusione dei potenziali di azione, consentendo la propagazione di impulsi distinti.
• Periodo di refrattarietà relativa: un secondo stimolo, a condizione che sia sufficientemente più intenso di quello soglia, è in grado di generare un secondo potenziale d'azione; consente la modulazione della frequenza degli impulsi nervosi a seconda dell'intensità dello stimolo.

La conduzione saltatoria

L'informazione viene trasmessa in maniera saltatoria, questo perché la membrana assonica delle fibre mieliniche è a contatto col liquido extracellulare solo in corrispondenza dei nodi di Ranvier, dove tutti i canali e le pompe sono dislocate, di conseguenza i potenziali d'azione possono essere generati solo in tali regioni. Accade che a seguito della depolarizzazione all'interno di uno dei nodi e alla generazione di un potenziale di azione, una parte della corrente generata viene trasportata per conduzione passiva fino al nodo successivo, in cui provocherà a sua volta una depolarizzazione, e così via fino alla fine dell'assone; una volta che la corrente si è propagata verso il nodo successivo, in quello precedente avviene la ripolarizzazione, ristabilendo un potenziale di riposo. In tal modo il potenziale d'azione "salta" da un nodo al successivo (conduzione saltatoria). (I canali per il sodio sono concentrati nei nodi e assenti nella membrana internodale.)

La trasmissione sinaptica

Il procedimento che abbiamo visto di depolarizzazione-ripolarizzazione-iperpolarizzazione ha come obiettivo la trasmissione di informazioni. Le zone specializzate a livello delle quali le cellule entrano in comunicazione sono definite sinapsi, esse avvengono tra cellule eccitabili (neuroni e/o cellule muscolari). Esistono due tipi principali di trasmissione sinaptica e dipendono dal meccanismo impiegato:

Sinapsi elettrica

A livello delle sinapsi elettriche le membrane cellulari di cellule adiacenti sono collegate mediante giunzioni comunicanti (gap junctions). Le giunzioni comunicanti contano di canali proteici di connessione tra due cellule adiacenti.